控制与设计 PPT
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第四章 控制与设计(高三复习课件)
（2）开环控制
而不能将控制的结果反馈回来，影响控制的作用 的系统
•优缺点：
开环
闭环 优点 结构简单、成本低 精确度高 缺点 精确度低 结构复杂、成本高
•应用原则：
（1）二者都能实现控制时，优先考虑开环控制； （2）二者可结合使用。
•辨别方法：
（1）看是否有反馈及能否调整
（2）加入干扰，看能否调整
第四章 控制与设计
第一节 了解控制
一、什么是控制？
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。
1、投飞镖
期望值
大脑
手
飞镖
落点
镖靶
2、骑自行车的控制过程
期望值 大脑 肢体 自行车 把 行驶方向
眼睛
二、控制的种类
1、根据控制的过程与方式
（1）闭环控制
能将控制结果（即比较量）反馈回来与希望值 （即基准量）进行比较，并根据他们的误差及 时调整控制作用的系统
例1：“投掷飞镖”过程的主要环节
命令发出者是： 命令执行者是： 执行的作用对象是： 反馈环节是：
大脑
肢 体（上臂和手）
飞镖 无
例2：“骑自行车”过程的主要环 节
命令发出者是： 命令执行者是： 执行的作用对象是： 反馈环节是：
大脑 肢 体（上臂和手）
自行车把（转向子系统）
眼睛
描述的语言、概念、具体描述的区别与联系
给定值
被控量
执行器
反馈环节
被控 对象
三、练习： 用方框图将下面的几个控 制系统表示出来。
1、供水水 箱的水位自 动控制系统
浮子
预设 水位
比较器
进水量
水位
控制器
阀门 浮球
第四章控制与设计
山东省昌乐一中 2011级通用技术导学案主要编制人：王爱军、李玉松、吴巧燕审核：审批：第四章控制与设计一《通用技术课程标准》要求：（1）理解控制的含义及其在生产和生活中的应用。
（2）分析典型的案例，了解手动控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
（3）能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用。
（5）了解简单的被控制对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制设计的方案。
（6）能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置；或者能根据简单闭环控制系统的设计方案进行实施或模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
【学习目标】知识与技能：1、理解控制的涵义及其应用2、能画出简单的闭环控制系统方框图3、结合实例，会分析控制系统过程与方法：通过具体案列进行分析理解。
情感态度与价值观：激情投入，高效学习，养成勤于思考及善于归纳的习惯。
【重点、难点】重点：开环控制与闭环控制系统的理解与应用难点：控制系统的设计与应用【使用说明】1、通览本章所有知识内容，完成自主学习部分。
2、小组成员积极讨论，踊跃展示。
3、激情投入，高效学习。
班级 姓名 编号 时间：2013年3月16日【自主学习】1、如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行 ，这种根据自己的目的，通过 ，就形成了控制。
2、能将控制的结果（即比较量）反馈回来与希望值（即基准量）进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用的系统，称为 。
3、 的系统，成为开环控制系统。
4、系统中将控制结果反馈回来的部分，成为 。
是闭环控制系统的重要特征。
5、按照执行部件的不同，控制分为： 、气动控制、 、电子控制等。
6、对于自动控制，按控制方式分为： 、 和复合控制等。
7、控制系统必须在 才能完成控制任务。
这种控制系统我们称之为 。
8、在控制的过程中 的控制系统称为自动控制。
第四章 控制与设计 第四节 控制中的干扰
马上行动
电冰箱的温度控制系统， 下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素
开电冰箱门 电冰箱所在房间的温度从20度变到32度
是
是
把热菜热饭放入电冰箱中
在电冰箱外放一盆冷水
是
否
下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？
控制系统
自动扶梯的升降控制系统
干扰因素
电机输出电压的波动等、齿轮间 的摩擦力等 滑轮组的摩擦力等
黑箱方法应用的例子 输 入 摇、转、看
望、闻、问、切
输 出
需要了解的情 况
判断生熟鸡蛋 中医诊断病情
生或熟
是否健康
旋转速度
气色、舌苔、 脉搏等 器官的健康 状况
B超探测
了解计算机的 基本性能
B型超声波 运行应用 程序
