控制与设计_1

1 / 13 控制与设计 控制与设计 知识要点 一、控制的含义 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。这里的手段就是控制技术。现代控制技术是指自动控制技术。自动控制是科学和技术的一个重要分支。自动控制系统能在无人直接参与的情形下运行，并承担人的某些职能。 二、控制的意义 控制技术的广泛应用，提高了产品质量，降低了生产成本，增长了劳动生产率，使人们从繁重或危险的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。 三、控制系统典型案例分析 1.自动门 (1)系统组成 门 电动机 控制器 传感器 (2)工作过程 (1)当有人到达门前某一距离（如 1 米）时，传感器感知，2 / 13 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，也称为驱动器）； (3)电动机根据传来的开门信号转动，门被打开（这里的门叫做被控对象，也称为控制对象，简称对象）； (4)控制器保持开门信号延时（如 10s）后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。 2.水箱水位控制 (1)控制方式 人工控制 自动控制 (2)系统组成 人工控制：水箱 (包括水箱内的水 )、进水阀门。 自动控制：水箱 (包括水箱内的水 )、阀门、连杆机构、浮子 (俗称水漂 )。 (3)工作过程 人工控制：当水面低于设定水位时，人打开阀门放水人水箱，人眼监视水面高度。当水面达到设定的水位时，人关闭阀门。 3 / 13 自动控制：当水面低于设定水位时，浮子下落，阀门打开，进水；浮子监测水面高度，并随着水面升高而浮升。当水面达到设定的水位时，浮子传感，通过连杆机构，将阀门关闭。 当水位差（给定水位与实际水位之差）不为零时，此信号经连杆机构使阀门打开，放水入水箱；同时，浮子将实际水位的信号反传给比较环节，从而形成水位差信号。当水位差为零时，阀门将关闭，不再进水。 四、开环控制与闭环控制 1.含义 案例 (水箱水位自动控制 )中，信息流经一个闭合环路，这类系统称为闭环控制系统。闭环控制系统中，将输出信息反传给比较环节的做法，称为反馈。而另一案例 (自动门 )中，没有反馈，也就不存在闭环，这类系统称为开环控制系统。 2.比较 种类构成本质精度抗干扰输出量对输入的影响 开环控制无反馈前向通道低弱无 闭环控制有反馈前向通道反馈通道高强有 五、控制系统的基本组成与工作过程 4 / 13 1.控制系统的基本组成 简单的控制系统由被控对象和控制装置两部分组成，。控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节与比较环节。 2.闭环控制系统的工作过程 对于闭环控制系统来说，输人信号和反馈环节传回来的反馈信号相比较，产生偏差信号 ,控制器根据偏差信号的大小和极性（正或负），产生控制作用，传给执行器 ,执行器将此信号放大、变换后，传到被控对象上 ,被控对 象受执行器传来的信号（称为控制信号）的驱动，产生输出信号；同时，反馈环节又将感知到的被控对象的输出信号，经变换后产生反馈信号。 六、控制系统框图 1.绘制框图的方法 按下面的顺序确定系统各个环节： a 被控对象， b执行器， c 控制器， d 一反馈环节（对闭环系统而言，以下同） 确定被控量（输出量）、控制量、输入量、反馈量和偏差量。 用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向与过程。 加上比较环节，闭环。 5 / 13 有时，将控制器与执行器一起总称为广义控制器。 2.绘制的技巧 自右往左 画：先画被控对象，再画执行器，接着画控制器、反馈环节，最后画 , 连线闭环，并标注各量。 3.闭环控制系统框图格式 七、与控制有关的几个概念 二、控制系统框图中的通道与环节的作用 1.通道 框图中，信息流经的路径叫做通道。对于闭环控制系统来说，有两类基本通道，即前向通道和反馈通道。 (1)前向通道，信息流自系统输入量，经比较环节、控制器、执行器，直至被控对象。 (2)反馈通道，信息流采自被控环节的输出量，流经反馈环节，再反馈到系统的输入端（比较环节）。 2.环 节及其作用 (1)传感器：也称敏感器。实质上是一个监测元件。其功能与反射弧中的感受器类似。 (2)控制器：产生控制器输出信号并传送给下一个环节。而且还要起到信号的变换与放大作用。其功能与反射弧中的神经中枢类似。 6 / 13 (3)执行器：是控制器输出信号的执行机构，也称执行元件。电动机，是常用的执行器之一。它根据控制器的输出信号产生旋转运动，从而驱动控制对象作相应运动。执行器也可称为驱动器。其功能与反射弧中的效应器类似 (4)比较环节，它根据输人量与反馈量的大小与极性，产生偏差，再传给控制器。 3.干扰因素与 干扰作用 外界环境的变化会对控制系统的运行带来影响。这种外界环境的变化叫做干扰因素，干扰因素通常标注在框图中的被控对象上。这类影响叫做干扰作用。 一个控制系统的干扰因素不止一个，所有的控制系统的工作运行，都会受到干扰因素的影响。干扰因素对控制系统的影响，有时是破坏性的，甚至是致命的。例如，过高或过低的环境温度，可以使人生病，甚至死亡；过于恶劣的气候条件会威胁飞机的飞行安全。 4.干扰与抗干扰性 (1)干扰 控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。 (2)抗干扰性 如果一个控制系统 能够很好地避开或抑制干扰，使干扰对系统产生的影响很小，我们就说这个系统抗干扰性强。 