通用技术专题第四单元控制与设计.ppt

控制的基本概念知识讲座主讲人刘志红北京教科院基教研中心控制的基本概念知识讲座一、关于控制论二、人工控制、自动控制与手动控制的区分三、自动控制的基本概念四、控制系统功能方框图绘制一、关于控制论1、什么是控制，控制的概念是什么？2、控制论简介3、教材中提到的几个控制论中的重要概念 负反馈调节（控制）功能模拟方法 黑箱方法一、关于控制论1、什么是控制，控制的概念是什么？控制：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（control）。理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。苏教版苏教版P97P97，地质版，地质版P104P104可能性空间是控制论中最基本的概念l事物的发展与变化具有多样性。例如，一棵树可能因为某种原因结不出果实，也可能硕果累累，而且可以有大有小，或酸或甜；降落的雨水，可以用来灌溉农田，也可以人们冲洗物品，还可以发电，但也可能注入江河，甚至有可能引起洪涝灾害。苏教版苏教版P96P96，地质版，地质版P104P104可能性空间是控制论中最基本的概念l被控制的对象必须存在着多种发展的可能性。l人们对这些可能性可以通过一定的手段进行选择，才谈得到控制。l控制的概念与事物发展的可能性密切相关。因此，将事物发展变化中面临的各种可能性集合称为这个事物的可能性空间。一切控制过程，都是由三个基本环节构成 了解事物面临的可能性空间是什么？（雨水：灌溉、冲洗、发电、洪涝）在可能性空间中选择某一些状态为目标。（发电）控制转化条件，使事物向既定的目标转化。（建水库，蓄积水的势能，水力发电）解读教材l“人们按照自己的意愿或目的”这只能是在可能性空间中做选择，而不能凭空臆想。l“通过一定的手段”手段便是“控制转化条件，使事物向既定的目标转化”2、控制论简介l美国的数学家维纳，汇集了数学和物理学的发展、生物学和生命科学的进展、人类对对思维规律的探讨，在1947年发表控制论，这本书震动了科学界。科学家们被建立各门学科的统一的方法论的雄心所吸引。一大批各个领域中的专家纷纷互相对话，控制论、系统论成为二次大战后直至今天的不可忽视的科学思潮。控制论思想的源流 l数学和物理的发展l生物学和生命科学的进展 l人类对思维规律的探讨 苏教版P101 l美国科学家维纳在20世纪40年代创建了控制论。控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学，是具有方法论意义的理论。它是自动控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。3、教材中提到的几个控制论中的重要概念 负反馈调节（控制）l鹰击长空，不但能准确地扑到固定目标，甚至连飞速躲避的兔子、老鼠也不能逃脱。负反馈调节l鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意到了自己的位置，并把两者作一个比较，经过比较后的信号代表鹰的位置与兔子位置的差距，鹰的大脑根据这个差距指挥翅膀改变自己的位置，使鹰向着差距减小的方向运动，这个控制过程连续不断进行直到差距为零，捉到兔子。在这里，最关键的一点是鹰的大脑作出的决定始终使鹰的位置向减小差距的方向改变。控制论中把这类控制过程称为负反馈调节。负反馈调节的本质l负反馈调节的本质在于设计了一个目标差不断减少的过程。l目标差：目标的位置与实际位置的差距。l调节与控制的区别在于控制的过程存在一个目标差不断减少的过程，称为调节。鹰抓兔子的控制框图 负反馈的控制过程有两个要素l系统一旦出现目标差，便自动出现某种减少目标差的反应。l减少目标差的调节要一次一次地发挥作用，使得对目标的逼迫能积累起来。l苏教版的投篮球（P110）与地质版的走直线（P110）讲的就是这个原理，如果我们能理解这点，在教学中处理教材可能会轻松一些。正反馈l在反馈的过程中，目标差不断增大这就是正反馈。l红楼梦中有一段中秋夜黛玉与史湘云在凹晶馆赏月联句：ll寒塘渡鹤影，冷月葬诗魂 谈到反馈时要区分正反馈与负反馈l在自动控制系统中一般都采用负反馈。l正反馈并不是绝对不用，电子线路中运用正反馈产生一定频率的振荡，核爆炸也是一种正反馈。l在自动控制框图中负反馈用负号表示，不写负号表示信号为正。反馈过度 l负反馈调节系统如果出现反馈过度，都会从一个逐步逼近目标的稳定过程转化为振荡过程。l导弹打飞机，飞机向左，导弹向左过度，飞机就在导弹的右侧了，检测到飞机在右侧，导弹又向右，如此，反复不能击中目标，导弹的控制器接收到导弹与飞机的目标差之后，做出了过头的调节，从而形成振荡。