图像 计算机的 反应
计算机基本 性能的好坏
小 结：
1、干扰的概念 2、克服干扰的基本方法 3、功能模拟法 4、黑箱方法
闭环控制系统的工作过程
闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量） 的偏差。所以一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被 控量控制在给定值附近。
比较器
给定值
干扰
干扰
干扰
干扰 被控量
控制 器
执行 器
反馈环节
被控 对象
功能模拟方法
比较加热炉温度自动控制系 统与手动控制系统，我们发现，控 制器代替人脑实现了温度控制的功能，执行器代替人手实现了 调压的功能，检测装置代替了人眼实现了检测温度值的功能。
例如：在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功 能，能模拟棋手的思维与人下棋。
黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进 而推断出系统内部结构及其功能的方法。黑 箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究 其内部结构和功能的方法。
多变量控制系统分析与设计PPT课件
于任意一个ε>0，总存在一个δ>0，使得当系统在t0时刻初始状
态 x(t0 )=x0 满足：
x0 x*
系统的状态轨线x(t)恒有：
x(t) x*
则称系统在平衡点x*处稳定，或简称平衡点x=x*稳定。
系统稳定性示意
x2
s( )
xe
x1
s( )
- 初始状态 - 平衡状态
二维空间李雅普诺夫下稳定性的几何解释示意图
第4章 系统的稳定性分析
4.1 稳定性的基本概念
多变量系统可以分别从它的内部结构和外部特性考察其动态行为， 从而建立起它的内部描述(如状态空间描述)或外部描述(传递函数矩阵描 述)。系统的稳定性相应从内部和外部两个方面来考察。
(1) 内部稳定性 系统的内部稳定性反映系统内部状态变化内在性质，与输入输出无 关。它是在外部输入为零(又称为零输入)情况下，当状态向量偏离了某个 平衡点时，系统能否自己回复到这个平衡点上来的性质。
t 2 eit L 2!
t m2 eit (m 2)!
t m1 (m 1)!
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t m3 eit (m 3)!
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(m 4)!
(m 3)!
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0
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0
P 1x (0)
e
n
t
x (t ) 的各分量 x1(t), x2(t),L , xn(t) 是 e1t ,e2t ,L ,ent 的线性组合
态 x(t0 )=x0 满足：
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系统的状态轨线x(t)恒有：
x(t) x*
则称系统在平衡点x*处稳定，或简称平衡点x=x*稳定。
系统稳定性示意
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- 初始状态 - 平衡状态
二维空间李雅普诺夫下稳定性的几何解释示意图
第4章 系统的稳定性分析
4.1 稳定性的基本概念
多变量系统可以分别从它的内部结构和外部特性考察其动态行为， 从而建立起它的内部描述(如状态空间描述)或外部描述(传递函数矩阵描 述)。系统的稳定性相应从内部和外部两个方面来考察。
(1) 内部稳定性 系统的内部稳定性反映系统内部状态变化内在性质，与输入输出无 关。它是在外部输入为零(又称为零输入)情况下，当状态向量偏离了某个 平衡点时，系统能否自己回复到这个平衡点上来的性质。
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控制与设计
控制的分类
控制的实现需要通过一定
的手段。从控制过程中人工干
预的情形来分，控制有人工控
制(手动控制)和自动控制。
人工控制：控制过程是在人的直接干预 和全程干预下进行的。
关/开门
驾驶汽车
自动控制：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。
太 阳 能 路 灯
自 动 门
马上行动
请说说你所了解的人工控制和
自动控制的事例。
控制实例1
自动控制
人工控制
人工控制
控制实例1
人工控制
自动控制
自动控制
从执行控制的部件来分： 机械控制、气动控制、液压控制、 电子控制等等。 在很多的控制事例中，控制的手段可以是 综合的。
