第四单元《控制与设计》第二节---控制系统的工作过程与方式

(共37张PPT)
A.拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。
B.声光感应开关，当有声音时灯亮。
C.红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则不出水。
D.宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。
E.当手靠近自动烘手机时，机器启动；当手离开时，机器关闭。
日常生活中的控制：
归纳、抽象以上活动的特征 :
一个输入信号（如手拔开关）对应着一个输出信号（如灯亮或不亮）。
这些控制是怎样实现这个功能的呢？或者说，它们工作过程是怎样的呢？
第四单元 控制与设计
第二节 控制系统的工作过程与方式
长安一中 蒋建波
jjb2002@
1、什么是控制系统：
一、控制系统
控制的对象是什么
控制要达到什么目的
采取什么控制手段
然后，控制的实现又是通过哪些具体的环节呢
要想进一步了解控制，我们首先需要分析
【案例分析】
控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段
电灯的开关控制
自行车速度的控制
电风扇扇叶转速快慢的控制
电灯
自行车
电风扇
电灯的开关
速度的调节
调节速度
换档
改变踩动脚蹬的力气
拨动开关
控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
一般的控制过程都有一个输入和一个输出。
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。
【马上行动】（课文p102）指出表中所列事例是否属于控制系统，如果是控制系统，请指出系统的输入、输出分别是什么？
是否属于控制系统 输入 输出
电饭煲
脱粒机
红外线自动水龙头
是
是
是
做饭指令（电信号）
启动指令（电信号）
人手的红外信号
锅内的温度
脱粒的量
出水和不出水
控制系统一般分为开环控制系统（open loop control system）和闭环控制系统（closed loop control system）。
2、开环控制：
【阅读课本】普通游泳池注水控制系统控制过程
游泳池注水控制系统中，如果进水管单位时间的水流量一定，那么游泳池水位的高低与进水的时间一一对应。我们可以利用定时器来控制进水阀门的开启与关闭。
为了分析控制系统的方便，我们可以使用方框来表示系统的环节，用单向箭头（单向信号线）来表示系统信号传递的方向。这样画出的控制系统的方框图可以表示系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。
【案例分析】自动门的控制系统：
自动门系统由四个子系统组成：传感器、控制器、执行器（电动机）、被控对象（门）。
当有人到达门前某一距离时，传感器感知，发出“有人”的信号，控制器接到传感器传来的信号后，经变换放大后传给执行器（电动机），电动机根据传来的开门信号转动，门（被控对象）被打开，控制器保持开门信号延时设定的时间后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。与人类比，传感器相当于眼睛，判断有没有人要通过；控制器相当于人脑，根据眼睛传来的信号下达指令；执行器相当于人手，把门打开。
自动门的工作原理可以用下面的方框图来描述：
自动门
电机
控制电路
检测到是否有人的信号
（输入）
门开 或关
（输出）
转动
在上面的例子中，信息总是自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动，象这样的控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统成为开环控制系统。
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
开环控制系统的方框图：
输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。
输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。
控制量:执行器的输出信号。
被控量:控制系统的输出信号。
控制量与被控量的区别:
开环控制系统特征：
系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递，输出量不对控制产生任何影响。
马上行动：列举你所知道的开环控制系统。
红绿灯定时控制系统、防盗报警系统、火灾报警系统、音乐喷泉控制系统、闹钟定时控制系统、声控灯、自动烘手机、自动水龙头、洗衣机、电风扇的风速控制、直流电动机和数控机床等。
案例分析：水泵抽水控制系统（104）
接通电源
（输入）
控制器
电机
执行器
水泵
控制量
水流量
被控对象:
水管
水管排出水
（输出）
这是一个开环控制系统，在这个控制系统中，水泵是否排出水受电源开或关的控制，而且信号的传递是单向的。
马上行动：
1)用方框图说明下列开环控制系统的工作过程。
（1）普通家用电饭煲的煮饭控制。
普通电饭锅的控制中，加热过程的控制是一个以温度为变量、按时间顺序变化的时序控制，因而，它是一个开环自动控制系统。控制的对象是电饭锅内的内锅，输出量是内锅温度按时间变化的规律。输入量是“做饭指令”，这个指令的核心是：内锅温度低于限制温度（103℃），电热盘工作；内锅温度达到限制温度，电热盘停止工作；内锅温度达到限制温度，电热盘停止工作；内锅温度下降到保温点（65℃）时，实施保温控制。在具体操作上是由按钮实施。系统的执行器是电热盘。
煮饭指令
（输入）
保温限温控制装置
电热盘
内锅
煮饭
（输出）
（2）公共汽车车门的开关控制系统。
开关
（输入）
电磁阀
车门
开/关
（输出）
气动活塞
输入量为开关信号，输出量为车门的开与关，控制量为气动活塞的行程。
（2）当系统自身计时出现误差时，叫醒报务时间是否准确？也就是系统能否修正这一误差？
是一个开环系统，所以如果系统自身时间计时有误，系统不能自动调整过来，叫醒时间也就要出差错。
