《控制與設(shè)計(jì)》學(xué)習(xí)材料

必修二《第四章操縱與設(shè)計(jì)》學(xué)習(xí)材料學(xué)習(xí)目標(biāo)和要求：⒈積極觀看生活，能從生活中所遇到的和所觀看到的事物中識(shí)不各種受控現(xiàn)象和受控過程，理解操縱的含義。⒉能夠分析典型的案例，了解手動(dòng)操縱和自動(dòng)操縱，熟悉簡單的開環(huán)操縱系統(tǒng)和閉環(huán)操縱系統(tǒng)的差不多組成和簡單的工作過程。⒊通過案例分析，能畫出一個(gè)簡單的閉環(huán)操縱系統(tǒng)的方框圖，理解其中的操縱器、執(zhí)行器的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。⒋通過案例分析，找出并分析阻礙簡單操縱系統(tǒng)運(yùn)行的要緊干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用。⒌結(jié)合一定的案例，了解簡單的被控對(duì)象的差不多特性，能確定被控量、操縱量，劃出操縱系統(tǒng)的方框圖，并形成初步的操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。⒍能依照開環(huán)操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，制作一個(gè)操縱裝置，或依照簡單閉環(huán)操縱系統(tǒng)的方案進(jìn)行模擬實(shí)施，學(xué)會(huì)調(diào)試運(yùn)行，提出改進(jìn)方案。（導(dǎo)入）：我國古代有一種靠風(fēng)力來推動(dòng)的風(fēng)磨，當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)的時(shí)候，磨盤就轉(zhuǎn)得快，當(dāng)風(fēng)力弱的時(shí)候，磨盤就轉(zhuǎn)得慢。那么，如何樣才能依照風(fēng)力的大小，往磨盤上添加谷物呢？對(duì)此，人們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)漏斗：當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動(dòng)慢的時(shí)候，那個(gè)漏斗會(huì)自動(dòng)地縮小漏口，使少量的谷物流進(jìn)磨盤；當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動(dòng)快的時(shí)候，那個(gè)漏斗會(huì)自動(dòng)地張大漏口，讓較多的谷物流進(jìn)磨盤。那個(gè)巧妙的漏斗在今天看來，是一個(gè)古老的操縱裝置，體現(xiàn)了人們認(rèn)識(shí)并利用操縱現(xiàn)象的久遠(yuǎn)。事實(shí)上，操縱并不是人類的天外來客，它滲透在我們生產(chǎn)和生活的方方面面。理解操縱、善于操縱，差不多成為我們每個(gè)人日常生活中不可或缺的差不多能力。一、操縱及操縱系統(tǒng)1操縱人們依照自己意愿或目的，通過一定的手段，使事物沿著某一確定的方向進(jìn)展，就形成了操縱（control）。那個(gè)地點(diǎn)所講的手段確實(shí)是操縱技術(shù)。如：射手通過瞄準(zhǔn)使箭射中靶心；人們通過電冰箱獲得適當(dāng)?shù)臏囟龋故澄锬軌蜷L期存放；先進(jìn)的生產(chǎn)流水線通過計(jì)算機(jī)的指揮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等。注意：理解任何操縱現(xiàn)象，都要明確操縱的對(duì)象是什么，操縱要達(dá)到什么目的和采取什么操縱手段。例如：在人力三輪車轉(zhuǎn)彎過程中的方向操縱問題中，其操縱的對(duì)象確實(shí)是人力三輪車，操縱的目的是為了改變?nèi)嗆囆旭偟姆较颍倏v的手段是騎車人通過雙手轉(zhuǎn)動(dòng)車把，改變前輪的方向并帶動(dòng)后輪。2操縱的分類：（1）從操縱過程中人工干預(yù)的情形來分：人工操縱、自動(dòng)操縱。A人工操縱：操縱的過程是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的。如：人工紡紗、一般自來水龍頭、掀按鈕打開電燈、拖地清潔地板、駕駛汽車等B自動(dòng)操縱：是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確的按照期望的方向進(jìn)行。如：數(shù)控機(jī)床、飲料自動(dòng)裝罐生產(chǎn)線，花房恒溫操縱、十字路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換、通過電視更換節(jié)目頻道、聯(lián)合收割機(jī)割麥子等。（2）按照?qǐng)?zhí)行部件的不同分為：A機(jī)械操縱：一般水龍頭、電飯煲等B氣動(dòng)操縱：化工生產(chǎn)中常見的氣動(dòng)閥門、公共汽車車門開關(guān)操縱等C液壓操縱：建筑工地打樁機(jī)、修理汽車用的液壓千斤頂?shù)菵電子操縱：電子計(jì)算器、家用電冰箱、自動(dòng)門和汽車自動(dòng)變速器的電子操縱裝置等3操縱系統(tǒng)一般的操縱過程都有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。任何一種操縱的實(shí)現(xiàn)，都要通過若干個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，我們稱之為操縱系統(tǒng)。操縱系統(tǒng)通常分為開環(huán)操縱系統(tǒng)（openloopcontrolsystem）和閉環(huán)操縱系統(tǒng)（closedloopcontrolsystem）兩種。簡單的操縱系統(tǒng)由兩部分組成，即被控對(duì)象和操縱裝置。其中的操縱裝置，包括傳感器、操縱器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，關(guān)于閉環(huán)系統(tǒng)來講，還包括反饋環(huán)節(jié)與比較環(huán)節(jié)。