1、控制与设计控制与设计学习学习目标目标1.1.控制的定义。控制的定义。2.2.自动控制和人工控制的区别。自动控制和人工控制的区别。专题一、专题一、控制的手段与应用控制的手段与应用 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。了解控制我们听到过的我们听到过的“控制控制” 自动控制、控制情绪、自我控制的能力、控制温度控制人口增长、控制病情等等“控制控制”存在与当今社会的各个方面。存在与当今社会的各个方面。工业生产、城市交通、农业生产、航天技术等等什么是控制事物的事物的发展与变化发展与变化具有多样性。具有
2、多样性。 如果人们想达到一定的目的，就必须如果人们想达到一定的目的，就必须采取一定的采取一定的手段手段来实现。来实现。控制的定义控制的定义： 人们按照自己的意愿和目的，通过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一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。展，这就是控制。事物的发展与变化一棵苹果树一棵苹果树天上降落的雨水天上降落的雨水骑自行车骑自行车结不出苹果结不出苹果结的苹果又多又大结的苹果又多又大结出苹果又小又酸结出苹果又小又酸用来灌溉农田用来灌溉农田发电发电引起洪涝灾害引起洪涝灾害代步、省力代步、省力摔跟头摔跟头撞到物体和别人撞到物体和别人采取的手段苹果树苹果树
3、雨水雨水骑自行车骑自行车病虫害防治、果树管理、病虫害防治、果树管理、土壤管理等等土壤管理等等兴修水利、建水电站、兴修水利、建水电站、水源管理等等水源管理等等控制速度、骑车的技术、控制速度、骑车的技术、车的维护等等。车的维护等等。控制对象控制对象控制目的控制目的控制手段控制手段种苹果树种苹果树苹果树苹果树果实多又大果实多又大病虫害防治、果树管理、病虫害防治、果树管理、土壤管理等等土壤管理等等雨水雨水雨水雨水灌溉农田灌溉农田兴修水利兴修水利雨水雨水雨水雨水发电发电建水电站建水电站雨水雨水雨水雨水减少洪涝灾害减少洪涝灾害 洪水预报洪水预报骑自行车骑自行车自行车自行车安全行驶安全行驶控制速度、骑车的技
4、术、控制速度、骑车的技术、车的维护等等车的维护等等控制是普遍存在。控制是普遍存在。 遥控航模飞机遥控航模飞机 抽水马桶水箱的自动控制系统抽水马桶水箱的自动控制系统抽水马桶水箱的自动控制系统抽水马桶水箱的自动控制系统控制的含义对控制现象理解从下面三个方面入手：对控制现象理解从下面三个方面入手：1 1、对象：控制的对象是什么？、对象：控制的对象是什么？2 2、目的：控制要达到什么目的？、目的：控制要达到什么目的？3 3、手段：要采用什么样的手段来控制？、手段：要采用什么样的手段来控制？ 控制是根据自己的目的，通过一定控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发的手段使事物沿着某一确
5、定方向发展的行为和过程。展的行为和过程。 控制事例控制事例控制的对象控制的对象控制的目的控制的目的控制的手段控制的手段电风扇扇叶转电风扇扇叶转速快慢的控制速快慢的控制电风扇电风扇调节速度调节速度换档换档 音响的音量控音响的音量控制制音响音响音量的调节音量的调节旋钮旋钮燃气热水器温燃气热水器温度的控制度的控制热水器热水器调节出水口温调节出水口温度的高低度的高低改变燃气火头改变燃气火头的大小的大小用喷雾器喷洒用喷雾器喷洒农药农药喷雾器喷雾器给庄稼治病给庄稼治病操作喷雾器的操作喷雾器的手柄手柄 大禹治水大禹治水洪水洪水安息洪波、大安息洪波、大治水患治水患疏通河道，泄疏通河道，泄洪为主洪为主人力三轮车
6、转人力三轮车转弯中的方向控弯中的方向控制制人力三轮车人力三轮车改变三轮车行改变三轮车行驶的方向驶的方向双手转动车把双手转动车把 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。控制的手段从人工干预的情形来分：从人工干预的情形来分：人工控制：人工控制：控制的过程需要人的接触，即人直接干预。如：普通自来水龙头，揿按键打开电灯、驾驶汽车等；关/开 门驾驶汽车自动控制：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，即没有人的接触。如：打开红外传感水龙头，太阳能路灯，自动门，声控灯，无人驾驶汽车等；控制实例1人工控制自动控制自动控制对风
7、速的控制控制实例2自动控制人工控制人工控制控制实例1自动控制人工控制控制的应用控制的应用 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。控制在工业生产中的应用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。率，减轻了工人的劳动强度，为工人提供了安全保障。生产流水线纺织机汽车自动装配生产线 汽车油漆控制在农业生产中的应用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
8、，使农民减少在农田里日晒雨淋的了农民的劳动强度，使农民减少在农田里日晒雨淋的时间。时间。联合收割机农田灌溉温室农田灌溉 电源控制室水泵农田灌溉 折射式微喷射流式微喷锤式微灌控制在军事、国防中的应用控制在军事、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。安全提供了必要的条件。“神舟五号” 返回地面。导弹、火箭控制在日常生活中的应用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，控制应用到日常生活中，提高了人们的
