《控制与设计》学习材料

1、 HYPERLINK 必修二 第四章 控制与设设计学习习材料学习目标和和要求： 积极观观察生活，能能从生活中中所遇到的的和所观察察到的事物物中识别各各种受控现现象和受控控过程，理理解控制的的含义。 能够分分析典型的的案例，了了解手动控控制和自动动控制，熟熟悉简单的的开环控制制系统和闭闭环控制系系统的基本本组成和简简单的工作作过程。 通过案案例分析，能能画出一个个简单的闭闭环控制系系统的方框框图，理解解其中的控控制器、执行器的作作用，熟悉悉反馈环节节的作用。 通过案案例分析，找找出并分析析影响简单单控制系统统运行的主要要干扰因素素，了解功功能模拟方方法和黑箱箱方法在控控制系统中中的应用。 结合一

2、一定的案例例，了解简简单的被控控对象的基基本特性，能能确定被控控量、控制制量，划出出控制系统统的方框图图，并形成成初步的控控制系统设设计方案。 能根据据开环控制制系统的设计方法法，制作一一个控制装装置，或根根据简单闭闭环控制系系统的方案案进行模拟拟实施，学学会调试运运行，提出出改进方案案。（导入）： 我我国古代有有一种靠风风力来推动动的风磨，当当风力强的的时候，磨磨盘就转得得快，当风风力弱的时时候，磨盘盘就转得慢慢。那么，怎样才能根据风力的大小，往磨盘上添加谷物呢？对此，人们设计了一个漏斗：当风磨转动慢的时候，这个漏斗会自动地缩小漏口，使少量的谷物流进磨盘；当风磨转动快的时候，这个漏斗会自动地

3、张大漏口，让较多的谷物流进磨盘。 这这个巧妙的的漏斗在今今天看来，是是一个古老老的控制装装置，体现现了人们认认识并利用用控制现象象的久远。事实上，控控制并不是是人类的天天外来客，它它渗透在我我们生产和和生活的方方方面面。理解控制制、善于控控制，已经经成为我们们每个人日日常生活中中不可或缺缺的基本能能力。一、控制及及控制系统统 1 控制人们根据自自己意愿或或目的，通通过一定的的手段，使使事物沿着着某一确定定的方向发发展，就形形成了控制制（conntroll）。这里里所说的手手段就是控制技技术。如：射手通过过瞄准使箭箭射中靶心心；人们通通过电冰箱箱获得适当当的温度，使使食物能够够长期存放放；先进的

4、的生产流水水线通过计计算机的指指挥实现自自动化生产产等。注意：理解解任何控制制现象，都都要明确控控制的对象象是什么，控制要达达到什么目目的和采取什么么控制手段段。例如：在人力三三轮车转弯弯过程中的的方向控制制问题中，其控制制的对象就就是人力三三轮车，控控制的目的的是为了改改变三轮车车行驶的方方向，控制制的手段是是骑车人通通过双手转转动车把，改改变前轮的的方向并带带动后轮。2 控制的的分类：（1）从控控制过程中中人工干预预的情形来来分：人工工控制、自自动控制。A 人工工控制：控控制的过程程是在人的的直接干预预和全程干干预下进行行的。如：人工纺纱纱、普通自自来水龙头头、掀按钮钮打开电灯灯、拖地清清

5、洁地板、驾驶汽车车等B 自动动控制：是是指在无人人直接参与与的情况下下，使事物物的变化准准确的按照照期望的方方向进行。如：数控控机床、饮饮料自动装装罐生产线线，花房恒恒温控制、十字路口口红绿灯的的转换、通通过电视更更换节目频频道、联合合收割机割割麦子等。（2）按照照执行部件件的不同分分为：A 机械械控制：普普通水龙头头、电饭煲煲等B 气动动控制：化化工生产中中常见的气气动阀门、公共汽车车车门开关关控制等C 液压压控制：建建筑工地打打桩机、修修理汽车用用的液压千千斤顶等D 电子子控制：电子计计算器、家家用电冰箱箱、自动门门和汽车自自动变速器器的电子控控制装置等等3 控制系系统一般的控制制过程都有

6、有一个输入入和一个输输出。任何何一种控制制的实现，都都要通过若若干个环节节，这些环环节构成一一个系统，我我们称之为为控制系统统。控制系系统通常分分为开环控控制系统（oopen loopp conntroll sysstem）和闭环控制系统（closed loop control system）两种。简单的控制制系统由两两部分组成成，即被控控对象和控制装置置。其中的的控制装置置，包括传传感器、控控制器、执执行器等环环节，对于于闭环系统统来说，还还包括反馈馈环节与比比较环节。二、开环控控制 开环控控制系统：控制系统统的输出量量不对系统统的控制产产生任何影影响，这种种控制系统统称为开环环控制系统统。

