第四单元控制与设计第二节、控制系统的工作过程与方式 课件（65张幻灯片）

(共66张PPT)
A.拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。
日常生活中的控制：
B.声光感应开关，当有声音时灯亮。
日常生活中的控制：
C.红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则不出水。
日常生活中的控制：
D.宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。
日常生活中的控制：
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。
日常生活中的控制：
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？
第二节 控制系统的工作过程与方式
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
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节共同实现，这些环节所涉及的装置就构成了一个系统，称为控制系统。控制系统的输出和输入之间有一定的对应关系。
电子门铃的电子控制系统
1、控制系统涵义
控制系统
输入
输出
1. 什么是控制系统？
例如：街道、宿舍走廊或其他公共场所的光控路灯。
例如：下雨天能够自动关闭窗户的装置。
灯泡
光控开关
外界光线的强弱
（输入）
灯泡的亮与熄
（输出）
窗户
电机机
感湿器
雨水
（输入）
窗户的关闭
（输出）
【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
【马上行动】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和闭环控制系统
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。
开环控制系统的方框图
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
定时器
进水阀门
游泳池
设定注水时间
输入
水流量
游泳池水位
输出
控制量
被控量
给定值
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。
2、开环控制系统
控制器
执行器
被控对象
给定值
被控量
控制量
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。
输入量
输出量
案例1：自动门
红外传感器
控制器
电动机
门
自动门
传感器
控制器
执行器
对象
自动门控制系统的基本组成
1m
2、工作过程：
（10s后）
2、功能：
无人时，常关；
有人，开门。
1、技术要求：
（1）当人距门1m（也可设其他值）时，门打开；
（2）门打开后，延时10s（也可设其他值）后关门。
控制
电路
电动机
自动门
转动
红外装置检测人体热辐射发出的信号
门的开启或关闭
控制器
执行器
被控对象
被控量
控制量
案例分析：自动门的控制系统
电动机
水泵
水流
转速
接通电源
水流量
控制器
执行器
被控对象
被控量
控制量
案例分析：水泵抽水控制系统
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。
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，输出量不对控制系统产生任何影响。
控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿（系统本身没有自动纠错的能力，要进行纠正，必须再借助于人工。）。结构简单，成本低廉，多用于自动售货机，自动报警器，自动流水线等。
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、宾馆自动叫醒服务系统、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。
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）
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。
电磁阀
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。
（3）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
（4）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
游泳池注水
如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注水的水位。
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。
游泳池水位
控制器
进水阀门
游泳池
设定水位
水流量
检测装置
＋
－
控制器
执行器
被控对象
检测装置
控制量
给定量
比较器
被控量
－
＋
闭环控制系统方框图
干扰
干扰
游泳池水位
控制器
进水阀门
游泳池
设定水位
水流量
检测装置
＋
－
比较器
案例2：水箱水位控制系统
方法一：人工控制
2、功能：
当水面达到设定的水位时，关闭进水阀门
1、控制方式：人工
3、系统组成：
水箱（包括水箱里的水）；进水阀门
4、工作过程：
当水面低于设定水位时，人打开阀门放水入水箱，人眼监视水面高度；当水面达到设定水位时，人关闭阀门。
1、人是否可以打开阀门之后就走开？
2、人工控制水箱水位系统中，传感器、控制器、执行器、对象是谁？
红外传感器
控制器
电动门
门
人眼
人脑和手
阀门
水箱
水箱水位人工控制系统
自动门
传感器
控制器
执行器
对象
1、系统组成：
水箱（包括水箱里的水）；阀门；连杆机构；浮子（水漂）
浮子
连杆机构
阀门
给定水位
水箱
方法二： 自动控制
2、工作过程
当水面下降时，
浮子下落，
带动连杆机构，
阀门打开，
进水；
2、工作过程
当水面下降时，
浮子下落，
带动连杆机构，
阀门打开，
进水；
2、工作过程
当水面下降时，
浮子下落，
带动连杆机构，
阀门打开，
进水；
当水面达到设定水位时，
浮子传感，
通过连杆机构，
将阀门关闭。
2、工作过程
3、功能：
当水面达到设定水位时，自动关闭进水阀门。
4、控制方式：
自动
自动控制水箱水位系统中，传感器、控制器、执行器、对象是谁？
水箱水位人工控制系统 浮子 连杆机构 阀门 水箱
红外传感器
控制器
电动门
门
人眼
人脑和手
阀门
水箱
水箱水位人工控制系统
自动门
传感器
控制器
执行器
对象
传
感
器
控
制
器
对
象
执
行
器
有人否
开/关
输入
输出
连杆机构
阀门
水箱
浮子
反馈
输入
输出
实际水位
给定水位
自动门控制系统框图
水箱水位自动控制系统框图
3、闭环控制系统
检测装置
控制器
执行器
被控对象
给定值
被控量
控制量
比较器
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。
闭环控制系统的方框图如下：
3、闭环控制系统
检测装置
控制器
执行器
被控对象
给定值
被控量
控制量
比较器
与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的环节，构成一条闭合回路。
闭环控制系统的方框图如下：
案例分析：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
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（检测装置）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。
3、闭环控制系统
闭环控制系统的特点:

1)系统输出量对控制作用有直接影响。
2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。
3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。
4)低精度元件可组成高精度系统；
马上行动
2、人工调节液面
1、电冰箱的温度控制系统
1、电冰箱的温度控制系统
控制
电路
电机-压缩器组
电冰箱
制冷量
箱内温度
预置温度
检测装置
（热敏电阻）
眼睛
大脑
手、阀门
容器
给定值
比较器
液面位置
2、人工调节液面
水流量
浮球
控制器
阀门
水箱
预设水位
进水量
比较器
3、供水水箱的水位自动控制系统
水位
热电偶
控制器
加热器
加热炉
设定温度
比较器
4、加热炉的温自动控制系统
热量
温度
5 、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
-
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
-
6、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
1、家用缝纫机的缝纫速度控制系统：
开环控制系统。
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、走道灯的声光控制系统
声-电传感器
触点延时开关
走道灯
灯亮/灭
有/无声音
开环控制系统
3、希罗的自动门控制系统
祭坛的点火或灭火
气压控制
虹吸
自动门
门开或关
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、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