第四单元控制与设计

控制的手段与应用第四单元控制与设计

事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能是与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当的手段来实现。一、认识控制第四单元控制与设计事物的发展与变化一棵苹果树雨水骑自行车结不出苹果结的苹果又多又大结出苹果又小又酸用来灌溉农田发电引起洪涝灾害代步、省力摔跟头撞到物体或别人病虫害防治、果树管理、土壤管理等等兴修水利、建水电站、水源管理等等控制速度、骑车的技术、车的维护等等。第四单元控制与设计什么是控制？控制的定义：人们按照自己的意愿和目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。1、对象：控制的对象是什么？2、目的：控制要达到什么目的？3、手段：要采用什么样的手段来控制？对控制现象理解从下面三个方面入手：第四单元控制与设计大禹治水

思考：大禹治水过程中，通过什么手段实现了什么样的目的？第四单元控制与设计大型音乐喷泉生活中的一些控制举例：第四单元控制与设计抽水马桶水箱的自动控制系统第四单元控制与设计热水器双手转动车把改变三轮车行驶的方向人力三轮车人力三轮车转弯中的方向控制疏通河道，泄洪为主安息洪波、大治水患洪水大禹治水操作喷雾器的手柄给庄稼治病喷雾器用喷雾器喷洒农药改变燃气火头的大小调节出水口温度的高低燃气热水器温度的控制旋钮音量的调节音响的音量控制换档调节速度电风扇电风扇扇叶转速快慢的控制控制的手段控制的目的控制的对象控制事例音响第四单元控制与设计

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。二、控制的手段第四单元控制与设计从人工干预的情形来分：人工控制：控制的过程是在人的直接干预下进行的。如：人工纺纱、打开普通自来水龙头，按键打开电灯、驾驶汽车等；关/开门驾驶汽车第四单元控制与设计自动控制：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。如：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太阳能路灯自动门第四单元控制与设计机械控制气动控制液压控制电子控制从控制的执行部件来分：第四单元控制与设计请区分人工控制和自动控制音响的音量控制

全自动洗衣机

普通水龙头出水的控制

电冰箱内温度控制

自动取款机

篮球运动员投篮过程控制

自动烘干机

自动感应门的开关控制

电梯的上下运行过程控制

飞镖的投掷过程控制

肥胖人群体形控制

声控走廊灯的控制

红外自动水龙头出水控制

红绿灯的转换过程控制

手摇晾衣架的控制

光控路灯的控制

人工自动人工自动自动自动自动自动自动自动自动自动人工人工人工人工第四单元控制与设计控制演变人工人工控制自动控制第四单元控制与设计三、控制的应用

控制的应用自古就有，并在近代得到迅速发展，在社会生产生活的各个领域都有极其广泛的应用。第四单元控制与设计1.控制在工业生产中的应用

控制应用到工业生产中，提高了产品的质量和生产效率，减轻了工人的劳动强度，为工人提供了安全保障。生产流水线纺织机第四单元控制与设计汽车自动装配生产线汽车油漆第四单元控制与设计2.控制在农业生产中的应用

控制应用到农业生产中，提高了劳动效率，减轻了农民的劳动强度，使农民减少在农田里日晒雨淋的时间。联合收割机农田灌溉第四单元控制与设计农田灌溉电源控制室水泵第四单元控制与设计农田灌溉折射式微喷射流式微喷锤式微灌实现水量的均匀喷灌，节约水资源，降低劳动强度等意义第四单元控制与设计3.控制在军事、国防中的应用

控制应用到军事国防中，提高了国家防备和抵抗侵略的能力，为保卫国家的主权、统一、领土完整和安全提供了必要的条件。第四单元控制与设计4.控制在日常生活中的应用

控制应用到日常生活中，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，使之满足人们的要求。空调机自动取款机红外线水龙头……第四单元控制与设计现代网络家电第四单元控制与设计5.控制在社会生活中的应用

控制应用到社会生活中，使整个社会能协调、健康、有序地发展。控制人口增长，提高人口素质各种法律制度交通管理……第四单元控制与设计课堂分析：下列控制现象是自动控制还是人工控制：（1）摇动轱辘，提取井水；（2）用打气筒给自行车的轮胎充气；（3）电梯的上下运行控制；（4）农用灌溉抽水机抽水的控制。人工控制自动控制自动控制人工控制第四单元控制与设计

