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1、123第四章第四章 控制与设计控制与设计第三节第三节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计45 5 5第三节第三节 简单控制系统的设计简单控制系统的设计一、控制系统的设计概念一、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，所以我们控制系统设计是工程设计的一个特例，所以我们控制系统设计是工程设计的一个特例，所以我们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。在前面学习的设计基本原则仍然适用。在前面学习的设计基本原则仍然适用。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。第一步：确定控制的目的。第一步：确定控制的目的。第一步：确定控制的目
2、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？第二步：确定系统的被控量，即控制系统要控制什么？第二步：确定系统的被控量，即控制系统要控制什么？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就是速度。制系统的被控量就是速度。56 6 6第三步：拟定设计规范，以明确系统被控量应第三步：拟定设计规范，以明确系统被控
3、量应达到的精度指标。达到的精度指标。如速度要多快、温度要多高，允许的误差是多少如速度要多快、温度要多高，允许的误差是多少等。等。第四步：选定控制系统的结构。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、造价等如控制的精度、造价等）将指导我们选择控制系统的）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。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。系统的执行器一般在这时选定。系统的执行器一般在这时选定。系统的执行器一般在这时选定。被控对象确定后，就被控对象确定后，就应该选
4、择能有效调节被控对象工作的装置作为执行器。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。第五步：建立系统各环节的模型。第五步：建立系统各环节的模型。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大型、复杂控制系统的分析和仿真都依赖于模型的大型、复杂控制系统的分析和仿真都依赖于模型的大型、复杂控制系统的分析和仿真都依赖于模型的建立。建立。建立。建立。67 7 7第六步：确定待调参数。第六步：确定待调参数。 不管是对模型进行仿真还是进行系统实际实不管是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验，我们都要指
5、出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时观察、调整的对象，通过数作为仿真或实验时观察、调整的对象，通过对它们的调整，使系统达到最佳的性能。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。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，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。包括改进系统结构甚至放宽指标要求等。78 8 8 控制系统设计的基本过程：控制系统设计的基本过程：确定控制目的确定控制目的确定控制目的确定控制目的确定被控量确定
6、被控量确定被控量确定被控量拟定控制要求拟定控制要求拟定控制要求拟定控制要求（设计指标）（设计指标）（设计指标）（设计指标）确定系统结构确定系统结构确定系统结构确定系统结构建立控制器、被控对象、执行机构和反建立控制器、被控对象、执行机构和反建立控制器、被控对象、执行机构和反建立控制器、被控对象、执行机构和反馈环节的模型馈环节的模型馈环节的模型馈环节的模型确定待调参数确定待调参数确定待调参数确定待调参数分析、实验系统性能分析、实验系统性能分析、实验系统性能分析、实验系统性能若满足规范要求，设计工若满足规范要求，设计工若满足规范要求，设计工若满足规范要求，设计工作结束。作结束。作结束。作结束。若性能
7、不能满若性能不能满若性能不能满若性能不能满足设计规范要足设计规范要足设计规范要足设计规范要求，重新确定求，重新确定求，重新确定求，重新确定系统结构、部系统结构、部系统结构、部系统结构、部件性能等指标件性能等指标件性能等指标件性能等指标89 9 9二、设计实例二、设计实例（一）明确设计目的（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（如图会定时翻转的广告牌（如图4-27）。现在，来）。现在，来设计一个会翻转的广告牌设计一个会翻转的广告牌。910（二）确定被控量及设计指标（二）确定被控量及设计指标（三）确定系统结构（三）确定系统
8、结构101011（四）选择实现方法（四）选择实现方法111112（五）部件模型及主要参数的确定（五）部件模型及主要参数的确定（六）验证、完成你的设计（六）验证、完成你的设计应尽可能做到：应尽可能做到：（1）用计算机绘制各部分的原理）用计算机绘制各部分的原理及安装图。及安装图。（2）设计系统制作的工作流程。）设计系统制作的工作流程。（3）协同工作，共同完成整个设计。）协同工作，共同完成整个设计。121213（七）评估你的设计（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，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：你可能要从以下几个方面进行评估：1、系
9、统是否安全、可靠？能否按设计的要求工作？、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？、其他人对你的设计有什么看法？3、整个系统的造价是多少？、整个系统的造价是多少？4、如果你有更多的时间，你将会对设计做哪些改进？、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。、为你的设计写一份使用说明书。131314第第三节三节控制系统的设计的过程控制系统的设计的过程 小结：小结：一、控制系统的设计概念。一、控制系统的设计概念。一、控制系统的设计概念。一、控制系统的设计概念。 二二二二 、 控制系统的设计的过程。控制系统的设计的过程。控制系统的设计
10、的过程。控制系统的设计的过程。 第一步：确定控制的目的。第一步：确定控制的目的。第一步：确定控制的目的。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？第二步：确定系统的被控量，即控制系统要控制什么？第二步：确定系统的被控量，即控制系统要控制什么？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。第四步：选定控制系统的
