技术与设计必修2第四章控制与设计

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1、1 1 1 第四章控制与设计 2 2 2 学习目标 1 理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用2 了解控制系统的类型 熟悉简单控制系统的基本组成和工作过程 3 了解并能确定控制系统的主要参数4 能画出简单控制系统的方框图 理解其中各环节的作用5 能设计 制作 调试和改进简单的控制装置 3 第一节了解控制第二节控制系统的组成和描述第三节简单控制系统的设计第四节控制中的干扰 3 4 4 4 第一节了解控制 一 控制 我们常常会听到 控制疫情 控制情绪 控制温度 控制存在于当今社会的各个方面 现代化的汽车生产线 城市中的交通指挥系统 恒温的蔬菜大棚等等 5 5 5 6 6 6 7 7 7 实际上 如

2、果我们希望某一事物按照自己的意愿发展 就要对其进行干预 这种根据自己的目的 通过一定的方法使事物沿着某一确定的方向发展 就形成了控制 p108 8 8 8 例1 投掷飞镖 确定射中目标 控制手臂的投掷动作 掷出飞镖 9 9 9 例2 瓦特式速度调节器 10 10 10 例3 电视制导导弹 11 11 11 二 开环控制和闭环控制p111 1 闭环控制系统能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较 并根据它们的误差及时调整控制作用的系统 2 开环控制系统不将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统 3 反馈环节系统中将控制的结果反馈回来的部分 12 12 12 例1 人工调节液面 13 13 13 例2

3、 全球卫星定位系统 GPS 14 闭环控制系统的工作过程 闭环控制系统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 核心 通过反馈来减少被控量 输出量 的偏差 14 15 闭环控制与开环控制系统的比较 开环系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿 故控制精确度低 闭环系统不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量 都会产生控制作用来减少这一偏差 故控制精确度高 15 16 16 16 开环控制和闭环控制 1 当系统的输入量能预先知道 并且系统不存在任何扰动 或对扰动影响不敏感 时 采用开环控制 p113 2 当存在着无法预计的扰动和 或 系统中元件的参数存在着无法预

4、计的变化时 选择闭环控制 p113 开环控制系统成本低 在可能的情况下 应该采用开环控制 p113 注 17 17 17 讨论与分析 根据开环控制和闭环控制的定义 指出瓦特式速度调节器 电视制导导弹的控制系统以及投掷飞镖分别属于哪类控制 它们的反馈环节是由什么组成的 如何判断一个控制系统是否为闭环系统 分析当控制的效果发生变化时 控制系统能否做出相应的调整去改变控制的效果 如果能 则为闭环系统 否则时开环系统 18 18 18 三 手动控制和自动控制p114 1 手动控制系统 2 自动控制系统 在控制的过程中不需要人的干预 就可按期望规律或预定程序运行的控制系统 控制系统必须在人的直接干预下才

5、能完成控制任务的控制系统 如图4 11的液面调节 如全自动洗衣机 19 19 19 20 20 21 21 22 22 22 讨论与分析 1 自动路灯的控制系统 电路 能根据光线的明暗控制电灯的开关 自动路灯控制系统是闭环系统吗 为什么 2 闭环控制系统都是自动控制系统吗 举例说明 3 手动控制系统都是开环控制系统吗 举例说明 23 23 第二节控制系统的组成和描述 24 24 一 控制系统的组成 以投掷飞镖和速度控制为例 它们的控制过程 25 25 由于反馈环节的存在 使图4 2 2在信号流动上形成了如图4 2 3所示的闭合回路 这也是为什么我们把这类控制系统称为闭环系统的原因 图4 21闭

6、合的信息回路 26 26 如果将我们的身体看成是一个控制系统 在你从书架上拿出一本你想要看的书的过程中 身体各部分分别完成什么功能 P116 同学们可以记下答案 大脑 肢体 想看的书 眼睛 27 27 27 1 控制器 控制命令 信号 的发出部分 2 被控量 一般情况 一个控制系统的控制目的 例如 在图4 19和图4 20中的离心调节器和人的大脑 例如 发动机的转速和飞镖的落点 3 被控对象 在速度控制的例子中 是通过对发动机的控制实现的 而在投掷飞镖的例子中 是通过对飞镖控制实现的 发动机和飞镖就是这两个系统的被控对象 4 执行器 将控制器的信号转换成能影响被控对象的信号的装置 例如 刚才的

