第四单元控制与设计教材分析

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1、定义：
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，
这种控制称为开环控制系统。
2、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。
列举你所知道的开环控制系统。
1、自动声光控灯 2、自动烘手机
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归纳总结
简单开环控制系统的方框图
输入量
控制器
控制量
执行器
被控对象 输出量
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干扰因素
• 干扰就是对控制系统的行为造成影响的有 害的信号及扰动，即除给定量外，引起被 控量变化的各种因素称为干扰因素。
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例1 楼宇水塔的水位控制的干扰因素分析
影响水塔水位的干扰因素主要有水塔的出水流量和水 面蒸发的水量、水塔的进水流量和进水管的压力等。
其中出水流量是根据用户的用水量变化的，是不可控 制的变量；水面蒸发的水量很少，可以忽略；而水塔的 进水流量是可以控制的。
设计
要明确控制目的、控制对象是什么。 要弄清干扰因素以及被控量、 控制量。
要选择经济、易于实现的手段来实现。
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第四节 控制系统的设计与实施
教学目标
• 能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制 装置，或根据简单闭环控制系统的方案进行模拟 实施，学会调试运行，提出改进方案。
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控制系统设计的一般思 路
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1. 开环控制系统的设计
• 例：普通电风扇控制系统的设计 被控对象——电风扇； 被控量——电风扇输出的风速； 控制量——电机的转速；
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控制系统的分析方法
• 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 。
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黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究推断系 统内部结构和功能的方法，
通过观测黑箱外部的输入信息(外界对黑箱的 影响)和输出信息(黑箱对外界的反应)研究和认识 其功能、特性、结构、机理。
揿按键打开电灯、驾驶汽车等；
•自动控制：数控机床、饮料自动装罐生产线、
花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等 按照执行部件的不同，控制分为：
机械控制（普通水龙头）、气动控制（公共汽 车车门开关控制）、液压控制（建筑工地打桩 机）、电子控制（家用电冰箱）
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• 观察学校饮用水自动控制电热水器。 • 当玻璃管中的水位过低或过高时，会出现
1、拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。 2、声光感应开关，当有声音时灯亮。 3 、红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则 不出水。 4、宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。
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控制的应用
生活、生产、军事、国防
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控制的手段
圆形齿轮、条形齿轮组
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课本P97：马上行动
控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段
输入量：即控制系统的给定量。
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。
执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。 控制量：即执行器的输出信号。
被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。
输出量：即控制系统所要控制的量。
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开环控制系统
游泳池注水控制系统方框图：
设定注水时间 （输入） 定时器
干扰因素:在控制系统中,除输入量
干扰
以外引起被控量变化的各种因素。
与
反馈
反馈:闭环控制系统的重要特征,体 现了一定的思想方法, 指系统的输 出量通过回路反馈到输入端。
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功能模 拟方法
黑箱方 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。
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。
什么样的工作状态？
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第二节 控制系统的工作过程与方式
教学目标
• 能够分析典型的案例，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。
• 通过案例分析，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、执行器的作 用，熟悉反馈环节的作用。
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思 考： 自行车的传动控制系统是怎样的呢？ 13
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闭环控制系统
游泳池注水控制系统方框图：
给定 +比较器 水位
控制器
-
水ห้องสมุดไป่ตู้量
游泳池的水位
进水阀门
游泳池 （输出）
检测装置
简单闭环控制系统的方框图：
给定
比较器 +
量
控制器
-
控制量
执行器
被控对象
检测装置
被控量
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对比