7 / 13 典型例题分析 1.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。经检查，恒温箱的控制器没有故障。参照右图，下列故障判断正确的是 () A.只可能是热敏电阻出现故障 B.只可能是温度设定装置出现故障 c.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障 D.可能是加热器出现故障 解答：此题旨在考查简单控制系统的设计与分析。答案： c 2.某办公楼大厅采用自然光照明，控制系统如下图，大阳光经过反光镜反射到反光球面镜上，反光球面镜再将光线反射到大厅，从而达到采集自然光的目的。当大阳移动后，光线到达反光球面镜的位置也随之发生偏移，相应的传感器就会受到光照产生电信号，控制器根据不同传感器送来的信号控制反光镜作相应的调整。 () (1)该系统是开环控制系统还是闭环控制系统？ (2)该系统中，被控对象是 _。 (3)控制器与人体哪个器官的功能是类似的？ (4)请再写出两种利用太阳能的产品。 解答： (1)判定是开环控制或闭环 控制，主要看其工作过程中有无反馈，或输出量对控制有无影响。依题意可知该系统8 / 13 为闭环控制系统。 (2)依题干可知被控对象是反光镜 (3)大脑 (4)太阳能热水器、太阳能电池、太阳能飞机、太阳能路灯等 探究互动 一、选择题 1.下列控制系统中，属于开环控制系统的是 () A.电冰箱的温度控制 B.高级笔记本电脑里风扇的转速控制 c.现代化农业温室的温度控制 D.红绿灯定时控制系统 2.按时间顺序进行控制的 “ 交通路口红绿灯控制系统 ” ，系统中被控对象是 () A.控制电路 B.红 绿灯 c.开关装置 D.路面车辆 3.下列属于闭环控制的是 () A.电灯 B.电视机 c.电风扇 D.空调机 4.在电冰箱的温度控制系统中，下列情况不属于影响其温度控制的干扰因素 () A.开电冰箱门 9 / 13 B.电冰箱所在房间的温度从 20 摄氏度变到 32 摄氏度 c.热菜或热饭放入电冰箱中 D.在电冰箱外放一盆冷水 5.在公共楼道里，常安装声控灯，既方便，又节电。从控制系统方面来分析，声控灯是 () A.闭环控制系统 B.开环控制系统 c.声音控制系统 D.循环控制系统 6.电冰箱能够将温度控制在一定范围 内，从而保持蔬菜新鲜。电冰箱所采用的设计思想是 () A.没有反馈信息的控制 B.有反馈信息的控制 c.系统设计流程化 D.系统设计结构化 7.“ 长征 ” 火箭能把各种卫星准确送入太空轨道， “ 神舟 ”飞船能准确地返回地面，这些高技术成果的核心技术之一是() A.抗干扰技术 B.流程设计技术 c.控制技术 D.系统优化技术 8.使用电饭煲能方便地蒸出香喷喷的米饭而不糊锅。电饭煲的设计思想采用了 () A.开环控制 B.闭环控制 c.结构设计 D.实用设计 10 / 13 9.进入阅卷机的答题卡如果破损或被污染了（特别是黑 白相间的 “ 同步框 ” 区域），或者被折叠了，阅卷机会自动停止，同时微机屏幕上显示有关的提示。这属于 () A.开环控制 B.闭环控制 c.分支控制 D.顺序控制 10.现代技术大多是自动控制的， “ 鹰眼 ” 导弹能自动寻找目标，识别目标，分析这个过程，其控制的对象是 () A.操作员 B.导弹 c.弹头 D.目标 11.卫生间的抽水箱，当放水冲刷时，水箱水位下降，浮球也随之下沉，这时与浮球以杠杆相连接的活塞式进水阀门打开，开始注水。水位升高，浮球上升，进水阀门逐渐关小，浮球升到一定位置，进水停止。这种控制系统是 () A.闭环控制系统 B.开环控制系统 c.浮球控制系统 D.活塞控制系统 12.下面控制系统中，属于闭环控制系统的是 () A.电风扇机械定时开关控制系统 B.电子门铃控制系统 c.加热炉温自动控制系统 D.自动门 13.新型电热水壶水开自动断电的工作原理为：装水后接通电源，发热器对水进行加热，当水沸腾时，产生的蒸汽冲击开关的双金属片，使其受热膨胀变形，弹开开关触点，断开11 / 13 电源。该控制系统中的控制器是 () A.开始通电时的手动开关 B.用于水干时断电的防干烧温控器 c.由双金属片等组成的蒸汽开关 D.由电热管组成的发热器 14.用电视遥控器选台属于 () A.人工控制 B.自动控制 c.气动控制 D.液压控制 15.控制系统中属于自动控制系统的是 () A.按钮开关控制 B.普通自来水龙头 c.花房恒温控制 D.汽车驾驶 二、填空题 1.下列生活中的控制系统各属于什么类型？请将序号填入相应的空格 声控灯 电铃 电饭煲 饮水机 空调 冰箱 开环控制系统有 闭环控制系统有 2.“ 嫦娥一号 ” 卫星在运行过程中，太阳能帆板和天线都要不停地调整方向，为的是精确地对着太阳和地球，它们的控制系统都属于 环控制系统。 3.根据消防要求，仓库、图书馆、轮船甚至家庭等处，都需要安装火灾自动报警控制系统，如发生火灾，控制系统就能12 / 13 检测到室内浓烈的烟雾，从而报警，请将下列火灾自动报警控制系统的控制过程框图补充完整。 烟雾 感应控制器 报警器 4.老鹰抓兔子时，老鹰的控制系统主要由眼睛、大脑和翅膀三部分组成。老鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意自己的位置，并把二者作一比较。比较后的信号代表老鹰的位置与兔子的位置的差距，这种差距信号传递到大脑，大脑接收这种信号后，经过处理，变换相应的控制信号，指挥翅膀改变鹰的俯冲 度及方向，一直到逮到兔子。老鹰的控制系统是（开环 /闭环）控制系统。该系统中，控制器是。该控制系统要达到跟踪的目的，须建立反馈机制，该机制中的反馈