在亲子关系中的反馈过度l父母都是爱孩子的，希望孩子有出息，但在与孩子的互动中，表现出过度的关爱，孩子反感，孩子也是爱父母的，在表达他们的反感时分不清自己真实的感受，情绪化的表达也是反馈过度，于是亲子关系紧张。了解了这一反馈调节的控制方法，当然会使我们周围的人际关系更融洽。功能模拟方法 l在第二次世界大战中，根据实战的需要，要求设计一种具有控制功能的高速计算机，控制高炮按照预测的位置发射炮弹，使炮弹与正好在空中的某一点相遇。l美国数学家维纳联想起人与机器在控制自己的行为和动作上存在相似性和共同之处，进行了艰苦的努力和探索，突破了传统思想的束缚，提示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，提出了功能模拟的方法，并在此基础上创立了控制论，为现代科学技术研究提供了崭新的科学方法。苏教版P114 功能模拟方法l工程师模拟老鹰抓兔子的办法解决导弹准确的打中飞机。工程师们给导弹安上眼睛红外线装置，配上大脑电子计算机，同时给它一付可以调节的翅膀姿态控制装置，这样导弹就可以向着不断减少目标差的方向运动，直到把飞机击落。训练飞行员的飞行模拟器 黑箱方法 l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。苏教版P115 黑箱方法l黑箱方法（黑箱理论）是控制论的认识论，控制论把人们认识和改造的对象看作黑箱。将人与客体事物的关系归结为主体和客体两部分黑箱方法（黑箱理论）是控制论的认识论 二、人工控制、自动控制与手动控制1、人工控制与自动控制2、开环控制与闭环控制3、概念的隶属层次（图）（澄清概念、有所区分）二、人工控制、自动控制与手动控制l自动控制的定义l所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象（如机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。自动控制原理南航、北航等校P1自动控制的定义l是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。苏教版P98l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。l现代控制技术通常是指自动控制技术。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。地质版P1041、人工控制与自动控制l控制：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（control）。苏教版P97l控制的三个要素：对象、目的、手段 人工控制l人工控制：控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行的。苏教版P98l对人工控制可以解释为，人利用简单的机械（工具），在控制的过程中参与整个过程。从控制的对象、目的和手段上区分从井中取水 对象 目的 手段 控制方式 人摇动轳辘从水井中打水 水井取水 人力、简单机械 人利用水泵从井中抽水 电力、水泵及装置 人工控制自动控制从控制手段上讨论人工控制与自动控制将货物从甲地到搬乙地 对象 目的 手段 控制方式 人骑自行车（三轮车）自行车（三轮车）运输 人力、简单机械 人开汽车 汽车汽油燃烧产生的动力及机械设备、人的驾驶 人工控制（半）自动控制案例分析讨论（苏教版P98）l三种消暑方式：手摇扇、电风扇、空调l三种消暑方式的演变表现了随着生产技术的发展控制手段从低级向高级发展的过程。l用电扇控制室内温度是并非手动控制。l人在控制过程中，只是起了一个按电钮、设置定时时间的作用，并没有直接参与控制的过程，人是享受者。l电扇的定时、转头控制也是自动控制的。讨论l苏教版教师参考书P94对教材P98“马上行动”的举例：l人工控制：人工纺纱，普通自来水龙头，揿按钮打开电灯，拖地清洁地板，驾驶汽车l自动控制：数控机床，饮料自动装罐生产线，花房恒温控制，十字路口红绿灯（根据车流量大小改变红绿灯时间）的转换，遥控电视更换节目频道，联合收割机割麦子手动控制属于自动控制的范畴2、开环控制与闭环控制l开环控制、闭环控制与复合控制的区分是在自动控制技术的范畴划分的。l闭环控制是将控制论的反馈调节原理运用到工程技术中，从控制系统的框图上看信号的流通途径形成一个封闭的环而命名，用这种框图来描述信号的流通方式是在自动控制技术范畴应用的。讨论l有些开环控制系统加上人的控制因素，这个系统就会变成闭环控制系统，如自行车速控制系统。苏教版教师参考书P100l人调节可调光台灯的旋钮定义为“人工闭环控制”（这是自己造的词）苏教版教师参考书P104 讨论l我建议只对自动控制系统讨论开环与闭环控制问题。在其他范围我们可以讨论存在不存在反馈调节。l自动控制中闭环系统的设计正是依据控制论中功能模拟方法模拟人的作用实现反馈调节的。