控制与设计.docx

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控制与设计

控制与设计

　　[知识要点]

　　一、控制的含义

　　人们根据自己的目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。

这里的手段就是控制技术。

现代控制技术是指自动控制技术。

自动控制是科学和技术的一个重要分支。

自动控制系统能在无人直接参与的情形下运行，并承担人的某些职能。

　　二、控制的意义

　　控制技术的广泛应用，提高了产品质量，降低了生产成本，增长了劳动生产率，使人们从繁重或危险的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。

　　三、控制系统典型案例分析

　　.自动门

　　系统组成

　　①门

　　②电动机

　　③控制器

　　④传感器

　　工作过程

　　当有人到达门前某一距离（如1米）时，传感器感知，并发出“有人”的信号；

　　控制器接到传感器传来的信号后，经变换放大后传给电动机（这里的电动机叫做执行器，也称为驱动器）；

　　电动机根据传来的开门信号转动，门被打开（这里的门叫做被控对象，也称为控制对象，简称对象）；

　　控制器保持开门信号延时（如10s）后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。

　　2.水箱水位控制

　　控制方式

　　①人工控制

　　②自动控制

　　系统组成

　　①人工控制：

水箱、进水阀门。

　　②自动控制：

水箱、阀门、连杆机构、浮子。

　　工作过程

　　①人工控制：

当水面低于设定水位时，人打开阀门放水人水箱，人眼监视水面高度。

当水面达到设定的水位时，人关闭阀门。

　　②自动控制：

当水面低于设定水位时，浮子下落，阀门打开，进水；浮子监测水面高度，并随着水面升高而浮升。

当水面达到设定的水位时，浮子传感，通过连杆机构，将阀门关闭。

　　当水位差（给定水位与实际水位之差）不为零时，此信号经连杆机构使阀门打开，放水入水箱；同时，浮子将实际水位的信号反传给比较环节，从而形成水位差信号。

当水位差为零时，阀门将关闭，不再进水。

　　四、开环控制与闭环控制

　　.含义

　　案例中，信息流经一个闭合环路，这类系统称为闭环控制系统。

闭环控制系统中，将输出信息反传给比较环节的做法，称为反馈。

而另一案例中，没有反馈，也就不存在闭环，这类系统称为开环控制系统。

　　2.比较

　　种类

　　构成

　　本质

　　精度

　　抗干扰

　　输出量对输入的影响

　　开环控制

　　无反馈

　　前向通道

　　低

　　弱

　　无

　　闭环控制

　　有反馈

　　前向通道反馈通道

　　高

　　强

　　有

　　五、控制系统的基本组成与工作过程

　　.控制系统的基本组成

　　简单的控制系统由被控对象和控制装置两部分组成，。

控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节与比较环节。

　　2.闭环控制系统的工作过程

　　对于闭环控制系统来说，输人信号和反馈环节传回来的反馈信号相比较，产生偏差信号,控制器根据偏差信号的大小和极性（正或负），产生控制作用，传给执行器,执行器将此信号放大、变换后，传到被控对象上,被控对象受执行器传来的信号（称为控制信号）的驱动，产生输出信号；同时，反馈环节又将感知到的被控对象的输出信号，经变换后产生反馈信号。