9、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，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。使之满足人们的要求。空调机自动取款机自动控制水龙头 现代网络家电 控制在社会生活中的应用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。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 未完待续专题二专题二、控制系统的控制系统的工作过程与方式工作过程与方式学习目标学习目标1.1.反馈反馈-在在电子控制系统中的作用电子控制系统中的作用2.2.开环控制和开环控制和闭闭环控制的区别环
10、控制的区别3.3.用用方框图分析生活中常见电子控制方框图分析生活中常见电子控制系系统。统。自行车行驶速度的控制：自行车行驶速度的控制：脚踩的力脚踩的力 脚蹬、曲柄、链轮、脚蹬、曲柄、链轮、 自行车行驶的速度自行车行驶的速度（输入）（输入） 中轴、链条、飞轮中轴、链条、飞轮 (输出输出)电风扇的风速控制电风扇的风速控制: 电风扇风速的挡位电风扇风速的挡位 电机、扇叶电机、扇叶 风速风速 (输入输入) (输出输出) 1 1、控制系统、控制系统 什么叫什么叫控制系统控制系统:任何一种控制的实现任何一种控制的实现,都要通过若干个环节都要通过若干个环节,这些这些环节就构成了一个系统环节就构成了一个系统,
11、称为控制系统称为控制系统.控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系.输入输出电饭煲 电源电信号 锅内的温度 脱粒机电源电信号 脱粒机的转速 红外水龙头人手的红外线信号 水龙头出水量 控制系统通常分为开环控制系统和闭环控制系统控制系统通常分为开环控制系统和闭环控制系统一、开环控制系统一、开环控制系统1 1、什么是开环控制系统、什么是开环控制系统 如果控制系统的输如果控制系统的输出对出对系统的系统的控制（即控制（即结果）没结果）没有有影响；或者说没有反馈环节的系统。影响；或者说没有反馈环节的系统。 反馈反馈即即控制系统中，将输出量通过适当控制系统中，将输出量
12、通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是行比较的过程，就是反馈反馈。投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-电路、灯游泳池注水控制系统游泳池注水控制系统 定时器定时器进水阀门进水阀门游泳池游泳池设定注水时间设定注水时间 水流量水流量 游泳池水位游泳池水位 ( (输入输入) () (输出输出) ) 自动门的控制系统自动门的控制系统 控制电路控制电路 电机电机 自动门自动门 红外线信号红外线信号 转动转
13、动 门的开启或关闭门的开启或关闭列举你所知道的开环控制系统：列举你所知道的开环控制系统：电路、灯电路、电机、扇叶电路、灯电路、灯电路、灯电路、灯电路、灯电路、灯案例分析：自动门 自动门的动作过程是怎样的？自动门的动作过程是怎样的？ 当门口没有人时，门是关着的；当有人来门口当门口没有人时，门是关着的；当有人来门口时，门打开；当人离开门口后一段时间，门又时，门打开；当人离开门口后一段时间，门又关闭。关闭。 自动门的功能和技术要求：自动门的功能和技术要求： 功能：无人时，常关；有人时，开门功能：无人时，常关；有人时，开门 技术要求：当人距门技术要求：当人距门1m时，门即打开；门打时，门即打开；门打开
14、后，延时开后，延时10s后关门后关门自动门如何实现自动开、关的呢？自动门如何实现自动开、关的呢？电机控制电路红外传感器自动门控制系统的方框图扩展思考对对“婴儿尿湿报警器婴儿尿湿报警器”分析分析与扩展思考与扩展思考尿铃声控制系统方框图：控制系统方框图：在控制系统中，为了分析方便，常采用方框来表示系统的在控制系统中，为了分析方便，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。称为控制系统的方框图。控制系统方框图的作用：控制系统方框图的作用：表示系统各个环节在系统中的位表示系统各个环节在系统中的位置、功
15、能和相互之间的关系。置、功能和相互之间的关系。输入量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象输出量输出量(控制量控制量)(给定量给定量)(被控量被控量)输入量:如游泳池的设定时间;输出量:游泳池的水位例例: 电子门铃的开环电子控制系统电子门铃的开环电子控制系统 用手按动按钮开关用手按动按钮开关, ,输入一个触发信号输入一个触发信号 音乐集成电路经过触发后工作音乐集成电路经过触发后工作, ,产产生一组载有生一组载有”音乐音乐”的电信号的电信号. . 扬声器将电信号转变为音乐声扬声器将电信号转变为音乐声. . 输出的音乐声的变化对系统的控制状输出的音乐声的变化对系统的控制状态并不产生影响态并不产生
16、影响, ,即不存在反馈即不存在反馈. . 输入输入: : 控制控制( (处理处理): ): 输出输出: : 特点特点: : 分析下列电子控制系统中的被控对象、被分析下列电子控制系统中的被控对象、被控量、控制器和它们的工作过程的共同点控量、控制器和它们的工作过程的共同点: : 扬声器扬声器音乐声音乐声音乐集音乐集成电路成电路路灯路灯光的变化光的变化电子电路电子电路锁舌锁舌锁舌的锁舌的运动运动集成电路集成电路电子音乐电子音乐门系统门系统路灯自动路灯自动控制系统控制系统电子锁电子锁自动门自动门被控对被控对象象被控量被控量控制器控制器集成电路集成电路门门门的开关门的开关闭环控制系统 控制系统中，将输出
