控制的手段與應用第四單元控制與設計

事物發展的結果可能是人們預先期望的，也可能是與預期的目標不相符，甚至是不希望得到的。如果人們想達到某一特定的目的，就必須運用適當的手段來實現。一、認識控制第四單元控制與設計事物的發展與變化一棵蘋果樹雨水騎自行車結不出蘋果結的蘋果又多又大結出蘋果又小又酸用來灌溉農田發電引起洪澇災害代步、省力摔跟頭撞到物體或別人病蟲害防治、果樹管理、土壤管理等等興修水利、建水電站、水源管理等等控制速度、騎車的技術、車的維護等等。第四單元控制與設計什么是控制？控制的定義：人們按照自己的意愿和目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發展，這就是控制。1、對象：控制的對象是什么？2、目的：控制要達到什么目的？3、手段：要采用什么樣的手段來控制？對控制現象理解從下面三個方面入手：第四單元控制與設計大禹治水

思考：大禹治水過程中，通過什么手段實現了什么樣的目的？第四單元控制與設計大型音樂噴泉生活中的一些控制舉例：第四單元控制與設計抽水馬桶水箱的自動控制系統第四單元控制與設計熱水器雙手轉動車把改變三輪車行駛的方向人力三輪車人力三輪車轉彎中的方向控制疏通河道，泄洪為主安息洪波、大治水患洪水大禹治水操作噴霧器的手柄給莊稼治病噴霧器用噴霧器噴灑農藥改變燃氣火頭的大小調節出水口溫度的高低燃氣熱水器溫度的控制旋鈕音量的調節音響的音量控制換檔調節速度電風扇電風扇扇葉轉速快慢的控制控制的手段控制的目的控制的對象控制事例音響第四單元控制與設計

控制的實現需要通過一定的手段。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。二、控制的手段第四單元控制與設計從人工干預的情形來分：人工控制：控制的過程是在人的直接干預下進行的。如：人工紡紗、打開普通自來水龍頭，按鍵打開電燈、駕駛汽車等；關/開門駕駛汽車第四單元控制與設計自動控制：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。如：數控機床、飲料自動裝罐生產線、花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉換等太陽能路燈自動門第四單元控制與設計機械控制氣動控制液壓控制電子控制從控制的執行部件來分：第四單元控制與設計請區分人工控制和自動控制音響的音量控制

全自動洗衣機

普通水龍頭出水的控制

電冰箱內溫度控制

自動取款機

籃球運動員投籃過程控制

自動烘干機

自動感應門的開關控制

電梯的上下運行過程控制

飛鏢的投擲過程控制

肥胖人群體形控制

聲控走廊燈的控制

紅外自動水龍頭出水控制

紅綠燈的轉換過程控制

手搖晾衣架的控制

光控路燈的控制

人工自動人工自動自動自動自動自動自動自動自動自動人工人工人工人工第四單元控制與設計控制演變人工人工控制自動控制第四單元控制與設計三、控制的應用

控制的應用自古就有，并在近代得到迅速發展，在社會生產生活的各個領域都有極其廣泛的應用。第四單元控制與設計1.控制在工業生產中的應用

控制應用到工業生產中，提高了產品的質量和生產效率，減輕了工人的勞動強度，為工人提供了安全保障。生產流水線紡織機第四單元控制與設計汽車自動裝配生產線汽車油漆第四單元控制與設計2.控制在農業生產中的應用

控制應用到農業生產中，提高了勞動效率，減輕了農民的勞動強度，使農民減少在農田里日曬雨淋的時間。聯合收割機農田灌溉第四單元控制與設計農田灌溉電源控制室水泵第四單元控制與設計農田灌溉折射式微噴射流式微噴錘式微灌實現水量的均勻噴灌，節約水資源，降低勞動強度等意義第四單元控制與設計3.控制在軍事、國防中的應用

控制應用到軍事國防中，提高了國家防備和抵抗侵略的能力，為保衛國家的主權、統一、領土完整和安全提供了必要的條件。第四單元控制與設計4.控制在日常生活中的應用

控制應用到日常生活中，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愿改變周圍的環境，使之滿足人們的要求。空調機自動取款機紅外線水龍頭……第四單元控制與設計現代網絡家電第四單元控制與設計5.控制在社會生活中的應用