7、两个例子中的控制阀和人的肢体 5 控制量 能对控制被控对象产生作用 从而使被控量发生变化的量 p116 28 28 实例可注在书上相应位置p110 29 29 二 控制系统的框图表示 将图4 19和图4 20用更具一般性的方式表示为 30 加热炉的温度自动控制系统 加热炉的温度自动控制系统是闭环控制系统 控制系统有控制器 执行器 被控对象和检测器等组成 被控对象 加热炉 被控量 炉内温度 执行器 炉内的加热器 控制器 一种电子或微机控制装置 它根据输入给定值与检测反馈值的比较信号控制执行器的动作 检测器 热电偶 具有检测和传感的作用 它将信号返回到输入端 构成反馈环节 30 案例分析1 31

8、炉温的调节过程 温度检测装置测出加热炉内的温度 并随时与给定的温度值进行比较 若加热炉内的温度高于给定的温度 则通过控制器调整调压器的电压 使通过电阻丝的电流减小 加热炉的温度下降 若加热炉内的温度低于给定的温度 则通过控制器调整调压器的电压 使通过电阻丝的电流增大 炉内温度上升 并维持在正常值的范围内 从而使加热炉的温度基本稳定在给定的温度值上 31 32 32 开环控制 举例1 开关灯的亮与不亮 一个输入信号 手拔开关 对应着一个输出信号 灯亮 33 33 开环控制系统特征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 34 34 连杆机构 阀门 水箱 浮子 反馈环节 输入

9、 输出 实际水位 设定水位 闭环控制 举例2 抽水马桶中的水位控制 35 35 水位的两种控制方式 方式 环节 传感器 人眼 浮子 控制器 人脑和手 连杆机构 执行器 阀门 阀门 对象 水箱 水箱 36 36 解决 闭环控制系统 相关问题 实例 鹰发现猎物后 马上用眼睛估计它与猎物相距的距离和猎物的方位 并向猎物飞行去 在飞行的过程中 鹰的眼睛不断测出自己与猎物的差距 大脑不断作出判断 通过调整翅和尾的飞行状态 以缩小差距 使自己的位置越来越接近猎物 直到捕获到它为止 这一过程就是鹰的飞行控制过程 是闭环控制过程 37 37 过程分析 反馈环节 38 38 闭环控制系统的特征在系统的输入量和输

10、出量之间 还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节 它们形成了一条闭合回路 反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响 39 39 闭环系统与开环控制系统对比 可记在书上 1 闭环控制系统有反馈2 开环控制系统信号单向传递 40 40 40 第三节简单控制系统的设计 一 控制系统的设计概念p119 控制系统设计是工程设计的一个特例 所以我们在前面学习的设计基本原则仍然适用 第一步 确定控制的目的 例如速度控制系统时为了达到一个理想的速度 温度控制系统是为了获得一个合适的温度等 第二步 确定系统的被控量 即控制系统要控制什么 一般情况系统的控制目的就是这个系统的被控量 如速度控制系统的被控量

11、就是速度 41 41 41 第三步 拟定设计规范 一明确系统被控量应达到的精度指标 如速度要多快 温度要多高 允许的误差时多少等 第四步 选定控制系统的结构 我们知道控制系统有开环和闭环之分 系统的指标 如控制的精度 造价等 将指导我们选择控制系统的类型及闭环控制系统中对反馈环节的要求 系统的执行器一般在这时选定 被控对象确定后 就应该选择能有效调节被控对象工作的装置作为执行器 第五步 建立系统各环节的模型 大型 复杂控制系统的分析和仿真都依赖于模型的建立 42 42 42 第六步 确定待调参数 不管时对模型进行仿真还是进行系统实际实验 我们都要指出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时观