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响
控 开环 系统的输出量仅受输入量控制，输入量到
电风扇扇叶 转速快慢的
控制
音响的音量 控制
燃气热水器 温度的控制
用喷雾器喷 洒农药
电风扇
音响 热水器 喷雾器
调节速度
换档
音量的调节 旋钮
调节出水口 改变燃气火 温度的高低 头的大小 给庄稼治病 操作喷雾器
的手柄 9
控制的分类
从控制过程中人工干预的情形来分：
•人工控制：人工纺纱、打开普通自来水龙头，
构成了一个系统，称为控制系统。
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电饭煲
脱粒机
红外线自 动水龙头
是否属于 控制系统
是 是
是
输入
通电信号 通电信号 检测到人 手信号
输出 温度 脱粒量 出水量
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开环控制系统
游泳池注水控制系统方框图：
设定注水时间 （输入） 定时器
水流量
游泳池的水位
进水阀门
游泳池 （输出）
游泳池的水位只受设定的注水的时间的控制
控制系统
脚踩的力 （输入）
脚蹬、曲柄、链轮、 中轴、链条、飞轮
自行车行驶的速度 （输出）
踩动脚蹬的力越大，车轮的转速就越快。
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控制系统
电风扇的风速控制系统（control system）
电风扇风速的档位 （输入）
电机、扇叶
风速 （输出）
一个档位对应着一个风速。
定义： 任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就
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例2 风磨的转速控制的干扰因素分析 影响风磨转速的干扰因素主要有风速和投料量等。 当投料量一定时，风速减小，磨的转速就变慢。
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干扰因素
• 克服干扰的基本方法 1、消除干扰 2、减弱干扰 3、提高控制系统性能
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反馈
所谓反馈，就是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。
控制量
水流量
进水阀门
游泳池
游泳池的水位 （输出）
控制器
执行器
被控对象
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简单开环控制系统的方框图
输入量
控制器
控制量
执行器
被控对象 输出量
自动门的控制系统
水泵抽水控制系 统
活动猴的连接
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希 罗 的 自 动 门
祭坛 点火
水罐 （1，2）
控制器
转动轴 旋转量 （3） 控制量
庙门
执行器
被控对象
打开 庙门
GPS能够提供精确的 地理位置信息，所以在航 海、航空和城市交通管理 等领域有着广泛的应用。
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闭环控制系统与开环控制系统的比较
• 开环控制系统 优点：结构简单，外界的干扰相对较小 缺点：控制精度较差 适用：控制精度要求不高而本身系统元件比较稳定。
• 闭环控制系统 优点：控制精度高 缺点：设计较麻烦，结构较复杂，成本较高。 适用：要求高精度和高可靠性的场合。
制
输出量之间的信号是单向传递
系
系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生
统
影响
闭环
输出量到输入量之间的信号形成一个回路
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第三节 闭环控制系统的干扰与反馈
教学目标
• 能够通过案例分析、马上行动和阅读等活动， 找出并分析影响简单控制系统运行的主要干扰 因素，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系 统中的应用。
第四单元控制与设计教材分析
第四单元 控制与设计
第一节 控制的手段与应用 第二节 控制系统的工作过程与方式 第三节 闭环控制系统的干扰与反馈 第四节 控制系统的设计与实施
重要概念： 控制、控制系统、开环控制、闭环控制、
干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱方法
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伸缩门的自动控制
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日常生活中的控制举例
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• 例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设 计
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控制系统的设计实施案 例
• 升旗简易控制装置的设计
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人们根据自己的目的,通过一定的手
控制
段使事物沿着某一确定的方向发展 ,
就形成了控制。
开环控制系统:输出量不对系统的控 制产生任何影响的控制系统。 工作 方式
闭环控制系统:指在系统的输出端与 输入端之间存在反馈回路,输出量对 控制过程产生影响的控制系统。
没有反馈的控制系统为开环控制， 具有反馈的控制系统为闭环控制。
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反馈
负反馈，通过反馈来减少输出量 的偏差，使被控量接近给定值。
负反馈形成的系统，控制精度高， 系统运行稳定。
正反馈主要对小的变化进行放大。
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GPS GPS (Global
Position System)，就是 全球定位系统。在大海中 航行的船只，通过GPS可 获得自己当前的地理位置， 然后将这个位置与计算机 中保存的期望位置进行比 较，发现误差及时调整， 使船保持在正确的航线上。 GPS实际上就是自动导航 系统中的反馈环节。
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• 例：电吹风控制系统的设计 被控对象——电吹风； 被控量——风的速度和温度； 控制量——电机的电压； 干扰因素——房间温度、电源电压的波动；
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2. 闭环控制系统的设计
闭环控制系统的基本要求： 1. 闭环控制系统必须是稳定的；
2. 系统的输出量与给定值之差应控制在允 许的范围之内；
3. 要有较好的抗干扰性能；