《控制與設(shè)計》知識點一：控制的手段與應用

　　⑴控制的含義：案例分析：大禹治水P96

　　人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發(fā)展，這就是控制。

　　理解任何控制現(xiàn)象，都要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。

　　例如：人力三輪車轉(zhuǎn)彎過程中的方向控制問題，其控制的對象就是人力三輪車，控制的目的是為了改變?nèi)嗆囆旭偟姆较?，控制的手段是騎車人通過雙手轉(zhuǎn)動車把，改變前輪的方向并帶動后輪。

　?、瓶刂频氖侄危嚎刂频膶崿F(xiàn)需要通過一定的手段。

　　從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。

　　人工控制是在人的直接干預和全程干預下進行的。人工控制又稱手動控制。

　　自動控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。按執(zhí)行部件的不同，控制可分為機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。

　　案例分析：從手搖扇到空調(diào)器P98

　　2.控制的應用

　　控制應用到生活中，提高了人們的生活質(zhì)量，人類能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周圍的環(huán)境，使之滿足人們的需要。生產(chǎn)中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及加工動作等進行控制，控制在生產(chǎn)中得到了極為廣泛的應用。控制在軍事、國防等領(lǐng)域也有著廣泛的應用。

　　《控制與設(shè)計》知識點二、控制系統(tǒng)的工作過程與方式

　　1.控制系統(tǒng)

　　案例分析：自行車行駛的速度控制的實現(xiàn)P102

　　案例分析：電風扇的風速控制的實現(xiàn)P102

　　任何一種控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)構(gòu)成一個系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)。一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出，控制系統(tǒng)的輸入輸出之間有一定的對應關(guān)系。

　　控制系統(tǒng)一般分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　2.開環(huán)控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。

　　開環(huán)控制系統(tǒng)在日常生活中用途很廣。如十字路口的紅綠燈定時控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報警控制系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、公園的音樂噴泉自動控制系統(tǒng)等。

　　案例分析：自動門的控制系統(tǒng)P103

　　在控制系統(tǒng)中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號線來表示系統(tǒng)信號傳遞的方向，這種圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，通常可以用下面的方框圖來描述：

　　案例分析：水泵抽水控制系統(tǒng)P104

　　3.閉環(huán)控制系統(tǒng)

　　系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如下：

　　與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個由檢測裝置組成的環(huán)節(jié)。

　　《控制與設(shè)計》知識點三：閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

　　1.干擾因素

　　在控制系統(tǒng)中，除輸入量(給定值)以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。

　　有的干擾因素是環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風等;

　　有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。

　　在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰(zhàn)士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素?？刂葡到y(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。

　　案例分析：電視機P109

　　有些情況可以利用干擾因素實現(xiàn)某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統(tǒng)進行干擾，使之不能正常工作。

　　2.反饋

　　(1)反饋：

　　控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置返回到輸入并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。

　　案例分析：投籃 P110

　　利用反饋來分析和處理被控制對象，通過系統(tǒng)的書出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預期的目標運用的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關(guān)閉電源，而自動電水壺具有擋水沸騰時自動切斷電源的功能，終究是運用反饋方法實現(xiàn)自動控制的結(jié)果。

　　(2) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程

　　從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋問題，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控制量(輸出量)的偏差。

　　一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。

　　案例分析：供水水箱的水位自動控制系統(tǒng)P112 加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)P113

　　(3)閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較

　　開環(huán)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡單，適用于控制精度要求不高而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場合。

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計比較麻煩，結(jié)構(gòu)相對復雜，構(gòu)成控制系統(tǒng)的成本較高。閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動控制中廣泛采用的一種方式，用于要求高精度和高可靠性的場合。

　　3.功能模擬方法：以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。

　　4.黑箱方法：把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。例如，通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細節(jié)，就是黑箱方法的運用。

　　《控制與設(shè)計》知識點四：控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施

　　1.控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路

　　設(shè)計好一個控制系統(tǒng)，應該明確這個系統(tǒng)要達到的目的是什么，所要控制的對象是什么，被控制對象有哪些重要的特性，被控量和控制量分別是什么，外界的主要干擾因素有哪些，選擇怎樣的設(shè)計方案既能達到目的，又能經(jīng)濟、易于實現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件，等等。

　　設(shè)計一個控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達到控制目的，采用易于實現(xiàn)的控制方式，降低控制成本、減少對環(huán)境的負面影響等，是我們進行控制系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的基本問題。

　　控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，還包括畫出必要的設(shè)計圖紙(控制電路設(shè)計或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計)和實施圖紙、撰寫說明書等。

　　(1)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　在明確設(shè)計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。例如：普通電風扇控制系統(tǒng)的設(shè)計，被控對象是電風扇，被控量是電風扇輸出的風速，控制量是電機的轉(zhuǎn)速;若是具有定時功能的電風扇控制系統(tǒng)的設(shè)計，則需在開關(guān)環(huán)節(jié)加一個定時器。

　　案例分析：電吹風控制系統(tǒng)的設(shè)計 P119

　　設(shè)計要求：電吹風能根據(jù)不同的擋位(如冷風擋檔、熱風擋)輸出不同種類的風。

　　設(shè)計分析：電吹風控制系統(tǒng)的被控對象是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。

　　電吹風的控制工作過程：電吹風是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。

　　方案構(gòu)思：選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)電吹風的控制要求。

　　設(shè)定風的檔位就設(shè)定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風種相對應的風。

　　確定了電吹風控制系統(tǒng)的設(shè)計方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調(diào)試。

　　(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本要求：

　　第一，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。

　　第二，控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內(nèi)。

　　第三，閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。

　　在進行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計時，幾項控制要求之間往往會產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問題全面解決或有所側(cè)重地解決。

　　案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計P120

　　設(shè)計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)

　　設(shè)計要求：⒈當水箱中的水位低于達到某一指定高度時，進水口立即進水。

　?、伯斔涞乃贿_到某一指定高度時，進水口立即停進水。

　　⒊控制系統(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別的要求。

　　設(shè)計分析：⒈從設(shè)計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　?、脖豢貙ο笫浅樗R桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量(即進水量)，水箱水位的高度與進水量之間呈線性關(guān)系。

　?、持饕蓴_因素是水箱的出水流量。

　　方案構(gòu)思：采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低于水箱的某一高度時，出現(xiàn)了水位差(給定的水位高度與實際水位高度之差)，這個信號通過浮球、連桿機構(gòu)傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水;當水箱的水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關(guān)閉。

　　水箱水位的控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水，與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關(guān)閉。

　　2.控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施方案

　　案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設(shè)計P121

　　看了“控制與設(shè)計知識點歸納”