17、量通过控制系统中，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，就是较的过程，就是反馈反馈。投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-（1 1）什么是反馈）什么是反馈控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（
18、手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+-投篮投篮控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）篮球实篮球实
19、际投掷际投掷的位置的位置监测装置（眼睛）监测装置（眼睛）篮圈篮圈的位的位置置+- 从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与从反馈来看，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回路，输出量对控制过程产生影响的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。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量控制系统。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。（输出量）的偏差。 由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值值时，闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，时，闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控
20、量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较，控制器根据比并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较，控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。所以，一个闭环控制系统，定值，达到精确控制的目的。所以，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能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值值附近。附近。 供水水箱的水位自动控制系统供水水箱的水位自动控制系统加热炉的温度自动控制系统加热炉的温度自动控制系统游泳池游泳池进水阀门进水阀门控制器控制器给定给定水位水位水流量水流量游泳池的水位游泳池的水位（输出）（
21、输出）检测装置检测装置比较器比较器+ +- -闭环控制系统简单闭环控制系统的方框图：简单闭环控制系统的方框图：被控对象被控对象执行器执行器控制器控制器给定给定量量控制量控制量被控量被控量检测装置检测装置比较器比较器- -+ + + + + + 小小 结结控控制制系系统统开环开环闭环闭环控制系统的输出量不对系统的控制产控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响生任何影响系统的输出量系统的输出量仅受仅受输入量控制，输入输入量控制，输入量到输出量之间的信号是量到输出量之间的信号是单向传递单向传递系统的输出量返回到输入端并对控制过系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响程产生影响输出量到输入量之间
22、的信号形成一个回输出量到输入量之间的信号形成一个回路路 开环控制系统方框图 闭环控制系统方框图被控对象被控对象执行器执行器控制器控制器给定给定量量控制量控制量被控量被控量检测装置检测装置比较器比较器- -+ + + + + +1、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。 干扰对控制功能的影响 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2、反馈1、什么是反馈 控制系统中，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 。2、系统工程最重要的定理是反馈原理。一个系统要让它安定运行
23、下去必须有反馈系统。反馈有两种，一种是叫正反馈，一种叫负反馈。系统在运行中不断会受到周围信号的干扰，正反馈的作用是把这些干扰信号放大到无限大，让这个系统崩溃。负反馈的作用是把这些信号缩小到最小，让它不影响系统的安全运行，让系统处于一个稳定状态。瓦特式速度调节器原理1 闭环控制系统的工作过程 从反馈看，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。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量的偏差。 闭环控制系统与开环控制系统的比较 开环控制系统本身不能对被控量进行调整和补偿。 由于某种干扰信号的作用使输出信号出现非正常状态时，系统本身没有自动纠正能力，必须借助与人工。 闭环控制系统则不然，不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量，闭环控制系统都会产生控制作用来减小这一偏差。3、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 。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。