l上述的说法把本来简单的事情搞复杂了。l在讨论自动控制系统时，我们要把人和设备（控制装置）分开。讨论l对于自动控制系统，区别系统是开环控制还是闭环控制的关键就是：系统的设计中是不是运用了反馈调节的控制方式。l苏教版P103所举的三个例子中均不存在反馈调节的控制方式，因此是开环的。lP105活动猴的控制过程中有人参与，不属于自控控制的范畴，但是用线固定小猴四肢，虽然有人的参与但是人没有反馈调节的余地，因此不存在反馈调节的过程。控制概念的隶属层次控制论负反馈调节功能模拟黑箱方法工程控制论生物控制论经济控制论社会控制论人工控制自动控制开环控制闭环控制复合控制自动手动操操作作理论信息通道操作三、自动控制的基本概念1、系统2、自动控制的基本方式开环控制、闭环控制、复合控制3、控制系统的功能方框图4、控制系统方框图的绘制5、自动控制系统的分类三、自动控制的基本概念1、系统l自动控制系统中系统的定义是系统论中的“相对孤立系统”的概念，并非是包罗万象的系统。相对孤立系统 l在我们研究问题时，忽略那些影响概率足够小的因素，把它看作系统所受的干扰和系统之外的。一个相对孤立系统尽可能是闭合的互为因果网络，并且，根据我们的研究目的和系统变化的时间尺度抓住主要的互为因果变量，构造出系统模型。系统不是存在的实体，是人们的一种规定 自动控制理论对系统的规定l自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控制对象组成。l注意：这个系统中不包括人。l被控对象：是指要求实现自动控制的机器、设备或 生产过程。l控制装置：指对被控制对象起控制作用的设备总体。控制装置被控对象自动控制系统控制系统的方框图（方块图）环节或元部件输入输出信号线，箭头表示信号传递的方向，指向信号线，箭头表示信号传递的方向，指向方框为方框为输入输入，离开方框为，离开方框为输出输出方框方框2、自动控制的基本方式l开环控制：开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。l洗衣机、微波炉、产品生产流水线、交通指挥的红绿灯转换（非智能）一般都是开环控制。案例分析：仿型铣床的控制控制功能框图：X轴(Y轴与X轴相同)加工指令（输入）控制器放大器X轴电动机滑板跟踪头X方向位移（输出）开环控制系统控制器、执行器、被控对象加工指令（输入）X方向位移（输出）被控对象：滑板（不是被加工的零件）执行器：放大器、电动机控制器：计算机系统控制装置被控对象控制器放大器X轴电动机跟踪头滑板闭环控制l闭环控制：指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。l即系统的输出反向对输入产生影响，所以，闭环控制系统具有对输出量的检测环节。l闭环控制就是负反馈控制原理在工程上的应用。案例分析：某大门的自动控制给定电位计放大器电动机绞盘大门反馈电位计开门或关门的指令大门的位移控制装置 被控对象环境摩擦力开环控制与闭环控制的比较l一般来说，开环控制结构简单、成本低廉、工作稳定。但由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，当系统的元件参数变化以及外来的未知扰动时，对控制精度影响较大。l闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力，控制精度较高，但由于存在反馈，也就存在振荡的可能性（反馈过度）复合控制（按干扰补偿）l将开环控制与闭环控制方式适当结合起来可以组成复合控制系统。l以地质版人体温度调节系统为例，说明一种复合控制的方式。（因为工程上的例子比较复杂）复合控制（按输入补偿）给定电位计放大器电动机绞盘大门反馈电位计开门或关门的指令大门的位移3、控制系统的功能方框图一般不用把给定装置表示出来以大门控制系统为例环境摩擦力放大器电动机绞盘大门电桥开门或关门的指令大门的位移3、控制系统的功能方框图控制器执行器被控对象检测装置环境摩擦力归纳：闭环控制系统的功能框图4、控制系统方框图的绘制（苏教参P110）方框图的基本要素方框图的基本要素 信号线信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号传递的方向，信号线上一般标注信号的名称，用正、负号表示信号的正负，正号一般省略不标。信号一般指物理量（位移、速度、电流、电压、温度、压力等）或指令。信号的传递具有单向特性，只能按箭头方向通过。4、控制系统方框图的绘制（苏教参P110）l 比较点比较点：也叫综合点，表示对信号进行代数运算。可以有两个以上指向比较点的信号，只能有一个离开比较点的信号（运算的结果只能是唯一的）。结构较复杂的控制系统，可以有多个比较点方框图的基本要素 引出点引出点：表示信号的引出。