第九講《控制與設計》的知識點
學習目標：
1.理解控制的含義，瞭解控制的手段，理解控制在生活中的應用。
2.熟悉簡單的開環控制系統的基本組成和簡單的工作過程；能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器的作用。
3.熟悉閉環控制系統中的反饋環節的作用和閉環控制系統的工作過程，找出主要的干擾因素並分析，瞭解功能模擬方案和黑箱方法在控制系統中的應用。
4.瞭解簡單的被控物件的基本特徵，能確定被控量、控制量、畫出控制系統的方框圖。
學習重點、難點：
控制的手段；開環控制系統和閉環控制系統的流程圖；閉環控制系統的工作過程及干擾。
學習過程：
一、控制的手段與應用
1.控制的手段
⑴控制的含義：案例分析：大禹治水P96
人們按照自己的意願或目的，透過一定的手段，使事物向期望的目標發展，這就是控制。
理解任何控制現象，都要明確控制的物件是什麼，控制要達到什麼目的和採取什麼控制手段。
例如：人力三輪車轉彎過程中的方向控制問題，其控制的物件就是人力三輪車，控制的目的是為了改變三輪車行駛的方向，控制的手段是騎車人透過雙手轉動車把，改變前輪的方向並帶動後輪。
⑵控制的手段：控制的實現需要透過一定的手段。
從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。
人工控制是在人的直接干預和全程干預下進行的。人工控制又稱手動控制。
自動控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。按執行部件的不同，控制可分為機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。
案例分析：從手搖扇到空調器P98
2.控制的應用
控制應用到生活中，提高了人們的生活質量，人類能夠在一定程度上按照自己的意願改變周圍的環境，使之滿足人們的需要。生產中往往需要對溫度、溼度、壓力、速度及加工動作等進行控制，控制在生產中得到了極為廣泛的應用。控制在軍事、國防等領域也有著廣泛的應用。
二、控制系統的工作過程與方式
1.控制系統
案例分析：腳踏車行駛的速度控制的實現P102
案例分析：電風扇的風速控制的實現P102
任何一種控制的實現，都要透過若干個環節，這些環節構成一個系統，我們稱之為控制系統。一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出，控制系統的輸入輸出之間有一定的對應關係。
控制系統一般分為開環控制系統和閉環控制系統。
2.開環控制系統
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統為開環控制系統。
開環控制系統在日常生活中用途很廣。如十字路口的紅綠燈定時控制系統、樓宇的防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統等。
案例分析：自動門的控制系統P103
在控制系統中，為了分析的方便，常採用方框來表示系統的環節，用單向訊號線來表示系統訊號傳遞的方向，這種圖稱為控制系統的方框圖，它表示了系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關係。對於開環控制系統，通常可以用下面的方框圖來描述：
案例分析：水泵抽水控制系統P104
3.閉環控制系統
系統的輸出量返回到輸入端並對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。
簡單閉環控制系統的方框圖如下：
與開環控制系統相比，閉環控制系統多了一個由檢測裝置組成的環節。
三、閉環控制系統的干擾與反饋
1.干擾因素
在控制系統中，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。
有的干擾因素是環境造成的，如影響腳踏車行駛速度的變化的自然風等；
有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航訊號的手機訊號等。
在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。控制系統在工作中必須克服干擾，使被控量穩定。
案例分析：電視機P109
有些情況可以利用干擾因素實現某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的資訊指揮系統進行干擾，使之不能正常工作。
2.反饋
（1）反饋：
控制系統中，將輸出量透過適當的檢測裝置返回到輸入並與輸入量進行比較的過程，就是反饋。
案例分析：投籃 P110
利用反饋來分析和處理被控制物件，透過系統的書出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運用的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動電水壺具有擋水沸騰時自動切斷電源的功能，終究是運用反饋方法實現自動控制的結果。
(2) 閉環控制系統的工作過程
從反饋來看，閉環控制系統就是指在系統的輸出端與輸入端之間存在反饋問題，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。閉環控制系統的核心是透過反饋來減少被控制量（輸出量）的偏差。
一個閉環控制系統，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控制系統P112 加熱爐的溫度自動控制系統P113
（3）閉環控制系統與開環控制系統的比較
開環控制系統一般結構簡單，適用於控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合。
閉環控制系統設計比較麻煩，結構相對複雜，構成控制系統的成本較高。閉環控制系統是自動控制中廣泛採用的一種方式，用於要求高精度和高可靠性的場合。