二控制系统的工作过程和方式第四单元控制与设计

任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节的有机组合就构成了一个系统，称为控制系统。

控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。第四单元控制与设计小试验1：闭上眼睛写“控制系统”四个字输入量：老师的指令输出量：所写的字第四单元控制与设计“闭上眼睛写字”的控制过程方框图手大脑输入笔输出执行器控制器输入量被控对象输出量第四单元控制与设计一、控制系统自行车传动系统由哪些部件构成？脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条、飞轮等脚踩的力（输入）脚蹬、曲柄、链轮中轴、链条、飞轮自行车行驶的速度（输出）第四单元控制与设计一、控制系统

电风扇的风速控制是通过改变电机的转速来实现的。给电风扇设定风速挡位，电机就以一定的转速带动扇叶转动，输出预定的风速。风速挡位是该控制系统的输入，扇叶转动的风速是该控制系统的输出，一个挡位对应着一个风速。第四单元控制与设计一、控制系统电风扇风速的档位电机、扇叶风速输入输出第四单元控制与设计马上行动（P102)：请指出下列控制系统中的输入、输出分别是什么？控制系统输入输出电风扇风速控制电饭煲脱粒机红外线自动水龙头调速器或挡位风扇的转速电源的电信号锅内的温度电源的电信号脱粒的量人手的红外信号水龙头的出水量第四单元控制与设计控制系统通常又分为开环系统和闭环系统第四单元控制与设计开环控制系统

在游泳池注水控制系统中，如果进水管单位时间的水流量一定，那么游泳池水位的高度与进水的时间是一一对应的。我们就可以通过设定注水时间，使游泳池的水位达到希望的高度。将注水的时间值（假设为2小时）设定到定时器中，开启进水阀注水，一旦时间到达，定时器就会通知进水阀门关闭，停止向游泳池注水。分析：

游泳池的水位只受设定的注水的时间控制，这里，作为输入的设定的注水时间可以计算，称为输入量；作为输出的游泳池的水位可以用水面高度这样的量来计算，称为输出量。第四单元控制与设计设定注水的时间定时器进水阀门游泳池游泳池的水位输入输出水流量定义：

控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。开环控制系统第四单元控制与设计P103案例分析红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号控制电路电机自动门门的开启或关闭转动输入输出第四单元控制与设计电动机声音传感控制器输入量门输出量可以识别、记忆的芯片门的开、关声音：“芝麻芝麻，开门吧”“芝麻开门”声控开门系统的控制方框图

请写出“芝麻开门”声控开门系统的控制方框图，有兴趣的同学课后可以制作模型，把神话变成现实。第四单元控制与设计请画出下列开环系统的方框图1、电视摇控器的控制系统2、楼道声控灯的控制系统3、电动车的防盗报警系统按开机按扭控制电路显像及音频视频电视机电视节目影像设定声音分贝控制电路灯泡计时器灯光时间外力强度控制电路音响装置计时器警报器警报声声音第四单元控制与设计

生活中还有哪些开环控制系统？要求学生应用一般开环控制系统方框图画出以下控制系统的控制方框图。公共汽车车门控制系统。红绿灯定时控制系统。防盗报警系统。火灾报警系统。音乐喷泉控制系统。闹钟定时控制系统。自动烘手机第四单元控制与设计二、闭环控制系统课本（P112）水箱的水位自动控制示意图×给定水位比较器控制器进水阀门水箱检测装置水箱水位水流量﹢﹣第四单元控制与设计

闭环控制系统就是把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。给定量比较器控制器执行器被控对象检测装置被控量×控制量﹢﹣简单闭环控制系统的方框图如下：第四单元控制与设计案例分析：空调器温度控制系统

炎炎夏日，人们采取各种消暑措施消暑，空调是第一选择。那么，空调器是如何控制温度的呢？它的工作过程又如何呢？ 如设定温度为25oC，室内温度如果高于25oC，那么空调通过比较，控制电路发出信号促使压缩机进行工作；当温度达到设定温度时，控制电路发出信号，压缩机停止工作，风扇照常工作。因此，空调温度控制系统中有从输出端返回到输入端的信息反馈，它是闭环控制系统。问题：根据空调器的工作过程，试画出其温度控制系统的方框图。第四单元控制与设计空调器温度控制系统方框图如下：×设定温度比较器控制电路压缩机空调器检测装置输出温度空气温度﹢﹣马上行动（P106）：判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图。第四单元控制与设计请完成P106的“马上行动”1、家用缝纫机的缝纫速度控制系统（属于开环控制系统）脚踏力度脚蹬、曲柄、链轮中轴、链条缝纫速度2、电冰箱的温度控制系统（属于闭环控制系统）温度计温度设定温度控制器制冷装置温度值检测装置比较器第四单元控制与设计设定声音分贝控制电路灯泡计时器灯光时间3、走道路灯的声光控制系统（开环）4、交通路口红绿灯自动控制系统（闭环）设定车流量控制器红绿灯计时器红绿灯显示时间检测装置第四单元控制与设计练习根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打“”开环电子控制系统闭环电子控制系统电子表电取暖系统空调程序控制洗衣机可调亮度的台灯智能洗衣机电热水器第四单元控制与设计小游戏