二、開環(huán)操縱⒈開環(huán)操縱系統(tǒng)：操縱系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的操縱產(chǎn)生任何阻礙，這種操縱系統(tǒng)稱為開環(huán)操縱系統(tǒng)。如：十字路口的紅綠燈定時(shí)操縱系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警操縱系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公園的音樂噴泉自動(dòng)操縱系統(tǒng)、自動(dòng)門的操縱系統(tǒng)、家用高壓鍋等。⒉開環(huán)操縱系統(tǒng)的方框圖在系統(tǒng)操縱中，為了分析的方便，常采納方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號(hào)線來表示系統(tǒng)信號(hào)的傳遞方向，這種圖稱為操縱系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。⒊開環(huán)操縱系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量操縱，輸入量到輸出量之間的信號(hào)是單向傳遞。三、閉環(huán)操縱⒈含義：把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)操縱過程產(chǎn)生阻礙的操縱系統(tǒng)稱為閉環(huán)操縱系統(tǒng)。如：電冰箱的溫度操縱系統(tǒng)、交通路口紅綠燈自動(dòng)操縱（依照車流量大小改變紅綠燈時(shí)刻）系統(tǒng)等⒉閉環(huán)操縱系統(tǒng)方框圖上圖中，檢測裝置測量出被控量并返回到系統(tǒng)的輸入端；是比較器，它將所給量與所檢測的被控量進(jìn)行比較，求出偏差值；操縱器將這一偏差值進(jìn)行運(yùn)算處理，并向執(zhí)行器下達(dá)操縱指令。執(zhí)行器依照指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操縱，從而使被控量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。3．閉環(huán)操縱系統(tǒng)的特征在系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路，反饋環(huán)節(jié)使得輸出量的改變對(duì)操縱的過程產(chǎn)生直接阻礙。4閉環(huán)操縱系統(tǒng)的干擾與反饋干擾因素和反饋是閉環(huán)操縱系統(tǒng)中的兩個(gè)重要的核心概念，閉環(huán)操縱系統(tǒng)是通過反饋環(huán)節(jié)克服干擾因素而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的（1）干擾：在操縱系統(tǒng)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。在干擾中我們需要注意以下幾點(diǎn)：第一，來源問題。有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如阻礙自行車行駛速度變化的自然風(fēng)等；有的干擾因素是人為緣故所致，如阻礙飛機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的手機(jī)信號(hào)等。第二，數(shù)量問題。在操縱系統(tǒng)中，干擾因素可能是一個(gè)，也可能是若干個(gè)。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨差不多上子彈命中準(zhǔn)確度的干擾因素。第三，處理問題。操縱系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。如空調(diào)器的溫度操縱系統(tǒng)是閉環(huán)操縱系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當(dāng)室外溫度升高時(shí)，空調(diào)器檢測出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過啟動(dòng)壓縮機(jī)降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。第四，利用問題。在一般操縱系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下卻能夠利用干擾因素實(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對(duì)藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以慎重、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待干擾因素的利用。（2）反饋：A定義：在操縱系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，確實(shí)是反饋。B反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對(duì)象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，稱為反饋方法。如一般電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)電水壺具有當(dāng)水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能，這確實(shí)是利用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱的結(jié)果。四、開環(huán)操縱系統(tǒng)與閉環(huán)操縱系統(tǒng)的比較⒈開環(huán)操縱系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的信號(hào)是單向傳遞的，它對(duì)輸出量的操縱精度較低，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。