7、如：十十字路口的的红绿灯定定时控制系系统、楼宇宇的防盗报报警控制系系统、火灾灾自动报警警系统、公公园的音乐乐喷泉自动动控制系统统、自动门门的控制系系统、家用用高压锅等等。 开环控控制系统的的方框图在系统控制制中，为了了分析的方方便，常采采用方框来表示示系统的环环节，用单单向信号线线来表示系系统信号的的传递方向向，这种图图称为控制制系统的方方框图，它它表示了系系统的各个个环节在系系统中的位位置、功能能和相互之之间的关系系。 开环控控制系统特特征：系统的输出出量仅受输输入量控制制，输入量量到输出量之之间的信号号是单向传传递。三、闭环控控制 含义：把系统的的输出量返返回到输入入端并对控控制过程产产生

8、影响的的控制系统统称为闭环环控制系统统。如：电冰冰箱的温度度控制系统统、交通路路口红绿灯灯自动控制制（根据车车流量大小小改变红绿绿灯时间）系系统等 闭环控控制系统方方框图上图中，检检测装置测测量出被控控量并返回回到系统的的输入端；是比较器器，它将所所给量与所所检测的被被控量进行行比较，求求出偏差值值；控制器器将这一偏偏差值进行行运算处理理，并向执执行器下达达控制指令令。执行器器根据指令令对被控对对象进行控控制，从而而使被控量量稳定在一一定范围内内。3 闭环环控制系统统的特征在系统的输输入量和输出量量之间，还还有一条从从输出量返返回到输入入端的反馈馈环节，它它们形成了了一条闭合合回路，反反馈环节

9、使使得输出量量的改变对对控制的过过程产生直直接影响。4 闭环控控制系统的的干扰与反反馈干扰因素和和反馈是闭闭环控制系系统中的两两个重要的的核心概念念，闭环控控制系统是是通过反馈馈环节克服服干扰因素素而使系统统达到稳定定的（1）干扰扰：在控制系系统中，除除输入量（给给定值）以以外，引起起被控量变变化的各种种因素称为为干扰因素素。在干扰中中我们需要要注意以下下几点：第一，来源源问题。有的的干扰因素素是由于环环境造成的的，如影响响自行车行行驶速度变变化的自然然风等；有的干扰因因素是人为为原因所致致，如影响响飞机导航航信号的手手机信号等等。第二，数量量问题。在在控制系统统中，干扰扰因素可能能是一个，也

10、也可能是若若干个。如如战士在大大风大雨中中进行射击击练习，风风和雨都是是子弹命中中准确度的的干扰因素素。第三，处理理问题。控控制系统在在工作中必必须克服干干扰，使被被控量稳定定。如空调调器的温度度控制系统统是闭环控控制系统，它它能克服室室外温度变变化这一干干扰，当室室外温度升升高时，空空调器检测测出干扰引引起的室内内温度变化化，通过启启动压缩机机降温来克克服这一干干扰，使室室温保持稳稳定。第四，利用用问题。在在一般控制制系统中，干干扰因素是是需要克服服的。而在在有些情况况下却可以以利用干扰扰因素实现现某种目的的。如在军军事演习中中，红方利用用一定频率率的电磁波波对蓝方的的信息指挥挥系统进行行干

11、扰，使使之不能正正常工作。但在生产产生活中，我我们需要以以谨慎、严严谨的态度度对待干扰扰因素的利利用。（2）反馈馈：A 定义：在控制系系统中，将将输出量通通过适当的的检测装置置返回到输输入端并与与输入量进进行比较的的过程，就就是反馈。B 反馈方方法：利用反馈来来分析和处处理被控对对象，通过过系统的输输出来调整整系统的行行为，使系系统沿着预预期的目标标运行的方方法，称为为反馈方法法。如普通通电水壶将将水加热至至沸腾时，需需要人工关关闭电源，而而自动电水水壶具有当当水沸腾时时自动切断断电源的功功能，这就就是利用反反馈方法实实现自动控控制的结果果。四、开环控控制系统与与闭环控制制系统的比比较 开环控