11、结构。第四步：选定控制系统的结构。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。第五步：建立系统各环节的模型。第五步：建立系统各环节的模型。第五步：建立系统各环节的模型。 第六步：确定待调参数。第六步：确定待调参数。第六步：确定待调参数。第六步：确定待调参数。 最后一步：分析、实验系统的性能。最后一步：分析、实验系统的性能。最后一步：分析、实验系统的性能。最后一步：分析、实验系统的性能。1415一、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
12、，人就需要车，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，以克服这一干扰用力蹬车，以克服这一干扰.自行车自行车风风应保持的速度应保持的速度行车速度行车速度第四节第四节 控制中的干扰控制中的干扰151516在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素成为干扰因素起被控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；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有的干扰因素是人为原因所致，
13、如影响飞机导航信号的手机信号等。机信号等。16要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。1617 控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战控制系统中，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。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。空调器控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。
14、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，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。通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。17171818 在大海中航行的轮船，由于波浪的影响会产生晃动在大海中航行的轮船，由于波浪的影响会产生晃动（如图（如图4-44）。据资料介绍，如果不采取措施，即使在）。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正常的海浪下，摇晃的幅度也可高达
15、18 。波浪的影响。波浪的影响就是作用在船上的干扰。就是作用在船上的干扰。 轧钢厂的轧辊机的速度控制系统，如图轧钢厂的轧辊机的速度控制系统，如图4-45所示，所示，当钢板通过轧辊机时，将产生巨大的负载变化或干扰，当钢板通过轧辊机时，将产生巨大的负载变化或干扰，使轧辊的速度变慢使轧辊的速度变慢。1819思考思考在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？控制系统控制系统干扰因素干扰因素自动扶梯的升降控制系统自动扶梯的升降控制系统利用滑轮组提升重物的控利用滑轮组提升重物的控制装置制装置蔬菜大棚的温度控制蔬菜大棚的温度控制载人的多少载人的多少摩擦力，重物的
16、质量摩擦力，重物的质量外界温度外界温度191920 电视机有时在正常工作时，突然出现图像闪烁厉害或画面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。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，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，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
17、与空调器的距离很近，电磁波将对电视机图像造成干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。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。就是将家用电器远离电视机
18、放置。202021 在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。而在有些情况在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方下，却可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。但在生产生活中，我们需要以谨慎、严谨的态度对能正常工作。但在生产生活中，我们需要以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。待干扰因素的利用。212122（2）举出一些由于干扰而使控制系统受到）举出一些由于干扰而使控制系统受到影响的例子。影响的例
19、子。（1）在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环）在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？答案：闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。统能不断修正控制效果。统能不断修正控制效果。统能不断修正控制效果。答案：雨天交通雨天交通雨天交通雨天交通 病毒攻击病毒攻击病毒攻击病毒攻击 手机干扰飞机手机干扰飞机手机干扰飞机手机干扰飞机恭喜答对了！恭喜答对了！222323二、克服干扰的基本方法p126 就干
20、扰的性质来说，有些干扰是可以避免的，就干扰的性质来说，有些干扰是可以避免的，而有些干扰是不可以避免的。而有些干扰是不可以避免的。例如：例如：风对飞行中的飞机、导弹的干扰是不可避风对飞行中的飞机、导弹的干扰是不可避免的。对于这类干扰，我们只能在提高控制系统免的。对于这类干扰，我们只能在提高控制系统的性能上多下功夫。的性能上多下功夫。 对于有些干扰，可以采取消除、减弱的办法。对于有些干扰，可以采取消除、减弱的办法。如在室内进行投掷飞镖活动，就可消除或减弱风如在室内进行投掷飞镖活动，就可消除或减弱风对飞镖飞行的干扰。对飞镖飞行的干扰。 一些化学反应容易受到温度变化的影响，我们一些化学反应容易受到温度
21、变化的影响，我们可以使它们在恒温环境中进行。可以使它们在恒温环境中进行。23243、提高控制系统性能、提高控制系统性能克服干扰的基本方法：就是要分析干就是要分析干扰的性质，然后对症下药。扰的性质，然后对症下药。1、消除干扰、消除干扰2、减弱干扰、减弱干扰2425第四节第四节 小结小结一一 干扰对控制功能的影响干扰对控制功能的影响二二 克服干扰的基本方法克服干扰的基本方法： 就是要分析干扰的性质，然后对症下药。就是要分析干扰的性质，然后对症下药。1 1、消除干扰、消除干扰、消除干扰、消除干扰2 2、减弱干扰、减弱干扰、减弱干扰、减弱干扰3 3、提高控制系统性能、提高控制系统性能、提高控制系统性能、提高控制系统性能本章总结见课本本章总结见课本p13125262728
