第4单元 控制及设计

1、浙江省兰溪市第三中学 陈永新一一 考试内容与要求考试内容与要求二二 具体内容复习与讨论具体内容复习与讨论三三 分析评价题、应用题示例分析评价题、应用题示例浙江省兰溪市第三中学 陈永新1 1 控制的含义控制的含义2 2 控制的应用控制的应用3 3 控制手段控制手段4 4 开环控制系统的基本组成和工作过程开环控制系统的基本组成和工作过程5 5 闭环控制系统的基本组成和工作过程闭环控制系统的基本组成和工作过程6 6 控制系统的方框图控制系统的方框图7 7 控制系统的干扰因素控制系统的干扰因素8 8 功能模拟方法和黑箱方法功能模拟方法和黑箱方法 9 9 控制系统设计方案控制系统设计方案浙江省兰溪市第三

2、中学 陈永新人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。望的目标发展，这就是控制。理解任何控制现象，都要明确：理解任何控制现象，都要明确： 控制的对象是什么，控制的对象是什么， 控控制要达到什么目的，制要达到什么目的， 采取什么控制手段。采取什么控制手段。2 2 控制的应用自古就有，并在近代得到了迅速发展，它涉及到社控制的应用自古就有，并在近代得到了迅速发展，它涉及到社会生活、生产的各个领域，在各行各业都存在应用。会生活、生产的各个领域，在各行各业都存在应用。控制的分类：控制的分类：从控制过程中人工干预的情形

3、分为人工控制（从控制过程中人工干预的情形分为人工控制（控控制过程是在人的直接干预和全程干预下进行的制过程是在人的直接干预和全程干预下进行的）和自动控制（）和自动控制（指在无人直接指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行）；按照执行部件）；按照执行部件的不同，控制分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等的不同，控制分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等 。了解在生产过程中对压力、温度、水位、光照、流量的控制，了解在生产过程中对压力、温度、水位、光照、流量的控制，了解生活中电冰箱、洗衣机、空调机等生活用品的控制技术。

4、了解生活中电冰箱、洗衣机、空调机等生活用品的控制技术。浙江省兰溪市第三中学 陈永新任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为成了一个系统，称为。定义：定义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制称为响，这种控制称为特征：系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量特征：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之间的信号是（3）开环控制系统的方框图）开环控制系统的方框图被控对象被控对象执行器执行器控制器控制器输入量输入量控制量控制量输出量输出量控制系统

5、控制系统的给定量的给定量对输入信号进对输入信号进行处理并发出行处理并发出控制命令的装控制命令的装置或元件置或元件直接对被控对直接对被控对象进行控制的象进行控制的装置或元件装置或元件执行器的执行器的输出信号输出信号控制系统中所要控制系统中所要求控制的装置和求控制的装置和生产过程生产过程控制系统控制系统所要控制所要控制的量的量浙江省兰溪市第三中学 陈永新（2 2）特征：）特征：系统的系统的输出端与输入端信号之间存在一个回路输出端与输入端信号之间存在一个回路反馈回路。反馈回路。（1 1）定义：）定义：系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影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

6、响的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制系统。（3）简单闭环控制系统的方框图）简单闭环控制系统的方框图被控被控对象对象执行器执行器控制器控制器控制量控制量检测装置检测装置比较器比较器- -+ +给定量给定量被控量被控量室内空气室内空气 控制量控制量 设定设定温度温度温度温度控制器控制器室内室内温度温度压缩机压缩机温度检测装置温度检测装置比较器比较器+ +- -空调机空调机 冷气冷气或热气或热气浙江省兰溪市第三中学 陈永新能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，能确定系统的个能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，能确定系统的个环节，能确定被控量、控制量、输入量、反馈量、偏差量，能用环节，能确定被控量

7、、控制量、输入量、反馈量、偏差量，能用箭头表示信息在系统中流动和传播的方向。理解其中的控制器、箭头表示信息在系统中流动和传播的方向。理解其中的控制器、执行器、比较环节和反馈环节的作用。执行器、比较环节和反馈环节的作用。 瓦特式速度调节器瓦特式速度调节器发动机发动机 进油量进油量 设定设定转速转速弹簧弹簧发动机发动机转速转速输油管输油管转速检测装置转速检测装置比较器比较器+ +- -浙江省兰溪市第三中学 陈永新下列两图分别是瓦特蒸汽机的结构示意图和转速自动控制原下列两图分别是瓦特蒸汽机的结构示意图和转速自动控制原理图。如图所示，套筒与阀门连在一起，当由于某种外界原因理图。如图所示，套筒与阀门连在

8、一起，当由于某种外界原因（如蒸汽机的负载减小）导致蒸汽机的转速加快时，飞球离心力（如蒸汽机的负载减小）导致蒸汽机的转速加快时，飞球离心力增大，套筒向上移动，阀门通孔截面积减少，蒸汽流速降低，蒸增大，套筒向上移动，阀门通孔截面积减少，蒸汽流速降低，蒸汽机汽缸内压力减少，最后使其转速下降。汽机汽缸内压力减少，最后使其转速下降。浙江省兰溪市第三中学 陈永新（1）请补充完整蒸汽机转速自动控制系统方框图。）请补充完整蒸汽机转速自动控制系统方框图。阀门阀门汽缸蒸汽汽缸蒸汽蒸汽机转速蒸汽机转速检测装置检测装置（2）在蒸汽机的转速控制过程中，当被控量发生变化时，执行）在蒸汽机的转速控制过程中，当被控量发生变化