控制應用到社會生活中，使整個社會能協調、健康、有序地發展。控制人口增長，提高人口素質各種法律制度交通管理……第四單元控制與設計課堂分析：下列控制現象是自動控制還是人工控制：（1）搖動轱轆，提取井水；（2）用打氣筒給自行車的輪胎充氣；（3）電梯的上下運行控制；（4）農用灌溉抽水機抽水的控制。人工控制自動控制自動控制人工控制第四單元控制與設計

二控制系統的工作過程和方式第四單元控制與設計

任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節的有機組合就構成了一個系統，稱為控制系統。

控制系統的輸出與輸入之間有一定的對應關系。第四單元控制與設計小試驗1：閉上眼睛寫“控制系統”四個字輸入量：老師的指令輸出量：所寫的字第四單元控制與設計“閉上眼睛寫字”的控制過程方框圖手大腦輸入筆輸出執行器控制器輸入量被控對象輸出量第四單元控制與設計一、控制系統自行車傳動系統由哪些部件構成？腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條、飛輪等腳踩的力（輸入）腳蹬、曲柄、鏈輪中軸、鏈條、飛輪自行車行駛的速度（輸出）第四單元控制與設計一、控制系統

電風扇的風速控制是通過改變電機的轉速來實現的。給電風扇設定風速擋位，電機就以一定的轉速帶動扇葉轉動，輸出預定的風速。風速擋位是該控制系統的輸入，扇葉轉動的風速是該控制系統的輸出，一個擋位對應著一個風速。第四單元控制與設計一、控制系統電風扇風速的檔位電機、扇葉風速輸入輸出第四單元控制與設計馬上行動（P102)：請指出下列控制系統中的輸入、輸出分別是什么？控制系統輸入輸出電風扇風速控制電飯煲脫粒機紅外線自動水龍頭調速器或擋位風扇的轉速電源的電信號鍋內的溫度電源的電信號脫粒的量人手的紅外信號水龍頭的出水量第四單元控制與設計控制系統通常又分為開環系統和閉環系統第四單元控制與設計開環控制系統

在游泳池注水控制系統中，如果進水管單位時間的水流量一定，那么游泳池水位的高度與進水的時間是一一對應的。我們就可以通過設定注水時間，使游泳池的水位達到希望的高度。將注水的時間值（假設為2小時）設定到定時器中，開啟進水閥注水，一旦時間到達，定時器就會通知進水閥門關閉，停止向游泳池注水。分析：

游泳池的水位只受設定的注水的時間控制，這里，作為輸入的設定的注水時間可以計算，稱為輸入量；作為輸出的游泳池的水位可以用水面高度這樣的量來計算，稱為輸出量。第四單元控制與設計設定注水的時間定時器進水閥門游泳池游泳池的水位輸入輸出水流量定義：

控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。開環控制系統第四單元控制與設計P103案例分析紅外裝置是否檢測到人體熱輻射發出的信號控制電路電機自動門門的開啟或關閉轉動輸入輸出第四單元控制與設計電動機聲音傳感控制器輸入量門輸出量可以識別、記憶的芯片門的開、關聲音：“芝麻芝麻，開門吧”“芝麻開門”聲控開門系統的控制方框圖

請寫出“芝麻開門”聲控開門系統的控制方框圖，有興趣的同學課后可以制作模型，把神話變成現實。第四單元控制與設計請畫出下列開環系統的方框圖1、電視搖控器的控制系統2、樓道聲控燈的控制系統3、電動車的防盜報警系統按開機按扭控制電路顯像及音頻視頻電視機電視節目影像設定聲音分貝控制電路燈泡計時器燈光時間外力強度控制電路音響裝置計時器警報器警報聲聲音第四單元控制與設計

生活中還有哪些開環控制系統？要求學生應用一般開環控制系統方框圖畫出以下控制系統的控制方框圖。公共汽車車門控制系統。紅綠燈定時控制系統。防盜報警系統。火災報警系統。音樂噴泉控制系統。鬧鐘定時控制系統。自動烘手機第四單元控制與設計二、閉環控制系統課本（P112）水箱的水位自動控制示意圖×給定水位比較器控制器進水閥門水箱檢測裝置水箱水位水流量﹢﹣第四單元控制與設計