控制实例2
汽车自动门
气动控制 机械控制、气动控制
电子控制
汽车刹车
检测装置
闭环控制系统
给定量——作用于控制系统的物理量，预先给定的 被控量——需要进行控制的物理量 控制器——对被控对象起控制作用的设备总体，即
控制装置
执行器——执行控制器的指令
被控对象——需要控制的机器、设备或生产过程
闭环控制系统
• 比较器是将给定量与所测的被控量进行 比较，求出偏差
• 控制器将这一偏差进行运算处理，并向
• 1、自动门 • 自动门的动作过程是：当门口没有人 时，门是关着的；当有人来到门口时 ，门打开；当人离开门口后一段时间 ，门又关闭。 • 自动门的功能和技术要求有： • 功能： • （1）无人时，常关； • （2）有人时，开门。
• • • •
技术要求： （1）当人距门1m时，门即打开。 （2）门打开后，延时10s后关门。 系统组成：门、电动机、控制器、 传感器。 • 工作过程 • （1）当有人到达门前某一距离时， 传感器感知，并发出“有人”的信 号 （2）控制器接到传感器传来的信号 后，经变换放大后传给电动机（这 里的电动机叫做执行器，也称为驱
数字控制系统的设计与实现教学课件
03
数字控制系统实现技术
嵌入式系统实现技术
嵌入式系统定义
嵌入式系统开发流程
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
包括需求分析、硬件设计、软件设计 、系统集成和测试等阶段。
嵌入式系统特点
嵌入式系统具有实时性、可靠性和低 功耗等特点，广泛应用于工业控制、 智能家居、医疗设备等领域。
云计算实现技术
01
云计算定义
云计算是一种基于互联网的计算方式，通过虚拟化技术将计算资源（如
服务器、存储设备和应用程序）以服务的形式提计算具有弹性可扩展、高可用性、安全可靠和按需付费等特点，能够
降低企业的IT成本和复杂性。
03
云计算应用场景
云计算广泛应用于企业信息化、大数据处理、物联网等领域，为企业提
供灵活、高效和可靠的计算服务。
04
数字控制系统应用案例
工业自动化控制应用案例
总结词
工业自动化控制是数字控制系统的重要应用领域，通过数字 控制技术实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和 产品质量。
详细描述
工业自动化控制应用案例包括自动化生产线控制、智能制造 系统、工业物联网等。这些应用通过数字控制技术实现对生 产设备的精确控制和实时监测，提高生产效率、减少人工干 预和误差，为企业创造更大的经济效益。
和灵活性。
THANK YOU
感谢聆听
5G通信技术在数字控制系统中的应用
5G通信技术将促进数字控制系 统在智能交通、智能电网、智 能城市等领域的应用，提升系 统的可靠性和安全性。
5G通信技术为数字控制系统提 供了高带宽、低延迟和大规模 连接的能力，支持远程控制和 实时数据传输。
5G通信技术将为数字控制系统 带来更多的可能性，如物联网 设备的集成和控制，实现更广 泛的智能化。
PID控制PID控制系统的分析与设计PPT教程
PID控制器的表达式
❖ PID控制器的传递函数
仍然参照图1，对PID的时域表达式进行拉普拉斯变换，可得
Gc (s)
E(s) U(s)
Kp
Ki s
Kds
Kp
1
1 Ti s
Tds
于是可得几种控制方案的控制器传递函数分别为
比例(P)控制器 Gc(s) Kp
比例积分(PI)控制器
Gc(s)
系统仿真与MATLAB PID控制系统的分析与设计
一个简单PID控制的实例
冲热水淋浴，假定冷水龙头开度保持不变，只调节热水
❖ 比例关系 根据具体的龙头和水压，温度高一度，热水需要关小一定的量，
比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系， 偏差越大，控制量越大
控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规
N
式中，N→∞时，则为纯微分运算。实际中，N不必过大，一般
N=10，就可以逼近实际的微分效果。
PID参数对控制性能的影响
❖ PID参数对控制性能的影响
PID控制器的Kp,Ti,Td三个参数的大小决定了PID控制器的比例、
积分、微分控制作用的强弱
下面举例分别分析Kp,Ti,Td三个参数中一个参数发生变化而另两
PID参数对控制性能的影响
❖ 积分时间常数Ti对控制性能的影响
积分作用的强弱取决于积分常数Ti。Ti越小，积分作用就越强，
反之Ti大则积分作用弱。
积分控制的主要作用是改善系统的稳态性能，消除系统的稳态误
差。当系统存在控制误差时，积分控制就进行，直至无差，积分 调节停止，积分控制输出一常值
加入积分控制可使得系统的相对稳定性变差
step(Gc);
控制计划ppt课件
20
12) 顾客工程批准/日期
▪ 如必要。获取负责的工程批准。
21
13) 顾客质量批准Байду номын сангаас日期