12、控制系统输输入量到输输出量之间间的信号是是单向传递递的，它对对输出量的的控制精度度较低，但但它具有结结构简单、成本低、容易实现现等优点。 闭环控控制系统的的输入量和和输出量之之间还有一一个反馈环环节，它们们形成了一一条闭合回回路。它对对输出量的的控制精度度较高，但但它结构复复杂、成本本高，主要要用在要求求较高精度度和高可靠靠性的控制制中。五、简单控控制系统的的设计与实实施 控制系系统设计的的一般思路路 要设计计好一个控控制系统，应应该明确这这个系统要要到达的目目的是什么么，所要控控制的对象象是什么，被被控对象有有哪些重要要的特性，被被控量和控控制量分别别是什么，外外界的主要要干扰因素素有哪些，

13、选选择怎样的的设计方案案既能达到到目的，又又经济、易易于实现，如如何选择设设备和元件件等等。 设计一一个控制系系统，是选选择开环控控制还是闭闭环控制，应应根据对控控制精度的的要求以及及经济条件件的可行性性而定。在在控制系统统设计过程程中，被控控对象的特特性往往难难以直接得得到，通常常是通过了了解被控对对象的输入入与输出之之间的关系系来分析它它的基本特特性，从而而确定控制制器的运算算方式；一一个控制系系统中可能能存在若干干个干扰因因素，需要要分析主次次，找出对对系统影响响最大的干干扰因素；被控量和和控制量的的确定是控控制方案的的关键，对对于简单控控制系统，需需要控制的的量往往被被确定为被被控量，

14、控控制量应选选择可控制制的、对抑抑制干扰因因素和保持持系统稳定定有明显作作用的量；执行器、检测器的的选择一是是要根据被被控量和控控制量的需需求，二是是要根据控控制的条件件进行。总总之，能达达到控制的的目的，采采用易于实实现的控制制方式，降降低控制成成本，减少少对环境的的负面影响响等，是我我们进行控控制系统设设计必须考考虑的基本本问题。 控制系系统的设计计方案，还还包括画出出必要的设设计图纸（控控制电路设设计或系统统结构设计计）和实施施图纸、撰撰写设计说说明书等。注意：根据据不同的设设计需求，应应该有对应应的设计目目标，要借借鉴来自各各方面的先先进经验，同同时要有自自己的设计计创意。例：电热毯毯

15、设计，应应有若干层层发热绒和和包覆层，控控制器要实实现调温、定时、过过热熔断保保护、过热热控制保护护和精确温温控等。要要保证安全全措施到位位、工作稳稳定可靠，在在此基础上上实现减少少成本、舒舒适美观、降低能耗等等指标。 简单设设计案例 开环控控制系统设设计：整个个过程设计计相对比较较简单，在在明确设计计要求，明明确被控对对象、被控控量和控制制量后，即即可考虑具具体控制系系统的方案案。例：电吹风风机控制系系统的设计计：a设计分析析：被控对对象是电吹吹风装置，被被控量是风风的速度和和温度，控控制量是电电机的电压压，干扰因因素是房间间温度、电电源电压的的波动等。b电吹风的的控制过程程：电吹风风是要将

16、其其内部电热热丝的热量量通过一个个小电风扇扇扩散出去去。c框图：有了框图，画画出必要的的电器线路路图，选择择适当型号号的元件和和配件，进进行组装、调试。 闭环控控制系统设设计：一个闭环控控制系统要要正常工作作，首先必必须是稳定定的。控制系统的的控制精度度必须符合合要求，即即系统的输输出量与给给定值之差差应控制在在允许的范范围之内。闭环控制系系统应有较较好的抗干干扰性能。例：抽水马马桶水箱的的自动控制制系统设计计：a设计分析析：被控对对象是抽水水马桶的水水箱，被控控量是抽水水马桶水箱箱水位的高高度，控制制量是进水水管的水流流量（进水水量）水箱箱水位的高高度与进水水量之间呈呈线性关系系。b控制过程

17、程：拨动冲冲水旋钮，使使出水阀打打开，水箱箱冲水。与与此同时，进进水阀打开开，水箱进进水，直到到指定水位位时，进水水阀关闭。c框图：六、本章练练习题目 下列控控制系统中中，属于开开环控制系系统的是（ ）A电冰箱箱的温度控控制B计算机机的CPUU上的风扇扇的转速控控制C现代化化农业温室室的温度控控制D红绿灯灯定时控制制系统 下列不不属于开环环控制系统统的是（ ）A自动门门 B电动声控控灯 C自自动烘干机机 D电饭锅温温控系统 下列控控制系统中中属于自动动控制系统统的是（ ）A按钮开开关控制 BB普通自来来水龙头C花房恒恒温度控制制 D汽车驾驶驶 理解一一个控制现现象，要明明确控制的的对象是什什么

