第四单元第四单元 控制与设计控制与设计教材分析教材分析1 重要概念：重要概念： 控制、控制系统、开环控制、闭环控制、控制、控制系统、开环控制、闭环控制、干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱方法干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱方法第四单元第四单元 控制与设计控制与设计第一节第一节第一节第一节 控制的手段与应用控制的手段与应用控制的手段与应用控制的手段与应用第二节第二节第二节第二节 控制系统的工作过程与方式控制系统的工作过程与方式控制系统的工作过程与方式控制系统的工作过程与方式第三节第三节第三节第三节 闭环控制系统的干扰与反馈闭环控制系统的干扰与反馈闭环控制系统的干扰与反馈闭环控制系统的干扰与反馈第四节第四节第四节第四节 控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施2 第一节第一节 控制的手段与应用控制的手段与应用 能够结合一定的事例，理解控制的含义及在生能够结合一定的事例，理解控制的含义及在生活和生产中的应用。活和生产中的应用。了解人工控制和自动控制，了解人工控制和自动控制，教学目标教学目标3指出下列事物发展与变化的多种可能性指出下列事物发展与变化的多种可能性 : : 鱼塘鱼塘 : : 成熟的西瓜成熟的西瓜 : : 流行性病毒流行性病毒 : :大禹治水过程中大禹治水过程中 , , 通过什么手段实现了什么样的目的通过什么手段实现了什么样的目的 ? ? 举出生活中通过某些手段实现特定目的的事例。举出生活中通过某些手段实现特定目的的事例。 控控 制制：人们按照自己的意愿或目的人们按照自己的意愿或目的 , , 通过一定的手段通过一定的手段 , , 使事物向期望的目标发展使事物向期望的目标发展 。 第一节第一节 控制的手段与应用控制的手段与应用 4 伸缩门的自动控制伸缩门的自动控制5日常生活中的控制举例日常生活中的控制举例1、拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。、拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。2、声光感应开关，当有声音时灯亮。、声光感应开关，当有声音时灯亮。3 、红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则、红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则不出水。不出水。4、宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。、宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。6生活、生产、军事、国防生活、生产、军事、国防 控制的应用控制的应用7圆形齿轮、条形齿轮组圆形齿轮、条形齿轮组 控制的手段控制的手段8课本课本P97：马上行动：马上行动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电风扇扇叶转速快慢的转速快慢的控制控制电风扇电风扇调节速度调节速度换档换档 音响的音量音响的音量控制控制音响音响音量的调节音量的调节旋钮旋钮燃气热水器燃气热水器温度的控制温度的控制热水器热水器调节出水口调节出水口温度的高低温度的高低改变燃气火改变燃气火头的大小头的大小用喷雾器喷用喷雾器喷洒农药洒农药喷雾器喷雾器给庄稼治病给庄稼治病 操作喷雾器操作喷雾器的手柄的手柄 9 控制的分类控制的分类从控制过程中人工干预的情形来分：从控制过程中人工干预的情形来分： 人工控制：人工控制：人工纺纱、打开普通自来水龙头，人工纺纱、打开普通自来水龙头，揿按键打开电灯、驾驶汽车等；揿按键打开电灯、驾驶汽车等； 自动控制：自动控制：数控机床、饮料自动装罐生产线、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花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等 按照执行部件的不同，控制分为：按照执行部件的不同，控制分为：机械控制机械控制（普通水龙头）、（普通水龙头）、气动控制气动控制（公共汽（公共汽车车门开关控制）、车车门开关控制）、液压控制液压控制（建筑工地打桩（建筑工地打桩机）、机）、电子控制电子控制（家用电冰箱）（家用电冰箱）10观察学校饮用水自动控制电热水器。观察学校饮用水自动控制电热水器。当玻璃管中的水位过低或过高时，会出现当玻璃管中的水位过低或过高时，会出现什么样的工作状态？什么样的工作状态？11 第二节第二节 控制系统的工作过程与方控制系统的工作过程与方式式 能够分析典型的案例，熟悉能够分析典型的案例，熟悉简单简单的开环控制系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统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。程。