▪ 如必要，获取负责的供方质量代表批准。
22
14) 其它批准/日期
▪ 如必要，获取其它同意的批准。
23
15) 零件/过程编号
▪ 该项编号通常参照于过程流程图，如果有多 零件编号存在（组件），那么应相应地列出 单个零件编号和它们的过程编号。
16
8) 核心小组
▪ 填入负责制定控制计划最终版本的人员姓名 和电话号，建议将所有小组成员的姓名、电 话号和地址都包括进所附的分配表中。
17
9) 供方/工厂批准/日期
▪ 如必要，获取负责的制造厂批准。
18
10) 日期（编制）
▪ 填入首次编制控制计划的日期。
19
11) 日期（修订）
▪ 填入最近修订控制计划的日期。
5
3.简结性:总体质量体系不可分的部份,对用来最大限 度减少过程和产品变差的体系作了简要的书面描 述,控制计划不能替代包含在详细的指导书中的信 息。
4.全程性:控制计划描述了过程的每个阶段所需的控 制措施，包括保证所有的过程输出将处于控制状 态的进货、加工、出厂和阶段性的要求。在正式 生产运行当中，控制计划提供了用来控制特性的 过程监测和控制方法，由于期望过程是不断更新 和改进的，因此控制计划反映了与这种过程改变 状况相对应的战略
43
3. 交流：作为一个动态文件，控制计划明确并传达了产品／ 过程特性、控制方法和特性测量中的变化 。
4
1.动态性:控制计划作为一动态文件，它反映当前使 用的控制方法和测量系统。控制计划随着测量系 统和控制方法的评价和改进而被修订,为了支持 控制计划，要不断改善和运用过程监测指导书 。
12) 顾客工程批准/日期
▪ 如必要。获取负责的工程批准。
21
13) 顾客质量批准Байду номын сангаас日期
▪ 如必要，获取负责的供方质量代表批准。
22
14) 其它批准/日期
▪ 如必要，获取其它同意的批准。
23
15) 零件/过程编号
▪ 该项编号通常参照于过程流程图，如果有多 零件编号存在（组件），那么应相应地列出 单个零件编号和它们的过程编号。
16
8) 核心小组
▪ 填入负责制定控制计划最终版本的人员姓名 和电话号，建议将所有小组成员的姓名、电 话号和地址都包括进所附的分配表中。
17
9) 供方/工厂批准/日期
▪ 如必要，获取负责的制造厂批准。
18
10) 日期（编制）
▪ 填入首次编制控制计划的日期。
19
11) 日期（修订）
▪ 填入最近修订控制计划的日期。
5
3.简结性:总体质量体系不可分的部份,对用来最大限 度减少过程和产品变差的体系作了简要的书面描 述,控制计划不能替代包含在详细的指导书中的信 息。
4.全程性:控制计划描述了过程的每个阶段所需的控 制措施，包括保证所有的过程输出将处于控制状 态的进货、加工、出厂和阶段性的要求。在正式 生产运行当中，控制计划提供了用来控制特性的 过程监测和控制方法，由于期望过程是不断更新 和改进的，因此控制计划反映了与这种过程改变 状况相对应的战略
43
3. 交流：作为一个动态文件，控制计划明确并传达了产品／ 过程特性、控制方法和特性测量中的变化 。
4
1.动态性:控制计划作为一动态文件，它反映当前使 用的控制方法和测量系统。控制计划随着测量系 统和控制方法的评价和改进而被修订,为了支持 控制计划，要不断改善和运用过程监测指导书 。
通用技术与设计-控制与设计(16：9)
二、控制的应用
水 车
二、控制的应用
电源
控制室
水泵
折射式微喷
锤式微灌
射流式微喷
4-2 控制系统的工作过程与方式
一、控制系统 例：自行车的传动（或动力）控制系统 脚踩的力 （输入） 脚蹬、曲柄、链轮、 中轴、链条、飞轮 自行车速度 （输出）
踩动脚蹬的力越大，车轮的转速就越快。 思考： 自行车的制动(或刹车)控制系统是怎样的呢？
水箱注水控制系统方框图
给定 +比较器 控制器 水位 进水阀门 检测装置
水流量
水箱
水箱 水位
简单闭环控制系统的方框图：
比较器 给定量 + 控制器 (输入)
执行器
控制量
被控对象
被控量
(输出)
检测装置
•
•
在这个控制中，“重锤”具有多种功能。它既是测量装置、比较装置，还是控制装置 。具体控制过程如下：重锤感受锅内压力，并与自身的重量（忽略作用在重锤上因上 下面积不同而产生的大气压力的差）进行比较，当这个压力差大于0时，重锤被抬起， 打开出汽孔，减小锅内压力，重锤回落，锅内压力上升。如此反复进行，以保持锅内 压力恒定。由于重锤具有惯性，锅内蒸汽具有弹性，这个控制经常会出现振荡，这也 是为什么重锤会忽上忽下的原因。 这个控制的执行器应该是“出汽孔”，控制作用量（控制量）是出汽量。
二、开环控制系统
例：游泳池注水 如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的 一般情况下，一池水需要很长的时间才能灌 水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以 满，如果由人工控制整个注水过程，很费时间。 在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注 水过程（时间）。 流水量 设定注 游泳池 游泳池 定时器 进水阀 入时间 的水位 （输入） （输出）