　　六、控制系统框图

　　.绘制框图的方法

　　①按下面的顺序确定系统各个环节：

a——被控对象，b——执行器，c——控制器，d—一反馈环节（对闭环系统而言，以下同）

　　②确定被控量（输出量）、控制量、输入量、反馈量和偏差量。

　　③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向与过程。

　　④加上比较环节，闭环。

　　有时，将控制器与执行器一起总称为广义控制器。

　　2.绘制的技巧

　　自右往左画：

先画被控对象，再画执行器，接着画控制器、反馈环节，最后画○ⅹ,连线闭环，并标注各量。

　　3.闭环控制系统框图格式

　　七、与控制有关的几个概念

　　二、控制系统框图中的通道与环节的作用

　　.通道

　　框图中，信息流经的路径叫做通道。

对于闭环控制系统来说，有两类基本通道，即前向通道和反馈通道。

　　前向通道，信息流自系统输入量，经比较环节、控制器、执行器，直至被控对象。

　　反馈通道，信息流采自被控环节的输出量，流经反馈环节，再反馈到系统的输入端（比较环节）。

　　2.环节及其作用

　　传感器：

也称敏感器。

实质上是一个监测元件。

其功能与反射弧中的感受器类似。

　　控制器：

产生控制器输出信号并传送给下一个环节。

而且还要起到信号的变换与放大作用。

其功能与反射弧中的神经中枢类似。

　　执行器：

是控制器输出信号的执行机构，也称执行元件。

电动机，是常用的执行器之一。

它根据控制器的输出信号产生旋转运动，从而驱动控制对象作相应运动。

执行器也可称为驱动器。

其功能与反射弧中的效应器类似

　　比较环节，它根据输人量与反馈量的大小与极性，产生偏差，再传给控制器。

　　3.干扰因素与干扰作用

　　外界环境的变化会对控制系统的运行带来影响。

这种外界环境的变化叫做干扰因素，干扰因素通常标注在框图中的被控对象上。

这类影响叫做干扰作用。

　　一个控制系统的干扰因素不止一个，所有的控制系统的工作运行，都会受到干扰因素的影响。

干扰因素对控制系统的影响，有时是破坏性的，甚至是致命的。

例如，过高或过低的环境温度，可以使人生病，甚至死亡；过于恶劣的气候条件会威胁飞机的飞行安全。

　　4.干扰与抗干扰性

　　干扰

　　控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。

　　抗干扰性

　　如果一个控制系统能够很好地避开或抑制干扰，使干扰对系统产生的影响很小，我们就说这个系统抗干扰性强。

　　[典型例题分析]

　　1.小强用恒温箱进行实验时，发现恒温箱的温度持续升高，无法自动控制。

经检查，恒温箱的控制器没有故障。

参照右图，下列故障判断正确的是

　　A.只可能是热敏电阻出现故障

　　B.只可能是温度设定装置出现故障

　　c.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障

　　D.可能是加热器出现故障

　　解答：

此题旨在考查简单控制系统的设计与分析。

答案：

c

　　2.某办公楼大厅采用自然光照明，控制系统如下图，大阳光经过反光镜反射到反光球面镜上，反光球面镜再将光线反射到大厅，从而达到采集自然光的目的。

当大阳移动后，光线到达反光球面镜的位置也随之发生偏移，相应的传感器就会受到光照产生电信号，控制器根据不同传感器送来的信号控制反光镜作相应的调整。

　　该系统是开环控制系统还是闭环控制系统？

　　该系统中，被控对象是_____________。

　　控制器与人体哪个器官的功能是类似的？

　　请再写出两种利用太阳能的产品。

　　解答：

判定是开环控制或闭环控制，主要看其工作过程中有无反馈，或输出量对控制有无影响。

依题意可知该系统为闭环控制系统。

　　依题干可知被控对象是反光镜

　　大脑

　　太阳能热水器、太阳能电池、太阳能飞机、太阳能路灯等

　　[探究互动]