閉環控制系統就是把系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統。給定量比較器控制器執行器被控對象檢測裝置被控量×控制量﹢﹣簡單閉環控制系統的方框圖如下：第四單元控制與設計案例分析：空調器溫度控制系統

炎炎夏日，人們采取各種消暑措施消暑，空調是第一選擇。那么，空調器是如何控制溫度的呢？它的工作過程又如何呢？ 如設定溫度為25oC，室內溫度如果高于25oC，那么空調通過比較，控制電路發出信號促使壓縮機進行工作；當溫度達到設定溫度時，控制電路發出信號，壓縮機停止工作，風扇照常工作。因此，空調溫度控制系統中有從輸出端返回到輸入端的信息反饋，它是閉環控制系統。問題：根據空調器的工作過程，試畫出其溫度控制系統的方框圖。第四單元控制與設計空調器溫度控制系統方框圖如下：×設定溫度比較器控制電路壓縮機空調器檢測裝置輸出溫度空氣溫度﹢﹣馬上行動（P106）：判斷下列控制系統是否屬于閉環控制系統，畫出方框圖。第四單元控制與設計請完成P106的“馬上行動”1、家用縫紉機的縫紉速度控制系統（屬于開環控制系統）腳踏力度腳蹬、曲柄、鏈輪中軸、鏈條縫紉速度2、電冰箱的溫度控制系統（屬于閉環控制系統）溫度計溫度設定溫度控制器制冷裝置溫度值檢測裝置比較器第四單元控制與設計設定聲音分貝控制電路燈泡計時器燈光時間3、走道路燈的聲光控制系統（開環）4、交通路口紅綠燈自動控制系統（閉環）設定車流量控制器紅綠燈計時器紅綠燈顯示時間檢測裝置第四單元控制與設計練習根據開環電子控制系統和閉環控制系統的區別進行分析、判斷，在你認為正確的表格中打“”開環電子控制系統閉環電子控制系統電子表電取暖系統空調程序控制洗衣機可調亮度的臺燈智能洗衣機電熱水器第四單元控制與設計小游戲

在紙上先畫出兩張大臉，“四官俱全”，沒有鼻子。再來“填”鼻子，一次，睜著眼睛畫，另一次閉著眼睛畫。第四單元控制與設計1、閉著眼睛畫：人腦控制手畫鼻子：人腦——手——鼻子控制過程中，沒有反饋環節，不能對控制結果加以修正、調節。是個單程的控制流向。這種控制，稱為開環控制。分析原因：2、睜著眼睛畫：人腦控制手畫鼻子，在此過程中，眼睛可以把手的位置及畫的效果及時反饋給大腦，使得大腦準確精細的控制手去畫好鼻子。控制過程中有反饋環節可以把控制結果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這種控制稱為閉環控制。人腦——手——畫鼻子||———眼睛—————|第四單元控制與設計第三節閉環控制系統的干擾與反饋第四單元控制與設計

每天上學騎自行車的感受？乘車的感受等？

在送乘飛機出行時，為什么不能說祝你一路順風?第四單元控制與設計干擾因素接下來我們就研究研究閉環控制系統的干擾與反饋。第四單元控制與設計一）什么是干擾因素：1.干擾因素的概念：

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（interference）因素。第四單元控制與設計案例一：逆風中騎自行車。腳踩的力自行車行使的速度風給定量被控量逆風、順風、上坡路……第四單元控制與設計案例二：飛機飛行。結論：在控制系統中，干擾因素一定有，可能有一個，也可能有若干個。第四單元控制與設計擴展討論：

生活中還有哪些例子說明“閉環控制系統的干擾是存在的，是不可避免的”？第四單元控制與設計馬上行動：

在電冰箱的溫度控制系統中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？（1）開電冰箱門。

外面熱氣進入冰箱將會引起箱內溫度變化，屬于干擾因素。第四單元控制與設計（2）電冰箱所在房間的溫度從20℃變到32℃屬于干擾因素。（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中。屬于干擾因素。第四單元控制與設計