通过案例分析，能画出一个简单的闭环控制系通过案例分析，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、执行器的作统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用，熟悉反馈环节的作用。用，熟悉反馈环节的作用。教学目标教学目标12思思 考：考：自行车的传动控制系统是怎样的呢？自行车的传动控制系统是怎样的呢？13 脚蹬、曲柄、链轮、脚蹬、曲柄、链轮、 中轴、链条、飞轮中轴、链条、飞轮脚踩的力脚踩的力（输入）（输入）自行车行驶的速度自行车行驶的速度（输出（输出）踩动踩动脚蹬的力越大，车轮的转速就越快。脚蹬的力越大，车轮的转速就越快。 控制系统控制系统14电风扇的风速控制系统（电风扇的风速控制系统（control system） 电机、扇叶电机、扇叶电风扇风速的档位电风扇风速的档位（输入）（输入）风速风速（输出（输出）一个档位对应着一个风速。一个档位对应着一个风速。定义：定义： 任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为构成了一个系统，称为控制系统控制系统。 控制系统控制系统15是否属于是否属于控制系统控制系统输入输入输出输出电饭煲电饭煲脱粒机脱粒机红外线自红外线自动水龙头动水龙头是通电信号温度是是通电信号检测到人手信号脱粒量出水量16游泳池注水控制系统方框图：游泳池注水控制系统方框图：游泳池游泳池进水阀门进水阀门定时器定时器设定注水时间设定注水时间（输入）（输入）水流量水流量游泳池的水位游泳池的水位（输出）（输出） 开环控制系统开环控制系统游泳池的水位只受设定的注水的时间的控制游泳池的水位只受设定的注水的时间的控制172 2、特征：特征： 系统的输出量系统的输出量仅受仅受输入量控制，输入量到输出量输入量控制，输入量到输出量之间的信号是之间的信号是单向传递单向传递。1 1、定义：定义： 控制系统的控制系统的输出量输出量不对不对系统的控制产生任何影响，系统的控制产生任何影响，这种控制称为这种控制称为开环控制系统开环控制系统。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。1 1、自动声光控灯、自动声光控灯2 2、自动烘手机、自动烘手机18被控被控对象对象执行器执行器控制器控制器输入量控制量输出量简单开环控制系统的方框图简单开环控制系统的方框图控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。控制量：即执行器的输出信号。控制量：即执行器的输出信号。输入量：即控制系统的给定量。输入量：即控制系统的给定量。输出量：即控制系统所要控制的量。输出量：即控制系统所要控制的量。被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。归纳总结归纳总结19游泳池注水控制系统方框图：游泳池注水控制系统方框图：游泳池游泳池进水阀门进水阀门定时器定时器设定注水时间设定注水时间（输入）（输入）水流量水流量游泳池的水位游泳池的水位（输出）（输出） 开环控制系统开环控制系统控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象控制量控制量20被控被控对象对象执行器执行器控制器控制器输入量控制量输出量简单开环控制系统的方框图简单开环控制系统的方框图自动门的控制系统自动门的控制系统水泵抽水控制系统水泵抽水控制系统活动猴的连接活动猴的连接21希希罗罗的的自自动动门门水罐水罐（1，2）祭坛祭坛点火点火打开打开庙门庙门转动轴转动轴（3）庙门庙门旋转量旋转量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象控制量控制量22游泳池注水控制系统方框图：游泳池注水控制系统方框图：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量控制量被控量检测装置检测装置比较器- -+ +游泳池游泳池进水阀门进水阀门控制器控制器给定水位水流量游泳池的水位（输出）检测装置检测装置比较器+ +- - 闭环控制系统闭环控制系统23对比对比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生任何影响控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响系统的输出量仅受输入量控制，输入量到系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递输出量之间的信号是单向传递系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响影响输出量到输入量之间的信号形成一个回路输出量到输入量之间的信号形成一个回路24 第三节第三节 闭环控制系统的干扰与反闭环控制系统的干扰与反馈馈 能够通过案例分析、马上行动和阅读等活动，能够通过案例分析、马上行动和阅读等活动，找出并分析影响简单控制系统运行的主要干扰找出并分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系因素，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用。统中的应用。教学目标教学目标25干扰就是对控制系统的行为造成影响的有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。