12、察 调整的对象 通过对它们的调整 使系统达到最佳的性能 最后一步 分析 实验系统的性能 如果通过调节待调参数系统达到了期望的性能 设计工作就告结束 否则 就要修改设计 包括改进系统结构甚至放宽指标要求等 43 43 43 控制系统设计的基本过程 确定控制目的 确定被控量 拟定控制要求 设计指标 确定系统结构 建立控制器 被控对象 执行机构和反馈环节的模型 确定待调参数 分析 实验系统性能 若满足规范要求 设计工作结束 若性能不能满足设计规范要求 重新确定系统结构 部件性能等指标 44 44 44 二 设计实例 一 明确设计目的 在很多大型运动场的周边 我们会经常看到会定时翻转的广告牌 如图4

13、27 现在 来设计一个会翻转的广告牌 45 二 确定被控量及设计指标 三 确定系统结构 45 46 四 选择实现方法 46 47 五 部件模型及主要参数的确定 六 验证 完成你的设计 应尽可能做到 1 用计算机绘制各部分的原理及安装图 2 设计系统制作的工作流程 3 协同工作 共同完成整个设计 47 48 七 评估你的设计 当你完成设计后 它是否达到了你的预期目的 你可能要从以下几个方面进行评估 1 系统是否安全 可靠 能否按设计的要求工作 2 其他人对你的设计有什么看法 3 整个系统的造价使多少 4 如果你有更多的时间 你将会对设计做哪些改进 5 为你的设计写一份使用说明书 48 49 第三

14、节简单控制系统的设计小结一 控制系统的设计概念二 控制系统的设计的过程第一步 确定控制的目的 第二步 确定系统的被控量 即控制系统要控制什么 第三步 拟定设计规范 一明确系统被控量应达到的精度指标 第四步 选定控制系统的结构 第五步 建立系统各环节的模型 第六步 确定待调参数 最后一步 分析 实验系统的性能 50 一 干扰对控制功能的影响p125 在日常生活中 干扰是时常存在的 例如 人在逆风中骑自行车 逆风对自行车的速度构成干扰 要保持速度不变 人就需要用力蹬车 以克服这一干扰 自行车 风 应保持的速度 行车速度 第四节控制中的干扰 50 51 在控制系统中 除输入量 给定值 以外 引起被控

15、量变化的各种因素成为干扰因素 有的干扰因素是由于环境造成的 如影响自行车行驶速度的变化的自然风 雨水等 有的干扰因素是人为原因所致 如影响飞机导航信号的手机信号等 51 要点 系统行为 被控量量值变化 引起变化的各种因素 52 控制系统中 干扰因素可能有一个 也可能有若干个 如战士在大风大雨中进行射击练习 风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素 控制系统在工作过程中必须克服干扰 使被控量稳定 空调器的温度控制系统是闭环控制系统 它能克服室外温度变化这一干扰 当室外温度升高时 空调器监测出干扰引起的室内温度变化 通过启动压缩机降温来克服这一干扰 使室温保持稳定 52 53 53 在大海中航行的轮船

16、由于波浪的影响会产生晃动 如图4 44 据资料介绍 如果不采取措施 即使在正常的海浪下 摇晃的幅度也可高达18 波浪的影响就是作用在船上的干扰 轧钢厂的轧辊机的速度控制系统 如图4 45所示 当钢板通过轧辊机时 将产生巨大的负载变化或干扰 使轧辊的速度变慢 54 思考 在下表所列控制系统中 可能存在哪些干扰因素 载人的多少 摩擦力 重物的质量 外界温度 54 55 电视机有时在正常工作时 突然出现图像闪烁厉害或画面紊乱等情况 这是由于它受到外界磁场干扰所导致的现象 如果在电视机周围放置一台电冰箱 当电冰箱启动工作时 会形成一定范围的磁场 将对电视机的图像造成干扰 使其画面紊乱 又如 空调器在工作时也会向周围空间发射大量的电磁波 如果电视机与空调器的距离很近 电磁波将对电视机图像造成干扰 此外 电风扇 日光灯等电器也会对电视机产生不同程度的磁场干扰 从而导致电视机的图像出现抖动 波纹等现象 案例分析 电视机最忌磁场干扰 这些近距离的家用电器所形成的磁场 就是电视机正常工作时的干扰因素 克服这些干扰因素的办法就是将家用电器远离电视机放置 55 56 在一般控制系统中 干扰因素是需要克服的