高地通用技术 第四单元 控制与设计知识点复习

第四单元控制与设计一、控制的手段与应用1、控制的含义：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。

理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。

例如：人力三轮车转弯过程中的方向控制问题，其控制的对象就是人力三轮车，控制的目的是为了改变三轮车行驶的方向，控制的手段是骑车人通过双手转动车把，改变前轮的方向并带动后轮。

按人工干预来分：人工控制、自动控制2、控制的手段：按执行部件来分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。

人工控制又称手动控制。

自动控制是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。

有时，控制手段又可以综合的。

案例分析：从手摇扇到空调器P983、控制的应用：（1）生活：控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。

（2）生产：生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制，控制在生产中得到了极为广泛的应用。

（3）军事国防：控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。

二、控制系统的工作过程与方式1、简单开环控制系统的基本组成和工作过程：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。

例：红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、红外线自动门控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。

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。

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：控制系统中所要控制的装置或生产过程输出量：控制系统所要控制的量。

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。

一般的控制过程都有一个输入和一个输出，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。

控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。

控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统为开环控制系统。

开环控制系统在日常生活中用途很广。

如十字路口的红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。

案例分析：自动门的控制系统P103在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。

对于开环控制系统，通常可以用下面的方框图来描述：输入量即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位；被控对象即控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池；执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；控制量即执行器的输出信号，如流过阀门的水量。

案例分析：水泵抽水控制系统P1042、闭环控制系统的基本组成：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。

例：供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、投篮、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统等。

基本组成：与开环控制系统相比，闭环控制系统多了检测装置、比较器。

闭环控制系统的方框图：4、控制器和执行器的作用：控制器：对输入信号（偏差值）进行运算处理，并发出控制命令。

执行器：根据指令对被控对象直接控制。

三、闭环控制系统的干扰与反馈1、干扰因素：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干扰因素。

有的干扰因素是环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；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。

有些情况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。

2、反馈的含义：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置，返回到输入并与输入量进行比较的过程，就是反馈。

利用反馈来分析和处理被控制对象，通过系统的书出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运用的方法，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，而自动电水壶具有挡水沸腾时自动切断电源的功能，终究是运用反馈方法实现自动控制的结果。

3、反馈环节的作用：通过将输出量通过适当的检测装置，返回到输入并与输入量进行比较，从而减少输出量的偏差，稳定输出量。

4、闭环控制系统的工作过程：（1）闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。

（2）工作过程：○1由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；○2闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较；○3控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而是系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。

从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈问题，输出量对控制过程产生影响的控制系统。

闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。

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。

案例分析：供水水箱的水位自动控制系统P112案例分析：加热炉的温度自动控制系统P1135.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”的功能和行为的方法，就是功能模拟方法。

阅读：功能模拟方法的提出 P115 思考：功能模拟方法对技术有何意义？6.黑箱方法：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，就是黑箱方法。

例：通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。

7、开环控制系统与闭环控制系统的比较：开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。

闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。

闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。

四、控制系统的设计与实施1、控制系统设计的一般思路：设计好一个控制系统，应该明确这个系统要达到的目的是什么，所要控制的对象是什么，被控制对象有哪些重要的特性，被控量和控制量分别是什么，外界的主要干扰因素有哪些，选择怎样的设计方案既能达到目的，又能经济、易于实现，如何选择设备和元件，等等。

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。

能达到控制目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等，是我们进行控制系统设计必须考虑的基本问题。

控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写说明书等。

2、开环控制系统的设计(书本P119案例分析：电吹风控制系统的设计)开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，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。

确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。

例如：普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；若是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则需在开关环节加一个定时器。

案例分析：电吹风控制系统的设计 P119设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡档、热风挡）输出不同种类的风。

设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机的电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。

电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。

方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。

设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。

3、闭环控制系统的设计(书本P120案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计)基本要求：第一、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。

第二、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。

第三、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。

在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。

案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计P120设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统设计要求：⒈当水箱中的水位低于达到某一指定高度时，进水口立即进水。

⒉当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口立即停进水。

⒊控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。

设计分析：⒈从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。

⒉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（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。

⒊主要干扰因素是水箱的出水流量。

方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。

当水箱的水位低于水箱的某一高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱的水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。

水箱水位的控制过程：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。

2.控制系统的设计与实施方案案例分析：自动升旗简易控制装置的设计P121项目3 台灯。