嚴格說這也會引起環境溫度的變化，但這種變化一般有利于冰箱實現目標，不屬于干擾因素。（4）在冰箱外放一盆冷水。第四單元控制與設計思考：在下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？控制系統干擾因素

自動扶梯的升降控制系統

利用滑輪組提升重物的控制系統

蔬菜大棚的溫度控制

扶梯承載的重力、電機輸出電壓的波動、齒輪間的摩擦力等。滑輪組的摩擦力、電機電源的波動等、繩子和滑輪，重物的重力。外部環境溫度的變化、大棚保溫材料的保溫性能產生變化等、植物排放的二氧化碳，溫室效應。第四單元控制與設計案例分析：

電視機的工作。

電視機出現畫面紊亂的現象往往是由于受到外界磁場干擾。比如：近距離擺放的電冰箱、空調器、電風扇、日光燈等等。他們就是電視機正常工作的干擾因素。克服這些干擾的辦法就是將家用電器遠離電視機放置。第四單元控制與設計2.克服干擾的基本方法：A、消除干擾在飛機上不能使用通信工具B、減弱干擾電器在使用時遠離其它電子設備C、提高控制系統性能采用閉環控制系統第四單元控制與設計對干擾的利用，是指有意對控制系統施加干擾，使控制系統無法達到控制的目標，而不是控制系統本身需要干擾。例如：軍事演習中對敵方信息指揮系統進行電磁波干擾。第四單元控制與設計

火盆。冬天冷了，可以在室內放火盆，這樣可以使室內溫度升高。馬上行動：

生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進行利用？第四單元控制與設計二）反饋1.什么是反饋（feedback）？

控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程就是反饋（feedback）。第四單元控制與設計

反饋控制是一種在計劃執行一段時間或結束后進行的事后控制，主要為下一步計劃的實施總結經驗，但它卻常常是管理控制工作的主要形式。例如投訴與反饋、留言反饋、意見反饋、環境反饋、教學活動、超市反饋調查表、市場信息反饋系統、工作總結、產品性能檢驗、現代酒店控制方法等。生活中的反饋：第四單元控制與設計[游戲]：在黑板上畫兩張大臉，“四官俱全”，沒有眼睛。然后請一個同學上來“填”眼睛，閉著眼睛畫，位置不對,也不好看。睜著眼睛畫，漂亮。第四單元控制與設計

控制過程中，沒有反饋環節，不能對控制結果加以修正、調節。是個單程的控制流向。這是開環控制。1.閉著眼睛畫：

人腦控制手畫眼睛：人腦——手——眼睛；第四單元控制與設計2.睜著眼睛畫：

人腦控制手畫眼睛，在此過程中，眼睛可以把手的位置及畫的效果及時反饋給大腦，使得大腦準確精細的控制手去畫好眼睛。控制過程中有反饋環節可以把控制結果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這是閉環控制。第四單元控制與設計

利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。第四單元控制與設計馬上行動：分析“穿針引線”的動作過程，并補充一個適當的事例填寫下表。事例輸入檢測裝置輸出“穿針引線”

線的位置人的眼睛線與針孔對準靶的位置(期望值)眼睛飛鏢實際投擲的位置投擲飛鏢能撲滅蠟燭的機器人打開機器人的開關光敏、力敏傳感器找到蠟燭、并將其撲滅電冰箱溫控器設定溫度溫度傳感器制冷后冰箱內溫度第四單元控制與設計3.閉環控制系統的工作過程

閉環控制系統從反饋來看，就是系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。

閉環控制系統是通過反饋環節克服干擾因素而使系統達到穩定。[核心]：通過反饋來減少被控量(輸出量)的偏差。第四單元控制與設計被控對象給定值干擾反饋環節控制器執行器比較器干擾干擾干擾被控量第四單元控制與設計[案例分析]：閱讀書上案例p112供水水箱的水位自動控制系統。P112思考：

在水箱的水位控制系統中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？不能，因為我們主要為了實現水位的自動控制，那么控制量只能是水量。第四單元控制與設計[思考設計]：家用抽水馬桶是一個典型的閉環控制系統的水位控制。閉環控制系統的特點:1）系統輸出量對控制作用有直接影響。2）有反饋環節，并應用反饋減小誤差。3）當出現干擾時，可以自動減弱其影響。第四單元控制與設計