18、，控制制要达到什什么目的和和采取什么控控制手段。例如，导导弹控制系系统控制的的是导弹与与目标之间间的距离，目目的是要击击中目标（距距离为零），分分析这个控控制系统，其其控制的对对象是（ ）A人 B目标 C计算机 D导弹 电冰箱箱工作温度度设定在一一定的范围围值，当箱箱内温度变变化超过设设定的范围围值时，热热敏电阻的的阻值也相相应地变化化，通过热热敏电阻的的变化，电电流经过三三极管放大大器的放大大，带动继继电器，控控制压缩的的启动，实实现电冰箱箱的温度控控制。温度度的变化量量是（ ）A输入量量 B输出量 CC控制量量 在电冰冰箱的温度度控制系统统中，下列列情况不属属于影响其其温度控制制的干扰因因

19、素的是（ ）A开电冰冰箱门 B电冰箱所所在房间的的温度从220摄氏度度变到32摄摄氏度C将热菜菜或热饭放放入电冰箱箱中 D在电冰箱箱外放一盆盆冷水 人们首首先发现了了什么问题题而发明了了电冰箱（ ）A冰箱可可以制作冰冰激凌 B低温可以以保险C冰箱可可以制作冰冰水 D冰箱可以以冰镇啤酒酒8 判断题题及填空 李明学学习时，用用手去调节节台灯的亮亮度，这种种控制属于于自动控制制。 （ ） 系统的的输出量返返回到输入入端并对控控制过程产产生直接影影响的控制制系统称为为闭环控制制系统。（ ） 大年三三十晚，王王小军在家家忙于帖对对联，第一一次粘稳时时发现对联联下端明显显偏向左边边，第二次次经过调整整后，

20、发现现对联虽比比上次有明明显好转，但但对联下端端仍有些偏偏向左边，第第三次调整整后，发现现对联上下下已对齐。王小军这这一行为已已构成一个个反馈的闭闭环控制系系统。 （ ） 控制系系统的_不对系统统的控制产产生任何影影响，这种种控制系统统称为开环环控制系统统。9 在加热热炉的温度度控制系统统中，可能能有哪些干干扰因素？系统是如如何克服干干扰使炉温温稳定在一一定范围的的？答：可能的的干扰有：打开炉门门，放入或或取出东西西；外界温温度的变化化；电压的的变化等。采取的办办法是利用用闭环控制制。利用一一个温度传传感器，及及时检测温温度的变化化，然后根根据检测的的结果控制制开关的状状态：当温温度高时就就切

21、断开关关，当温度度低时就接接通开关加加热。10 举例例说明控制制的重要作作用及意义义。答：汽车发发动机失控控，造成飞飞车；人类类对某些疾疾病失去控控制，给人人类带来威威胁；生活活中，煮饭饭失去控制制，烧焦或或煮不熟。11 如图图：图中是声控控灯系统组组成示意图图，根据你你的理解和和认识回答答下列问题题。声控灯的的优点有哪哪些？如果声控控灯的附近近并没有来来人，而出出现意外的的声响，如如楼上或隔隔壁有人高高声说话或或以动作发发出声响，灵灵敏度高的的声控灯也也会应声而而亮。为避避免这种情情况你有什什么好办法法？画出声控控灯的系统统框图。答案提示： 关键词词：方便、节电用墙上的开开关去开灯灯或关灯，已已是习以为为常的事。但是，在在一个黑暗暗的走廊里里用手摸索索着寻找电电灯开关很很费事，对对外来的生生人更是难难事；另外外，人走了了不关灯是是常有的事事，形成长长明灯，浪浪费电力。声控灯具有有特殊功能能与应用。比如，在在公共楼道道里安装声声控灯既方方便又省电电。所谓方便是是指来到楼楼道里的人人，只需发发出一定量量的声响（如如咳嗽一声声，排一下下掌，跺一一下脚）电电灯就会自自动点亮，而而无需去找找墙上的手手操开关。所谓节电电是指过了了一小段时时间，电灯灯又会自动动熄灭，没没有人的时时候，电灯灯处于熄灭灭状态，不不会出现长长明灯。把传感器的的灵敏度调调小一点。12 开环环控制系统统可用下面