第四单元 控制及其设计（知识清单）通用技术苏教版2019必修2

第四单元 控制及其设计 4.1控制的方式与应用 （一）理解控制的含义 事物的发展与变化具有多样性。事物的发展结果可能是人们预先期望的，也可能与预期的目标不相符，甚至是人们不希望看到的。 如果人们想达到某一特定目的，就必须借助适当的手段来实现。 1、控制的概念 人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。 控制三要素：控制的对象、控制的目的、控制的手段。 例如，给盆栽植物补水的控制，控制的目的是使接水盘中的水维持在一定的量，控制对象是接水盘，控制手段是根据进气管口与水面的相对位置决定出水管的出水。 控制需要通过一定的方式或手段来实现。 2、控制的分类 从控制过程中人工干预的情形来分，控制可分为人工控制和自动控制。 人工控制：人们对事物的控制采取人工控制（又称手动控制）的方式，控制的过程是在人的直接干预或全程干预下进行的。 自动控制：自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地朝着期望的方向进行。按照控制信号流和执行部件的不同，自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、机械控制、电子控制等。 智能控制：智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式，它能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。智能控制主要用于解决复杂系统的控制问题。 随着技术的不断发展，在很多控制现象中，控制的方式是多样、综合的。 （二）感知控制的应用 控制在生活中应用广泛。人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足自身的需要。 例如：银行的自动取款机、红外线自动水龙头…… 生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及工件加工动作等进行控制，控制在生产中得到了极为广泛的应用。 例如：汽车自动装配生产线、农田节水灌溉控制系统…… 控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。 例如：精密制导武器、火箭能将人造卫星准确送入太空预定轨道、“神舟”飞船遨游太空并准确返回地面…… 4.2开环控制系统的工作过程 （一）理解控制系统 报警控制装置中，水位是该控制装置的输入，通过水位传感器将信息传送到控制器；当水位达到报警值时，控制器输出信号到报警器，发出声光报警。这样一个系统称为控制系统。 控制系统：任何控制都要通过若干个环节来实现，这些环节所涉及的装置构成了一个系统，称为控制系统。控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。 （二）分析开环控制系统工作过程 1、定时浇水系统方框图 将时间设定到定时浇水控制系统的定时器中，到了设定时间就自动接通水泵，开始往水管里抽水，通过调节定时器通电时长，控制滴到植物土壤中的水量。 定时器设定的时间是输入量，水管的出水量是输出量。 在控制系统中，为了方便分析，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。 2、开环控制系统 开环控制系统：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。 输入量即控制系统的给定量，如设定时间； 输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如浇灌的水量； 被控对象即控制系统中所要求控制的装置或生产过程，如出水管； 执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如阀门； 控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路； 控制量即执行器的输出信号，如流过水管的水量。 开环控制系统在日常生活中的用途很广。例如红外线自动水龙头控制系统。 音乐喷泉的控制系统。 4.3闭环控制系统的工作过程 （一）解析闭环控制系统工作过程 在土壤湿度控制系统中，输入信号是设定的土壤湿度。湿度传感器检测到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），与给定湿度值作比较。当实际湿度比设定湿度低时，控制器控制电磁阀打开，给植物浇水；当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出信号关闭电磁阀，停止浇水。 该浇水自动控制系统的方框图如所示： 闭环控制系统：我们把系统的输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。 检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端；⊗ 是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值； 控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令； 执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在给定的范围内。 与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道。 （二）辨析反馈在控制系统中的作用 1、反馈 在自动控制系统中，将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。 利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行。 在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺少的形式。 2、干扰因素 在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。 有的干扰因素是环境造成的，如冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电；有的干扰因素是人为原因所致，如当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中等。 在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。 对于大多数控制系统，在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。 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。 3、闭环控制系统与开环控制系统的比较 开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。也就是说，由于某种干扰信号的作用，使输出信号出现非正常状态时，开环控制系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工，而闭环控制系统则不然。所以，对于同一个控制问题，开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭环控制系统。 4、黑箱方法 在生活中，有时我们需要认识的对象内部无法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能。人们没有打开物体直接观看内部结构，而是通过观察外部形态或做试验等方法来认识事物。 黑箱方法：这种把将要研究的系统作为“黑箱”，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。 黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。 4.4控制系统的设计与实施 （一）探究控制系统的设计要素 1、设计要素 设计一个控制系统——应该明确这个系统要达到的目的是什么；所要控制的对象是什么；被控对象有哪些重要的特性；被控量和控制量分别是什么；外界的主要干扰因素有哪些；选择怎样的设计方案既能达到目的，又经济、易于实现；如何选择设备和元件；……。 设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式。被控量和控制量的确定是控制方案的关键。对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量。控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量。一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。执行器、检测器的选择一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。总之，能达到控制的目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本，减少对环境的负面影响等，是进行控制系统设计必须考虑的基本问题。 控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书等。 2、开环控制系统的设计 开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求、被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。 （二）设计与实施雨水收集池水位控制系统 闭环控制系统的设计 闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求： 第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。 第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许范围之内。 第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。 1 / 6 学科网（北京）股份有限公司 $