3.功能模擬方法：以功能和行為的相似性為基礎，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：把將要研究的系統作為黑箱，透過對系統輸入與輸出關係的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必開啟黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。例如，透過輸入影象、電或聲音訊號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺資訊的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節，就是黑箱方法的運用。
四、控制系統的設計與實施
1.控制系統設計的一般思路
設計好一個控制系統，應該明確這個系統要達到的目的是什麼，所要控制的物件是什麼，被控制物件有哪些重要的特性，被控量和控制量分別是什麼，外界的主要干擾因素有哪些，選擇怎樣的設計方案既能達到目的，又能經濟、易於實現，如何選擇裝置和元件，等等。
設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達到控制目的，採用易於實現的控制方式，降低控制成本、減少對環境的負面影響等，是我們進行控制系統設計必須考慮的基本問題。
控制系統的設計方案，還包括畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統結構設計）和實施圖紙、撰寫說明書等。
（1）開環控制系統的設計
在明確設計要求，明確被控物件、被控量和控制量後，即可考慮具體控制系統的方案。例如：普通電風扇控制系統的設計，被控物件是電風扇，被控量是電風扇輸出的風速，控制量是電機的轉速；若是具有定時功能的電風扇控制系統的設計，則需在開關環節加一個定時器。
案例分析：電吹風控制系統的設計 P119
設計要求：電吹風能根據不同的擋位（如冷風擋檔、熱風擋）輸出不同種類的風。
設計分析：電吹風控制系統的被控物件是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。
電吹風的控制工作過程：電吹風是要將其內部電熱絲的熱量透過一個小電風扇擴散出去。
方案構思：選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源後，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風透過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。
確定了電吹風控制系統的設計方案後，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、除錯。
（2）閉環控制系統的設計
簡單的.閉環控制系統，基本要求：
第一，一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
第二，控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的範圍之內。
第三，閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計P120
設計專案：抽水馬桶水箱的自動控制系統
設計要求：⒈當水箱中的水位低於達到某一指定高度時，進水口立即進水。
⒉當水箱的水位達到某一指定高度時，進水口立即停進水。
⒊控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別的要求。
設計分析：⒈從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
⒉被控物件是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線性關係。
⒊主要干擾因素是水箱的出水流量。
方案構思：採用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低於水箱的某一高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際水位高度之差），這個訊號透過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥開啟，從而水箱進水；當水箱的水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關閉。
水箱水位的控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥開啟，水箱沖水，與此同時，進水閥開啟，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
2.控制系統的設計與實施方案
案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設計P121
本單元小結：
事物發展具有多種可能性。人們根據自己的目的，透過一定的手段使事物沿著某一確定方向發展，就形成了控制。人類的控制現象自古就有，隨著科學技術的發展進步，自動控制得以迅速發展。控制的手段多種多樣，控制廣泛應用於人們的生產生活中。
開環控制系統是指輸出量不對系統的控制產生任何影響的控制系統。閉環控制系統是指在系統的輸出端與輸入端之間存在反饋迴路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。控制系統的工作過程通常可以用方框圖來表示。
在控制系統中，除輸入量以外引起被控量變化的各種因素，就是干擾因素。反饋是閉環控制系統的重要特徵，體現了一定的思想方法，有著廣泛的應用。此外，功能模擬方法、黑箱方法在控制系統設計以及日常生活中也有著廣泛的應用。
設計一個控制系統，要明確控制目的、控制物件是什麼，要弄清干擾因素以及被控量、控制量，選擇經濟、易於實現的手段來實現。