⒉閉環(huán)操縱系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間還有一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路。它對(duì)輸出量的操縱精度較高，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，要緊用在要求較高精度和高可靠性的操縱中。五、簡單操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施⒈操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路⑴要設(shè)計(jì)好一個(gè)操縱系統(tǒng)，應(yīng)該明確那個(gè)系統(tǒng)要到達(dá)的目的是什么，所要操縱的對(duì)象是什么，被控對(duì)象有哪些重要的特性，被控量和操縱量分不是什么，外界的要緊干擾因素有哪些，選擇如何樣的設(shè)計(jì)方案既能達(dá)到目的，又經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件等等。⑵設(shè)計(jì)一個(gè)操縱系統(tǒng)，是選擇開環(huán)操縱依舊閉環(huán)操縱，應(yīng)依照對(duì)操縱精度的要求以及經(jīng)濟(jì)條件的可行性而定。在操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，被控對(duì)象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對(duì)象的輸入與輸出之間的關(guān)系來分析它的差不多特性，從而確定操縱器的運(yùn)算方式；一個(gè)操縱系統(tǒng)中可能存在若干個(gè)干擾因素，需要分析主次，找出對(duì)系統(tǒng)阻礙最大的干擾因素；被控量和操縱量的確定是操縱方案的關(guān)鍵，關(guān)于簡單操縱系統(tǒng)，需要操縱的量往往被確定為被控量，操縱量應(yīng)選擇可操縱的、對(duì)抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定有明顯作用的量；執(zhí)行器、檢測器的選擇一是要依照被控量和操縱量的需求，二是要依照操縱的條件進(jìn)行?？傊?，能達(dá)到操縱的目的，采納易于實(shí)現(xiàn)的操縱方式，降低操縱成本，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面阻礙等，是我們進(jìn)行操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的差不多問題。⑶操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，還包括畫出必要的設(shè)計(jì)圖紙（操縱電路設(shè)計(jì)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）和實(shí)施圖紙、撰寫設(shè)計(jì)講明書等。注意：依照不同的設(shè)計(jì)需求，應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要借鑒來自各方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)要有自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。例：電熱毯設(shè)計(jì)，應(yīng)有若干層發(fā)熱絨和包覆層，操縱器要實(shí)現(xiàn)調(diào)溫、定時(shí)、過熱熔斷愛護(hù)、過熱操縱愛護(hù)和精確溫控等。要保證安全措施到位、工作穩(wěn)定可靠，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)減少成本、舒適美觀、降低能耗等指標(biāo)。⒉簡單設(shè)計(jì)案例⑴開環(huán)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：整個(gè)過程設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單，在明確設(shè)計(jì)要求，明確被控對(duì)象、被控量和操縱量后，即可考慮具體操縱系統(tǒng)的方案。例：電吹風(fēng)機(jī)操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：a設(shè)計(jì)分析：被控對(duì)象是電吹風(fēng)裝置，被控量是風(fēng)的速度和溫度，操縱量是電機(jī)的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。b電吹風(fēng)的操縱過程：電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個(gè)小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。c框圖：有了框圖，畫出必要的電器線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。⑵閉環(huán)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：一個(gè)閉環(huán)操縱系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。操縱系統(tǒng)的操縱精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)操縱在同意的范圍之內(nèi)。閉環(huán)操縱系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。例：抽水馬桶水箱的自動(dòng)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：a設(shè)計(jì)分析：被控對(duì)象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，操縱量是進(jìn)水管的水流量（進(jìn)水量）水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線性關(guān)系。