第八讲 控制与设计

高三基本能力教研室   2010.1.6

教师寄语：天道酬勤，人世间没有不经过勤劳而成为天才的。

课标要求：

1.理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用。

例:事物的发展有多种可能性，人们根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。

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。

例1:控制设计是对系统的信息流程、反馈机制进行分析和设计，使系统的运行达到{zj0}状态。

例2:开关控制灯的亮与灭（手动、开环控制）。

例3:电冰箱冷藏室温度的控制（自动，闭环控制）。

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。

例:画出家用空调控制系统的方框图。

4.能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。

例1.飞机飞行导航系统的干扰因素的分析，如电磁波等。

例2.恒温箱的恒温控制中，影响温度的干扰因素分析，如环境温度等。

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：

1.理解控制的含义，了解控制的手段，理解控制在生活中的应用。

2.熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程；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。

3.熟悉闭环控制系统中的反馈环节的作用和闭环控制系统的工作过程，找出主要的干扰因素并分析，了解功能模拟方案和黑箱方法在控制系统中的应用。

4.了解简单的被控对象的基本特征，能确定被控量、控制量、画出控制系统的方框图。

学习重点、难点：

控制的手段；开环控制系统和闭环控制系统的流程图；闭环控制系统的工作过程及干扰。

学习过程：

一、了解控制

1.控制

⑴控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向(即向期望的目标)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。

⑵控制的手段：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，控制有人工控制和自动控制。

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。按执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。

案例分析：从手摇扇到空调器

2.控制的应用

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。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。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.控制系统

案例分析：自行车行驶的速度控制的实现

案例分析：电风扇的风速控制的实现

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。

2.开环控制系统

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

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：

案例分析：水泵抽水控制系统

3.闭环控制系统

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。

简单闭环控制系统的方框图如下：

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。

三、简单控制系统的设计

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。

1.控制系统设计概论

{dy}步：确定控制的目的；第二步：确定系统的被控量；第三步：拟定设计规范；

第四步：选定控制系统的结构；第五步：建立系统各环节的模型；第六步：确定待调参数。

（课本P₁₁₃图2—26 控制系统设计的基本过程）

2.设计实例（课本P₁₁₄）

⑴确定设计目标；⑵确定被控量及设计指标；⑶确定系统结构；⑷选择实现方法；⑸部件模型及主要参数的确定；⑹验证、完成你的设计；⑺评估你的设计。

（1）开环控制系统的设计

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。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

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。

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。

（2）闭环控制系统的设计

简单的闭环控制系统，基本要求：

{dy}，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

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。

四、控制中的干扰

1.干扰对控制功能的影响

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。

在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。

2.反馈

（1）反馈：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，通过系统的输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。

(2) 闭环控制系统的工作过程

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

（3）闭环控制系统与开环控制系统的比较

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。

3.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，就是功能模拟法。

4.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。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。例如，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。 

知识巩固：

《复习·备考·训练》P_98-100练习