在纸上先画出两张大脸，“四官俱全”，没有鼻子。再来“填”鼻子，一次，睁着眼睛画，另一次闭着眼睛画。第四单元控制与设计1、闭着眼睛画：人脑控制手画鼻子：人脑——手——鼻子控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节。是个单程的控制流向。这种控制，称为开环控制。分析原因：2、睁着眼睛画：人脑控制手画鼻子，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果及时反馈给大脑，使得大脑准确精细的控制手去画好鼻子。控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈给人脑，控制流向形成了闭合回路。这种控制称为闭环控制。人脑——手——画鼻子||———眼睛—————|第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈第四单元控制与设计

每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？

在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风?第四单元控制与设计干扰因素接下来我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。第四单元控制与设计一）什么是干扰因素：1.干扰因素的概念：

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（interference）因素。第四单元控制与设计案例一：逆风中骑自行车。脚踩的力自行车行使的速度风给定量被控量逆风、顺风、上坡路……第四单元控制与设计案例二：飞机飞行。结论：在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干个。第四单元控制与设计扩展讨论：

生活中还有哪些例子说明“闭环控制系统的干扰是存在的，是不可避免的”？第四单元控制与设计马上行动：

在电冰箱的温度控制系统中，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素？（1）开电冰箱门。

外面热气进入冰箱将会引起箱内温度变化，属于干扰因素。第四单元控制与设计（2）电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃属于干扰因素。（3）把热菜或热饭放入电冰箱中。属于干扰因素。第四单元控制与设计

严格说这也会引起环境温度的变化，但这种变化一般有利于冰箱实现目标，不属于干扰因素。（4）在冰箱外放一盆冷水。第四单元控制与设计思考：在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？控制系统干扰因素

自动扶梯的升降控制系统

利用滑轮组提升重物的控制系统

蔬菜大棚的温度控制

扶梯承载的重力、电机输出电压的波动、齿轮间的摩擦力等。滑轮组的摩擦力、电机电源的波动等、绳子和滑轮，重物的重力。外部环境温度的变化、大棚保温材料的保温性能产生变化等、植物排放的二氧化碳，温室效应。第四单元控制与设计案例分析：

电视机的工作。

电视机出现画面紊乱的现象往往是由于受到外界磁场干扰。比如：近距离摆放的电冰箱、空调器、电风扇、日光灯等等。他们就是电视机正常工作的干扰因素。克服这些干扰的办法就是将家用电器远离电视机放置。第四单元控制与设计2.克服干扰的基本方法：A、消除干扰在飞机上不能使用通信工具B、减弱干扰电器在使用时远离其它电子设备C、提高控制系统性能采用闭环控制系统第四单元控制与设计对干扰的利用，是指有意对控制系统施加干扰，使控制系统无法达到控制的目标，而不是控制系统本身需要干扰。例如：军事演习中对敌方信息指挥系统进行电磁波干扰。第四单元控制与设计

火盆。冬天冷了，可以在室内放火盆，这样可以使室内温度升高。马上行动：

生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？第四单元控制与设计二）反馈1.什么是反馈（feedback）？

控制系统中，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就是反馈（feedback）。第四单元控制与设计

反馈控制是一种在计划执行一段时间或结束后进行的事后控制，主要为下一步计划的实施总结经验，但它却常常是管理控制工作的主要形式。例如投诉与反馈、留言反馈、意见反馈、环境反馈、教学活动、超市反馈调查表、市场信息反馈系统、工作总结、产品性能检验、现代酒店控制方法等。生活中的反馈：第四单元控制与设计[游戏]：在黑板上画两张大脸，“四官俱全”，没有眼睛。然后请一个同学上来“填”眼睛，闭着眼睛画，位置不对,也不好看。睁着眼睛画，漂亮。第四单元控制与设计

控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节。是个单程的控制流向。这是开环控制。1.闭着眼睛画：