　　一、选择题

　　.下列控制系统中，属于开环控制系统的是

　　A.电冰箱的温度控制

　　B.高级笔记本电脑里风扇的转速控制

　　c.现代化农业温室的温度控制

　　D.红绿灯定时控制系统

　　2.按时间顺序进行控制的“交通路口红绿灯控制系统”，系统中被控对象是

　　A.控制电路

　　B.红绿灯

　　c.开关装置

　　D.路面车辆

　　3.下列属于闭环控制的是

　　A.电灯

　　B.电视机

　　c.电风扇

　　D.空调机

　　4.在电冰箱的温度控制系统中，下列情况不属于影响其温度控制的干扰因素

　　A.开电冰箱门

　　B.电冰箱所在房间的温度从20摄氏度变到32摄氏度

　　c.热菜或热饭放入电冰箱中

　　D.在电冰箱外放一盆冷水

　　5.在公共楼道里，常安装声控灯，既方便，又节电。

从控制系统方面来分析，声控灯是

　　A.闭环控制系统

　　B.开环控制系统

　　c.声音控制系统

　　D.循环控制系统

　　6.电冰箱能够将温度控制在一定范围内，从而保持蔬菜新鲜。

电冰箱所采用的设计思想是

　　A.没有反馈信息的控制

　　B.有反馈信息的控制

　　c.系统设计流程化

　　D.系统设计结构化

　　7.“长征”火箭能把各种卫星准确送入太空轨道，“神舟”飞船能准确地返回地面，这些高技术成果的核心技术之一是

　　A.抗干扰技术

　　B.流程设计技术

　　c.控制技术

　　D.系统优化技术

　　8.使用电饭煲能方便地蒸出香喷喷的米饭而不糊锅。

电饭煲的设计思想采用了

　　A.开环控制

　　B.闭环控制

　　c.结构设计

　　D.实用设计

　　9.进入阅卷机的答题卡如果破损或被污染了（特别是黑白相间的“同步框”区域），或者被折叠了，阅卷机会自动停止，同时微机屏幕上显示有关的提示。

这属于

　　A.开环控制

　　B.闭环控制

　　c.分支控制

　　D.顺序控制

　　0.现代技术大多是自动控制的，“鹰眼”导弹能自动寻找目标，识别目标，分析这个过程，其控制的对象是

　　A.操作员

　　B.导弹

　　c.弹头

　　D.目标

　　1.卫生间的抽水箱，当放水冲刷时，水箱水位下降，浮球也随之下沉，这时与浮球以杠杆相连接的活塞式进水阀门打开，开始注水。

水位升高，浮球上升，进水阀门逐渐关小，浮球升到一定位置，进水停止。

这种控制系统是

　　A.闭环控制系统

　　B.开环控制系统

　　c.浮球控制系统

　　D.活塞控制系统

　　2.下面控制系统中，属于闭环控制系统的是

　　A.电风扇机械定时开关控制系统

　　B.电子门铃控制系统

　　c.加热炉温自动控制系统

　　D.自动门

　　3.新型电热水壶水开自动断电的工作原理为：

装水后接通电源，发热器对水进行加热，当水沸腾时，产生的蒸汽冲击开关的双金属片，使其受热膨胀变形，弹开开关触点，断开电源。

该控制系统中的控制器是

　　A.开始通电时的手动开关

　　B.用于水干时断电的防干烧温控器

　　c.由双金属片等组成的蒸汽开关

　　D.由电热管组成的发热器

　　4.用电视遥控器选台属于

　　A.人工控制

　　B.自动控制

　　c.气动控制

　　D.液压控制

　　5.控制系统中属于自动控制系统的是

　　A.按钮开关控制

　　B.普通自来水龙头

　　c.花房恒温控制

　　D.汽车驾驶

　　二、填空题

　　.下列生活中的控制系统各属于什么类型？

请将序号填入相应的空格

　　①声控灯

　　②电铃

　　③电饭煲

　　④饮水机

　　⑤空调

　　⑥冰箱

　　开环控制系统有

　　闭环控制系统有

　　2.“嫦娥一号”卫星在运行过程中，太阳能帆板和天线都要不停地调整方向，为的是精确地对着太阳和地球，它们的控制系统都属于

　　环控制系统。

　　3.根据消防要求，仓库、图书馆、轮船甚至家庭等处，都需要安装火灾自动报警控制系统，如发生火灾，控制系统就能检测到室内浓烈的烟雾，从而报警，请将下列火灾自动报警控制系统的控制过程框图补充完整。

　　烟雾→感应控制器→

　　→报警器→

　　4.老鹰抓兔子时，老鹰的控制系统主要由眼睛、大脑和翅膀三部分组成。

老鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意自己的位置，并把二者作一比较。

比较后的信号代表老鹰的位置与兔子的位置的差距，这种差距信号传递到大脑，大脑接收这种信号后，经过处理，变换相应的控制信号，指挥翅膀改变鹰的俯冲度及方向，一直到逮到兔子。

老鹰的控制系统是

　　（开环/闭环）控制系统。

该系统中，控制器是

　　。

该控制系统要达到跟踪的目的，须建立反馈机制，该机制中的反馈环节是

　　。

　　5.控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并进行比较的过程，就是

　　。

　　6.在水箱水位自动控制系统中，其连杆机构、阀门、水箱等结构从功能上看，分别属于控制系统