b操縱過程：撥動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開，水箱進(jìn)水，直到指定水位時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉。c框圖：六、本章練習(xí)題目⒈下列操縱系統(tǒng)中，屬于開環(huán)操縱系統(tǒng)的是（）A．電冰箱的溫度操縱B．計(jì)算機(jī)的CPU上的風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速操縱C．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室的溫度操縱D．紅綠燈定時(shí)操縱系統(tǒng)⒉下列不屬于開環(huán)操縱系統(tǒng)的是（）A．自動(dòng)門B．電動(dòng)聲控?zé)鬋．自動(dòng)烘干機(jī)D．電飯鍋溫控系統(tǒng)⒊下列操縱系統(tǒng)中屬于自動(dòng)操縱系統(tǒng)的是（）A．按鈕開關(guān)操縱B．一般自來水龍頭C．花房恒溫度操縱D．汽車駕駛⒋理解一個(gè)操縱現(xiàn)象，要明確操縱的對(duì)象是什么，操縱要達(dá)到什么目的和采取什么操縱手段。例如，導(dǎo)彈操縱系統(tǒng)操縱的是導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的距離，目的是要擊中目標(biāo)（距離為零），分析那個(gè)操縱系統(tǒng)，其操縱的對(duì)象是（）A．人B．目標(biāo)C．計(jì)算機(jī)D．導(dǎo)彈⒌電冰箱工作溫度設(shè)定在一定的范圍值，當(dāng)箱內(nèi)溫度變化超過設(shè)定的范圍值時(shí)，熱敏電阻的阻值也相應(yīng)地變化，通過熱敏電阻的變化，電流通過三極管放大器的放大，帶動(dòng)繼電器，操縱壓縮的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電冰箱的溫度操縱。溫度的變化量是（）A．輸入量B．輸出量C．操縱量⒍在電冰箱的溫度操縱系統(tǒng)中，下列情況不屬于阻礙其溫度操縱的干擾因素的是（）A．開電冰箱門B．電冰箱所在房間的溫度從20攝氏度變到32攝氏度C．將熱菜或熱飯放入電冰箱中D．在電冰箱外放一盆冷水⒎人們首先發(fā)覺了什么問題而發(fā)明了電冰箱（）A．冰箱能夠制作冰激凌B．低溫能夠保險(xiǎn)C．冰箱能夠制作冰水D．冰箱能夠冰鎮(zhèn)啤酒8推斷題及填空⑴李明學(xué)習(xí)時(shí)，用手去調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，這種操縱屬于自動(dòng)操縱。（）⑵系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)操縱過程產(chǎn)生直接阻礙的操縱系統(tǒng)稱為閉環(huán)操縱系統(tǒng)。（）⑶大年三十晚，王小軍在家忙于帖對(duì)聯(lián)，第一次粘穩(wěn)時(shí)發(fā)覺對(duì)聯(lián)下端明顯偏向左邊，第二次通過調(diào)整后，發(fā)覺對(duì)聯(lián)雖比上次有明顯好轉(zhuǎn)，但對(duì)聯(lián)下端仍有些偏向左邊，第三次調(diào)整后，發(fā)覺對(duì)聯(lián)上下已對(duì)齊。王小軍這一行為已構(gòu)成一個(gè)反饋的閉環(huán)操縱系統(tǒng)。（）⑷操縱系統(tǒng)的__________不對(duì)系統(tǒng)的操縱產(chǎn)生任何阻礙，這種操縱系統(tǒng)稱為開環(huán)操縱系統(tǒng)。9在加熱爐的溫度操縱系統(tǒng)中，可能有哪些干擾因素？系統(tǒng)是如何克服干擾使?fàn)t溫穩(wěn)定在一定范圍的？答：可能的干擾有：打開爐門，放入或取出東西；外界溫度的變化；電壓的變化等。采取的方法是利用閉環(huán)操縱。利用一個(gè)溫度傳感器，及時(shí)檢測溫度的變化，然后依照檢測的結(jié)果操縱開關(guān)的狀態(tài)：當(dāng)溫度高時(shí)就切斷開關(guān)，當(dāng)溫度低時(shí)就接通開關(guān)加熱。10舉例講明操縱的重要作用及意義。答：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)失控，造成飛車；人類對(duì)某些疾病失去操縱，給人類帶來威脅；生活中，煮飯失去操縱，燒焦或煮不熟。11如圖：圖中是聲控?zé)粝到y(tǒng)組成示意圖，依照你的理解和認(rèn)識(shí)回答下列問題。⑴聲控?zé)舻膬?yōu)點(diǎn)有哪些？⑵假如聲控?zé)舻母浇]有來人，而出現(xiàn)意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲講話或以動(dòng)作發(fā)出聲響，靈敏度高的聲控?zé)粢矔?huì)應(yīng)聲而亮。為幸免這種情況你有什么好方法？⑶畫出聲控?zé)舻南到y(tǒng)框圖。答案提示：⑴關(guān)鍵詞：方便、節(jié)電用墻上的開關(guān)去開燈或關(guān)燈，已是習(xí)以為常的事。然而，在一個(gè)黑暗的走廊里用手摸索著查找電燈開關(guān)專門費(fèi)事，對(duì)外來的生人更是難事；另外，人走了不關(guān)燈是常有的事，形成長明燈，白費(fèi)電力。聲控?zé)艟哂袑ｉT功能與應(yīng)用。比如，在公共樓道里安裝聲控?zé)艏确奖阌质‰?。所謂方便是指來到樓道里的人，只需發(fā)出一定量的聲響（如咳嗽一聲，排一下掌，跺一下腳）電燈就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，而無需去找墻上的手操開關(guān)。所謂節(jié)電是指過了一小段時(shí)刻，電燈又會(huì)自動(dòng)熄滅，沒有人的時(shí)候，電燈處于熄滅狀態(tài)，可不能出現(xiàn)長明燈。把傳感器的靈敏度調(diào)小一點(diǎn)。12開環(huán)操縱系統(tǒng)可用下面