探究：
1）
（1）酒店自动叫醒报务控制系统的工作过程，画出方框图。
设定叫醒时间
电脑
客房电话
叫醒信号
2）火灾自动报警系统由火灾探测器、现场报警部件、报警控制器组成。火灾探测器包括感烟探测器和感温探测器，现场报警器包括警铃、讯响铃、报警门灯等，报警控制器按显示方式分为数码显示和液晶显示两种不同的类型。
报警声
烟感探测器
报警部件
报警控制器
电信号
烟雾信号
3、闭环控制：
进水管的水压会在注水过程中发生变化，比如水压会变小，此时若还使用前一种注水系统，会导致什么问题？
设定的时间到了，游泳池的水还没有达到预期的水位。
如何解决这一问题？
设计该控制系统的目的：在存在干扰因素的情况下，如何克服干扰，达到预期目标。
在存在干扰的情况下，我们可以想办法消除掉它对被控对象的影响，使事态的发展回归正途。
我们可以借鉴如下的例子：
我们来分析一下人拿杯子这个动作完成的过程。人在打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下，杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会命令自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示。
杯子的位置
人眼
大脑
人手
人手的位置
人眼
人类行为控制系统举例
人就是通过这个过程来完成拿杯子这个动作的。
在这个例子中，
①杯子的位置作为人控制手要达到的位置（给定量），
②人眼一方面感知该控制系统输出量即人手的位置命令另一方面得出它与给定量之间的差距，大脑相当于控制器，
③人手兼职执行机构和被控对象双重角色。
显然该系统具备较高的控制精度且抗干扰能力强，其原因就在于它将给定量与所检测的被控量进行比较，也就是说我们如果增加检测和比较环节，就能解决干扰的问题，做到高精度的控制。
在进行完这种思考后，我们回过头来解决注水的问题：
例如：游泳池注水控制系统。将输入由设定注水时间改为设定游泳池水位.
给定水位
（输入）
+
控制器
检测装置
进水电磁阀门
游泳池
游泳池的水位
（输出）
－
比较器
水流量
把输入量设定为“预期中的游泳池的水位”，增加一个检测游泳池水位的装置，把测量到的游泳池当前水位返回到该控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），来与输入量相减，当实际水位比设定水位低时，控制器控制进水阀门继续注水；当实际水位达到设定水位时，控制器发出信号关闭进水阀门。
经过改进后的游泳池注水系统，增加了输出端到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端与给定值进行比较，构成了一条闭合回路。
我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
闭环控制系统方框图：
＋
比较器
－
特点：在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。信号传递是闭合回路。
观察并解释闭环控制系统与开环控制系统的区别？
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
马上行动P106：
判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图：
控制系统 是否属于闭环控制系统 方框图
缝纫机的缝纫速度控制系统
电冰箱的温度控制系统
走道路灯的声光控制系统
交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统
对一种自动装置的设计和分析，通常都是从输入量给定开始，到输出量稳定为止来分析其工作过程的，一般不把人作为环节加入其中。
家用缝纫机的缝纫速度控制系统：
其参考框图如下:
缝纫机速度
脚踩的力
传动装置
缝纫机
缝纫机
输出转速
输入转速
2）电冰箱的温度控制系统
其参考框图如下：
设定的温度
给定量
比较器
控制电路控制器
电机-压缩器
执行器
电冰箱
被控对象
箱内的温度
被控量
感温装置
检测装置
-
+
白天或夜晚光线较亮时，声控部分不起作用。当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成电路通断的自动开关控制。其参考框图如下：
3）走道路灯的声光控制系统
声光信号
声光检测
控制装置
路灯
灯亮/灭
开关
4）交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统.
目前所用的交通路口的红绿灯控制系统一般都是按给定的时序来控制的，因此应该是开环控制系统。对车流量因素的考虑，是在调查统计的基础上在设计给定时序时体现的。其参考框图如下：
设定好亮/灭时序
输出亮/灭时序
时序控
制装置
红绿灯
【阅读】开环控制系统经典应用案例分析：“希罗的自动门”控制的工作过程分析说明
水流量
1 、画出“希罗的自动门”控制方框图
祭坛的点火或灭火
气压控制
虹吸
自动门
门开或关
2 、分析一个开环控制系统工作过程
抽水马桶水箱控制系统的分析,并画出方框图.
给定 +
水位
比较器
机械控制
进水阀门
水流量
水箱
水箱的水位
浮球
-
练习：
1.家用压力锅的压力控制是开环控制系统，通过高压锅盖上的安全阀和排气孔实现压力控制。
安全阀上有一个重锤，它平时压在高压锅的排气孔上。当高压锅内温度升高时，锅内气体压力增大，超过一定值，重锤被顶起，蒸汽外冒，锅内气体压力下降到安全值范围内。
2.粮库的湿度和温度自动控制，一般采用闭环控制系统，增设定时检测温度和湿度的装置，与给定的温度和湿度比较，当出现偏差时，相应调节温度和湿度。方框图如下：
+
比较器
控制器
降温除
湿装置
粮仓
实际温度湿度
浮球温度湿
度检测装置
-
设定温度、湿度
3.当压力过高时，蒸汽把横杆连同重锤顶起来，使锅炉内的蒸汽通过排气孔排出，使压力降到限定值。横杆的作用：横杆使得重锤的位置可以调节，调节重锤离左端的距离就改变了限制的压力值。
重锤
出汽孔
压力锅
锅内压力
重锤
重锤重力
比较器
1、什么是控制系统：
2、开环控制：
3、闭环控制：
小结：