在加熱鍋爐的溫度控制系統中，可能有那些干擾因素，系統如何克服干擾使爐溫穩定在給定范圍內？

干擾因素有加熱爐外的環境溫度變化、加熱器的電壓波動、爐壁自身溫度、爐內空氣溫度等。[圖片展示]：烘箱（飲水機）P113思考：第四單元控制與設計

首先用熱電偶來代替溫度計來測量溫度的值，然后對溫度的比較，當小于恒溫箱給定時，就增大加熱裝置的電流；相反當大于恒溫箱給定時，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。加熱爐的溫度自動控制系統的結構圖：第四單元控制與設計

閉環控制系統受影響較小，因為閉環控制系統能不斷修正控制效果。思考與分析

在出現干擾的情況下，開環控制系統和閉環控制系統哪種受干擾的影響小？為什么？第四單元控制與設計4.閉環與開環控制系統的比較：閉環控制：反饋控制，偏差控制，可以抑制內、外擾動對被量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。開環控制：順向作用，沒有反向的聯系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。第四單元控制與設計[提問回答]：

開環控制系統閉環控制系統能否自動調整和補償

控制精度

結構

適用場合

否低高是簡單復雜精度要求低、穩定精度要求高、高可靠性第四單元控制與設計起增強輸入信號作用——正反饋。起減弱輸入信號作用——負反饋。正反饋不能進行控制，會使系統的偏差越來越大。只有負反饋控制系統才能完成自動控制的任務。負反饋控制系統最大的特點：檢測偏差，糾正偏差。第四單元控制與設計P114馬上行動：就開環控制系統與閉環控制系統的聯系與區別，設計一個圖表。聯系區別閉環控制系統

都用于控制控制精度低、結構簡單，用于控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合。開環控制系統控制精度高，麻煩，復雜，用于要求高精度和高可靠性的場合。第四單元控制與設計三）控制系統的分析方法1.功能模型法

請大家觀察下面圖1、圖2,對比人工恒溫箱控制系統與自動恒溫箱控制系統的方框圖，我們發現：兩者的控制器、執行器及檢測裝置的具體結構不同，但兩者在功能和行為是相似的，都能實現恒溫箱的恒溫控制。第四單元控制與設計實際溫度給定溫度大腦肌體恒溫箱+-眼睛圖1人工恒溫箱控制系統方框圖實際溫度給定溫度比較電路電機恒溫箱+-熱電偶圖2自動恒溫箱控制系統方框圖

這種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。功能模擬方法是一種整體性研究方法，功能模擬法為仿生學、人工智能、價值工程提供了科學方法。你能列舉功能模擬法的案例嗎？第四單元控制與設計

可以通過模擬，進行技術設計，從而使有些不易實現的技術設計得以設計成功。探究：功能模擬方法對技術設計有何意義？第四單元控制與設計2.黑箱方法

同們學聽說過“大腦之謎”嗎？這可是在科學研究史上長期以來沒有得到圓滿解答的難題。思維究竟是怎樣從物質中產生出來的？大腦功能的具體活動機制又是什么？

第四單元控制與設計

要解答這一系列問題可不是一件容易的事。人們可以用物理上的分割法，研究物質的結構和屬性；也可以用化學分解和合成的方法來了解不同物質的成分。但這些方法，對研究大腦的思維功能卻鞭長莫及，因為即使按這些方法的要求，將大腦打開，解剖分析，也只能是對失去思維功能的大腦物質的認識。這樣，在科學研究面前，大腦的思維過程就是一個只見其外觀和表現，而無法深入其內在了解其機制的難題。它就像一個不能打開的箱子一樣，里面的一切對于我們來說都是黑乎乎的，一無所知，我們稱之為黑箱。第四單元控制與設計

所謂黑箱方法，指的是當一個系統內部結構不清楚時，利用外部觀察和試驗方法，獲得系統（即黑箱）的輸入——輸出特性；再根據這種信息，在不打開“黑箱”的情況下，研究其功能和屬性，探索其構造和機理的一種科學方法。第四單元控制與設計

它是通過對系統的輸入與輸出的關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。