9、时，执行器的状态器的状态_（选填会或者不会）发生变化；除了设定（选填会或者不会）发生变化；除了设定转速的变化引起被控量变化以外，其它能引起被控量变化的一切转速的变化引起被控量变化以外，其它能引起被控量变化的一切因素统称为因素统称为_。会会干扰因素干扰因素浙江省兰溪市第三中学 陈永新注意以下几点：注意以下几点：来源问题。有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度变化的来源问题。有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度变化的自然风等；有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。自然风等；有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。数量问题。在控制系

10、统中，干扰因素可能是一个，也可能是若干个。数量问题。在控制系统中，干扰因素可能是一个，也可能是若干个。处理问题。控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。如空调器的温处理问题。控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。如空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器检测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干时，空调器检测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。扰，使室温保持稳定。利用问题。在一般控制系统中，干扰因素是需要克服

11、的。而在有些情况下却利用问题。在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。而在有些情况下却可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。但在生产生活中，我们需对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。但在生产生活中，我们需要以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。要以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为各种因素称为能结合案例找出影响简单

12、控制系统运行的主要干扰因素，并能能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并能分析尽可能避开或抑制干扰因素对控制系统的影响的办法。分析尽可能避开或抑制干扰因素对控制系统的影响的办法。浙江省兰溪市第三中学 陈永新开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制系统与闭环控制系统的比较 开环控制系统输入量到输出量之间的信号是单向传递的，它开环控制系统输入量到输出量之间的信号是单向传递的，它对输出量的控制精度较低，但它具有结构简单、成本低、容易实对输出量的控制精度较低，但它具有结构简单、成本低、容易实现等优点。现等优点。 闭环控制系统的输入量和输出量之间还有一个反馈环节，它闭环控制系统的输入量和输出

13、量之间还有一个反馈环节，它们形成了一条闭合回路。它对输出量的控制精度较高，但它结构们形成了一条闭合回路。它对输出量的控制精度较高，但它结构复杂、成本高，主要用在要求较高精度和高可靠性的控制中。复杂、成本高，主要用在要求较高精度和高可靠性的控制中。反馈：反馈：A 定义：在控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到定义：在控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。B 反馈方法：利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输反馈方法：利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运

14、行的方法，称为出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法，称为反馈方法。如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，反馈方法。如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动电水壶具有当水沸腾时自动切断电源的功能，这就是利用而自动电水壶具有当水沸腾时自动切断电源的功能，这就是利用反馈方法实现自动控制的结果。反馈方法实现自动控制的结果。浙江省兰溪市第三中学 陈永新把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是。黑箱方法就是通过

15、观测黑箱外部输入信息（外部对黑箱的影黑箱方法就是通过观测黑箱外部输入信息（外部对黑箱的影响）和输出信息（黑箱对外界的反应），研究和认识其功能、特响）和输出信息（黑箱对外界的反应），研究和认识其功能、特性、结构、机理。性、结构、机理。以功能和行为的相似性为基础，用以功能和行为的相似性为基础，用“模型模型”模拟模拟“原型原型”的的功能和行为的方法，就是功能和行为的方法，就是。浙江省兰溪市第三中学 陈永新（1）控制系统设计的一般思路）控制系统设计的一般思路实施控制系统所需的实施控制系统所需的设备、元件等设备、元件等系统的成本分析系统的成本分析控制系统的调试、控制系统的调试、运行和评价运行和评价控制系

16、统的控制系统的方案选择方案选择分析被控对象的分析被控对象的主要特征主要特征确定被控量、确定被控量、控制量控制量分析主要的分析主要的干扰因素干扰因素明确控制的目明确控制的目的、对象的、对象浙江省兰溪市第三中学 陈永新设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来

17、分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式的基本特性，从而确定控制器的运算方式(暗箱方法暗箱方法)。一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。找出对系统影响最大的干扰因素。被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又明显作用的量。对抑制干扰因素和保持系统稳定又明显作用的量。执行器、检测器的选择：一是要根据

18、被控量和控制量的需执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。求，二是要根据控制的条件进行。（2）开环控制系统的设计）开环控制系统的设计明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。虑具体控制系统的方案。浙江省兰溪市第三中学 陈永新声控灯的优点有哪些？声控灯的优点有哪些？如果声控灯的附近并没有来人，而如果声控灯的附近并没有来人，而出现意外的声响，如楼上或隔壁有人高声说话或以动作发出声响，出现意外的声响，如楼上或隔壁有人高声说话或以动作发出声响，灵敏度高的声控灯也会应声而亮。为避免

19、这种情况你有什么好办灵敏度高的声控灯也会应声而亮。为避免这种情况你有什么好办法？法？画出声控灯的系统框图。画出声控灯的系统框图。如图是声控灯系统组成示意图，根据你的理解和认识回答如图是声控灯系统组成示意图，根据你的理解和认识回答下列问题：下列问题：答案提示：答案提示： 关键词：方便、节电关键词：方便、节电 。 把传感器的灵敏度调小一点。把传感器的灵敏度调小一点。：浙江省兰溪市第三中学 陈永新（3）闭环控制系统的设计）闭环控制系统的设计 闭环控制系统必须是稳定的；闭环控制系统必须是稳定的； 系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；要有较好的抗干扰性能。要有较好的抗干扰性能。例：抽水马桶水箱的自动控制系统设计：例：抽水马桶水箱的自动控制系统设计：A A 设计分析：被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水设计分析：被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进水量）水箱水位的箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进水量）水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。高度与进水量之间呈线性关系。B B 控制过程：拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同控制过程：拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