人脑控制手画眼睛：人脑——手——眼睛；第四单元控制与设计2.睁着眼睛画：

人脑控制手画眼睛，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果及时反馈给大脑，使得大脑准确精细的控制手去画好眼睛。控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈给人脑，控制流向形成了闭合回路。这是闭环控制。第四单元控制与设计

利用反馈来分析和处理被控对象，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行的方法，称为反馈方法。第四单元控制与设计马上行动：分析“穿针引线”的动作过程，并补充一个适当的事例填写下表。事例输入检测装置输出“穿针引线”

线的位置人的眼睛线与针孔对准靶的位置(期望值)眼睛飞镖实际投掷的位置投掷飞镖能扑灭蜡烛的机器人打开机器人的开关光敏、力敏传感器找到蜡烛、并将其扑灭电冰箱温控器设定温度温度传感器制冷后冰箱内温度第四单元控制与设计3.闭环控制系统的工作过程

闭环控制系统从反馈来看，就是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。

闭环控制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统达到稳定。[核心]：通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。第四单元控制与设计被控对象给定值干扰反馈环节控制器执行器比较器干扰干扰干扰被控量第四单元控制与设计[案例分析]：阅读书上案例p112供水水箱的水位自动控制系统。P112思考：

在水箱的水位控制系统中，控制量还可以有其他选择吗？为什么？不能，因为我们主要为了实现水位的自动控制，那么控制量只能是水量。第四单元控制与设计[思考设计]：家用抽水马桶是一个典型的闭环控制系统的水位控制。闭环控制系统的特点:1）系统输出量对控制作用有直接影响。2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。第四单元控制与设计

在加热锅炉的温度控制系统中，可能有那些干扰因素，系统如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内？

干扰因素有加热炉外的环境温度变化、加热器的电压波动、炉壁自身温度、炉内空气温度等。[图片展示]：烘箱（饮水机）P113思考：第四单元控制与设计

首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后对温度的比较，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。加热炉的温度自动控制系统的结构图：第四单元控制与设计

闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。思考与分析

在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？第四单元控制与设计4.闭环与开环控制系统的比较：闭环控制：反馈控制，偏差控制，可以抑制内、外扰动对被量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。第四单元控制与设计[提问回答]：

开环控制系统闭环控制系统能否自动调整和补偿

控制精度

结构

适用场合

否低高是简单复杂精度要求低、稳定精度要求高、高可靠性第四单元控制与设计起增强输入信号作用——正反馈。起减弱输入信号作用——负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差。第四单元控制与设计P114马上行动：就开环控制系统与闭环控制系统的联系与区别，设计一个图表。联系区别闭环控制系统

都用于控制控制精度低、结构简单，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。开环控制系统控制精度高，麻烦，复杂，用于要求高精度和高可靠性的场合。第四单元控制与设计三）控制系统的分析方法1.功能模型法

请大家观察下面图1、图2,对比人工恒温箱控制系统与自动恒温箱控制系统的方框图，我们发现：两者的控制器、执行器及检测装置的具体结构不同，但两者在功能和行为是相似的，都能实现恒温箱的恒温控制。第四单元控制与设计实际温度给定温度大脑肌体恒温箱+-眼睛图1人工恒温箱控制系统方框图实际温度给定温度比较电路电机恒温箱+-热电偶图2自动恒温箱控制系统方框图

这种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。功能模拟方法是一种整体性研究方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。你能列举功能模拟法的案例吗？第四单元控制与设计

可以通过模拟，进行技术设计，从而使有些不易实现的技术设计得以设计成功。探究：功能模拟方法对技术设计有何意义？第四单元控制与设计2.黑箱方法

同们学听说过“大脑之谜”吗？这可是在科学研究史上长期以来没有得到圆满解答的难题。思维究竟是怎样从物质中产生出来的？大脑功能的具体活动机制又是什么？

第四单元控制与设计

要解答这一系列问题可不是一件容易的事。人们可以用物理上的分割法，研究物质的结构和属性；也可以用化学分解和合成的方法来了解不同物质的成分。但这些方法，对研究大脑的思维功能却鞭长莫及，因为即使按这些方法的要求，将大脑打开，解剖分析，也只能是对失去思维功能的大脑物质的认识。这样，在科学研究面前，大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现，而无法深入其内在了解其机制的难题。它就像一个不能打开的箱子一样，里面的一切对于我们来说都是黑乎乎的，一无所知，我们称之为黑箱。第四单元控制与设计

所谓黑箱方法，指的是当一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。第四单元控制与设计

它是通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。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。