《控制與設(shè)計(jì)》知識(shí)點(diǎn)一：控制的手段與應(yīng)用

　?、趴刂频暮x：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(biāo)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(duì)象是什么，控制要達(dá)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(duì)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(dòng)車把，改變前輪的方向并帶動(dòng)后輪。

　?、瓶刂频氖侄危嚎刂频膶?shí)現(xiàn)需要通過一定的手段。

　　從控制過程中人工干預(yù)的情形來分，控制有人工控制和自動(dòng)控制。

　　人工控制是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的。人工控制又稱手動(dòng)控制。

　　自動(dòng)控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確地按照期望的方向進(jìn)行。按執(zhí)行部件的不同，控制可分為機(jī)械控制、氣動(dòng)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(yīng)用

　　控制應(yīng)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(duì)溫度、濕度、壓力、速度及加工動(dòng)作等進(jìn)行控制，控制在生產(chǎn)中得到了極為廣泛的應(yīng)用?？刂圃谲娛隆?guó)防等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

　　《控制與設(shè)計(jì)》知識(shí)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)P102

　　案例分析：電風(fēng)扇的風(fēng)速控制的實(shí)現(xiàn)P102

　　任何一種控制的實(shí)現(xiàn)，都要通過若干個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)。一般的控制過程都有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，控制系統(tǒng)的輸入輸出之間有一定的對(duì)應(yīng)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(duì)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(shí)控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公園的音樂噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

　　案例分析：自動(dòng)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(hào)線來表示系統(tǒng)信號(hào)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(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng)，通?？梢杂孟旅娴姆娇驁D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(duì)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(jiǎn)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(gè)由檢測(cè)裝置組成的環(huán)節(jié)。

　　《控制與設(shè)計(jì)》知識(shí)點(diǎn)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(fēng)等;

　　有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的手機(jī)信號(hào)等。

　　在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準(zhǔn)確度的干擾因素。控制系統(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(jī)P109

　　有些情況可以利用干擾因素實(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對(duì)藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入并與輸入量進(jìn)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(duì)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(yù)期的目標(biāo)運(yùn)用的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)電水壺具有擋水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能，終究是運(yùn)用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)P112 加熱爐的溫度自動(dòng)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(jiǎn)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(chǎng)合。

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)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(dòng)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(chǎng)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(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)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(hào)，觀測(cè)、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對(duì)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(xì)節(jié)，就是黑箱方法的運(yùn)用。

　　《控制與設(shè)計(jì)》知識(shí)點(diǎn)四：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

　　1.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路

　　設(shè)計(jì)好一個(gè)控制系統(tǒng)，應(yīng)該明確這個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到的目的是什么，所要控制的對(duì)象是什么，被控制對(duì)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(jì)方案既能達(dá)到目的，又能經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件，等等。

　　設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達(dá)到控制目的，采用易于實(shí)現(xiàn)的控制方式，降低控制成本、減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響等，是我們進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的基本問題。

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

　　(1)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在明確設(shè)計(jì)要求，明確被控對(duì)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(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，被控對(duì)象是電風(fēng)扇，被控量是電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速，控制量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速;若是具有定時(shí)功能的電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則需在開關(guān)環(huán)節(jié)加一個(gè)定時(shí)器。

　　案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) P119

　　設(shè)計(jì)要求：電吹風(fēng)能根據(jù)不同的擋位(如冷風(fēng)擋檔、熱風(fēng)擋)輸出不同種類的風(fēng)。

　　設(shè)計(jì)分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是電吹風(fēng)裝置，被控量是風(fēng)的速度和溫度，控制量是電機(jī)的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。

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

　　方案構(gòu)思：選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。

　　設(shè)定風(fēng)的檔位就設(shè)定了電機(jī)的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的風(fēng)通過電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對(duì)應(yīng)的風(fēng)。

　　確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。

　　(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本要求：

　　第一，一個(gè)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(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。

　　第三，閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。

　　在進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，幾項(xiàng)控制要求之間往往會(huì)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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)P120

　　設(shè)計(jì)項(xiàng)目：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)要求：⒈當(dāng)水箱中的水位低于達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即進(jìn)水。

　?、伯?dāng)水箱的水位達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即停進(jìn)水。

　?、晨刂葡到y(tǒng)對(duì)控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別的要求。

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

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

　　⒊主要干擾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(cè)裝置。當(dāng)水箱的水位低于水箱的某一高度時(shí)，出現(xiàn)了水位差(給定的水位高度與實(shí)際水位高度之差)，這個(gè)信號(hào)通過浮球、連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開，從而水箱進(jìn)水;當(dāng)水箱的水位達(dá)到水箱的某個(gè)高度時(shí)，水位差為零，進(jìn)水閥關(guān)閉。

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

　　2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

　　案例分析：自動(dòng)升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)計(jì)P121

　　看了“控制與設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)歸納”