控制图(ppt-60)--控制图设计54页PPT
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越
45、自己的饭量自己知道。——苏联
控制图(ppt-60)--控制图设计
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
44、卓越
45、自己的饭量自己知道。——苏联
控制图(ppt-60)--控制图设计
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
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开环控制系统的方框图（基本组成）
输入量
传感器
控制器
控制量
执行器
被控对象
输出量 (被控量)
输入量 ：即控制系统的给定量，如人体的热辐射 控制器 ：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或原件。如电路。 执行器 ：即直接对控制对象进行控制的装置或元件。如电机。 控制量 ：即执行器的输出信号。如转动。 被控对象 ：即控制系统中所要求控制的装置或生产过程，如自动门。
被控量
检测装置
输入量、控制器、执行器、控制量、被控对象、被控量（输出量）； 检测装置：检测输出量，并将信号送至控制系统输入端的装置或元件。
：是比较器，它将给定量与检测的被控量进行比较，求出偏差；
案例: 电冰箱的温度控制系统
控制器
执行器
设定温度 +
输入量 比较器
控制电路
-
电机压缩器
感温装置
（热敏电阻）
2、两种控制系统的基本组成部分及区别 开环：输入量、输出量、控制器、执行器、控制量、被控对象； 闭环：输入量、输出量、控制器、执行器、控制量、被控对象、 检测 装置、比较器；
开环控制系统方框图
输入量
传感器
控制器
执行器 控制量 被控对象
输出量
闭环控制系统方框图
控制量
给定量 +
控制器
执行器
被控对象
-
被控量
黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而 推断出系统内部结构及其功能的方法。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制案例分析
案例
分 析 1.供水水箱的水位自动控制系统
案例
分 析 2.加热炉的温自动控制系统
案例
分 析 3.升旗简易控制装置的设计
控制的分类2
根据输出量是否对系统的控制产生影响，控制系统又
可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统—— 输出量不对系统控制产生影响。 闭环控制系统—— 输出量返回到输入端并对系统控 制产生影响制 产 制产生影响。
音乐喷泉控制 花房恒温控制
输出量：喷泉水位的高和低 输出量：花房的温度
（开环） （闭环）
控制与设计
控制的手段及应用
控制
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 。 （control）
构成控制的三个要素
对象 目的
手段
12 3
控制的分类1
从控制过程中人工干预的情形来分，控制有 人工控制和自动控制。
音响的音量控制、
空调对室温的控制、
红外自动水龙头出水控制
普通水龙头出水的控制
输出量（被控量）：即控制系统的输出信号，如门的开关。
大家有疑问的，可以询问和交流
可 以 互 相 讨 论下， 但要小 声点
案例: 走道灯声光控制系统
传感器
声音
声音传感器
控制电路 常开触点
输入量
控制器
执行器
灯泡
控制对象
电灯亮暗
输出量
闭环控制系统方框图（基本组成）
给定量 + -
控制器
控制量
执行器
被控对象
检测装置
控制系统的干扰
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起
被控量(输出量)变化的各种因素称为干扰因素。
客观的认识干扰因素
闭环控制系统的反馈
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（feedback）。
功能模拟方法
以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模 拟“原型”的功能和行为，就是功能模拟法。
控制对象
箱外温度
电冰箱
输出量
检测装置
控制与设计1
一、控制的手段及应用
1、控制的三要素 （ 对象、目的、手段） 2、人工控制和自动控制（判断——操作过程“人工干预情况”） 3、控制的应用
二、控制的工作过程与方式
1、开环控制系统、闭环控制系统（怎样判断？）
a、找准输出量； b、输出量是否对控制系统产生影响.