控量变化的各种因素称为干扰因素。 干扰因素干扰因素26 例例1 1 楼宇水塔的水位控制的干扰因素分析楼宇水塔的水位控制的干扰因素分析 影响水塔水位的干扰因素主要有影响水塔水位的干扰因素主要有水塔的出水流量水塔的出水流量和和水面蒸发的水量水面蒸发的水量、水塔的进水流量水塔的进水流量和和进水管的压力进水管的压力等。等。 其中出水流量是根据用户的用水量变化的，是不可其中出水流量是根据用户的用水量变化的，是不可控制的变量；水面蒸发的水量很少，可以忽略；而水塔控制的变量；水面蒸发的水量很少，可以忽略；而水塔的进水流量是可以控制的。的进水流量是可以控制的。 27 例例2 2 风磨的转速控制的干扰因素分析风磨的转速控制的干扰因素分析 影响风磨转速的干扰因素主要有影响风磨转速的干扰因素主要有风速风速和和投料量投料量等。等。 当投料量一定时，风速减小，磨的转速就变慢。当投料量一定时，风速减小，磨的转速就变慢。 28克服干扰的基本方法克服干扰的基本方法 1、消除干扰、消除干扰2、减弱干扰、减弱干扰3、提高控制系统性能、提高控制系统性能 干扰因素干扰因素29反馈反馈 所谓反馈，就是将输出量通过适当的检所谓反馈，就是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测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。过程。 没有反馈的控制系统为开环控制，没有反馈的控制系统为开环控制， 具有反馈的控制系统为闭环控制。具有反馈的控制系统为闭环控制。30反馈反馈 负反馈，通过反馈来减少输出量负反馈，通过反馈来减少输出量的偏差，使被控量接近给定值。的偏差，使被控量接近给定值。 负反馈形成的系统，控制精度高，负反馈形成的系统，控制精度高，系统运行稳定。系统运行稳定。 正反馈主要对小的变化进行放大。正反馈主要对小的变化进行放大。 31GPS GPS (Global Position System)，就是，就是全球定位系统。在大海中全球定位系统。在大海中航行的船只，通过航行的船只，通过GPS可可获得自己当前的地理位置，获得自己当前的地理位置，然后将这个位置与计算机然后将这个位置与计算机中保存的期望位置进行比中保存的期望位置进行比较，发现误差及时调整，较，发现误差及时调整，使船保持在正确的航线上。使船保持在正确的航线上。GPS实际上就是自动导航实际上就是自动导航系统中的反馈环节。系统中的反馈环节。 GPS能够提供精确的能够提供精确的地理位置信息，所以在航地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理海、航空和城市交通管理等领域有着广泛的应用。等领域有着广泛的应用。32闭环控制系统与开环控制系统的比较闭环控制系统与开环控制系统的比较开环控制系统开环控制系统 优点：结构简单，外界的干扰相对较小优点：结构简单，外界的干扰相对较小 缺点：控制精度较差缺点：控制精度较差 适用：控制精度要求不高而本身系统元件比较稳定。适用：控制精度要求不高而本身系统元件比较稳定。闭环控制系统闭环控制系统 优点：控制精度高优点：控制精度高 缺点：设计较麻烦，结构较复杂，成本较高。缺点：设计较麻烦，结构较复杂，成本较高。 适用：要求高精度和高可靠性的场合。适用：要求高精度和高可靠性的场合。 33功能模拟方法功能模拟方法 以以功功能能和和行行为为的的相相似似性性为为基基础础，用用“模模型型”模模拟拟“原原型型”的的功功能能和和行行为为的的方方法法 。控制系统的分析方法34黑箱方法黑箱方法 通过对系统的通过对系统的输入输入与与输出输出的关系的研究的关系的研究推断推断系系统内部结构和功能的方法，统内部结构和功能的方法， 通过观测黑箱外部的输入信息通过观测黑箱外部的输入信息(外界对黑箱的外界对黑箱的影响影响)和输出信息和输出信息(黑箱对外界的反应黑箱对外界的反应)研究和认识研究和认识其功能、特性、结构、机理。其功能、特性、结构、机理。35 第四节第四节 控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施 能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置，或根据简单闭环控制系统的方案进行模拟装置，或根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。实施，学会调试运行，提出改进方案。教学目标教学目标36 控制系统设计的一般思路371. 开环控制系统的设计例：普通电风扇控制系统的设计被控对象电风扇；被控量电风扇输出的风速；控制量电机的转速；38例：电吹风控制系统的设计被控对象电吹风；被控量风的速度和温度；控制量电机的电压；干扰因素房间温度、电源电压的波动；392. 闭环控制系统的设计 闭环控制系统的基本要求：1. 闭环控制系统必须是稳定的；2. 系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；3. 要有较好的抗干扰性能；40例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计41升旗简易控制装置的设计控制系统的设计实施案控制系统的设计实施案例例42434445