引出的信号在数值和性质上与原信号完全相同，同一个信号可以多次引出。方框方框：方框表示系统的环节或元部件。指向方框的箭头表示输入信号，离开方框的箭头表示输出信号。系统中的重要信号 给定量给定量（参考输入，输入量，输入信号，给定值）：指作用于自控系统输入端并作为控制依据的物理量或指令。自动控制系统的任务就是以预定的精度确保被控量等于给定值。被控量被控量（自控系统的输出量）：被控对象中要求保持给定数值或按给定规律变化的物理量。如：水位、位移、温度、转速等。系统中的重要信号 干扰量干扰量（扰动，干扰）：除给定值外，凡能引起被控量变化的外界变量或因素都是干扰量。控制量也能引起被控量变化，在没有确定控制方案前也是扰动，当确定了控制方案后，其属于系统内部因素，不是扰动。系统中的重要信号 偏差量偏差量：给定量与反馈量的差。注意偏差与误差的区别。误差，表示系统的控制精度（准确度）。控制系统将给定量与反馈量的偏差值，输入给控制器作为调节的指令，使控制系统向减少偏差的方向调节。负反馈系统或闭环控制系统的控制机制从本质上说就是按偏差调节。系统中的重要信号 控制量控制量：能够直接引起被控量向减少偏差的方向改变的物理量。直观上看是执行器的输出。反馈量反馈量：将被控量测量后送回到输入端进行计算比较的物理量。往往，反馈量与被控量并不是同一类型的物理量。比如：大门控制系统，测量的是位移，反馈给输入端的是电压。闭环控制系统的基本组成 被控对象被控对象：自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。（是系统的主体）检测装置检测装置（反馈元件）：其功能是对输出量进行测量并反馈到输入端提供给比较环节与输入信号进行比较。比较环节比较环节：对系统的输出量与反馈量进行比较计算，得出偏差信号。闭环控制系统的基本组成 放大元件放大元件：进行信号的幅值或功率的放大。执行元件执行元件：根据放大后的偏差信号对被控对象执行控制任务，实现被控量达到希望值。注意：元件的功能和名称不是绝对的，一些装置可能具有多种功能，一些功能可能由多个元件来实现的，这时可按其主要的作用来命名。系统的框图不是唯一的。闭环控制系统的功能框图控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象检测装置检测装置给定量给定量给定量给定量偏差量偏差量偏差量偏差量反馈量反馈量反馈量反馈量控制量控制量控制量控制量被控量被控量被控量被控量比较点比较点比较点比较点引出点引出点引出点引出点干扰量干扰量干扰量干扰量返回给定电位计放大器电动机绞盘大门反馈电位计开门或关门的指令大门的位移控制装置 被控对象返回返回环境摩擦力5、自动控制系统的分类l按照描述系统的数学模型不同，可分为线性系统和非线性系统或定常系统和时变系统；l按照系统传送信号的性质，可分为连续时间系统和离散时间系统；l按照系统元件类型，可分为机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；l按照系统的功用分类，则有温度控制系统、位置控制系统等；l按照系统输入信号的变化规律不同，则有随动系统和恒值系统之分。讨论：地质版P120表43分类依据控制种类特征教材中的实例信息流的传递方式开环控制信号传递是从输入到输出的单一传递方向自动门闭环控制信号传递既有从输入到输出的方向，也有从输出经反馈回到输入的方向。形成一个封闭的环。水箱水位人体温度飞机俯仰姿态 给定量的特点 恒值控制 给定量是一个定值或范围。自动门（开关位置）水箱水位控制人体温度控制随动控制 输入信号的变化规律可以是时间的任意函数。飞机俯仰姿态控制？四、控制系统功能方框图绘制练习l案例一：抽水马桶的控制系统(苏教版P120）l被控对象：抽水马桶的水箱l被控量：水箱水位l给定量：由杠杆浮球共同设定的希望水位l计算比较由杠杆、浮球来完成（被控量是否达到希望水位）l控制量：直接引起水箱水位向减少偏差的方向改变的量是进水流量（注意进水流量与进水量的区别）l控制器：主要完成计算比较的杠杆l测量装置（反馈元件）：主要是完成测量任务的浮子。l执行元件：进水阀门。执行计算比较之后的任务。l干扰量：水箱的出水流量。分析清楚系统中各元件的功能和重要的物理量，系统的控制框图就完成了 案例二：飞机俯仰姿态的控制（地质版P116）l被控对象是飞机l被控量是飞机的实际俯仰角l给定值是希望的俯仰角，通过给定电位器来设定的给定电位l控制器是放大器l执行器是舵机、舵面l反馈元件是垂直陀螺仪和反馈电位器。l控制量是舵机使舵面偏转的角度，这个量直接使飞机改变俯仰角。方框图：练习电冰箱制冷控制系统 l冰箱的温度控制盒通过双金属感温元件，测量箱内的温度，并与要求的温度进行比较，当箱内温度过高时，接通继电器，给压缩机供电，压缩机使氟里昂在蒸发器与冷却器之间循环达到制冷的目的。l该系统中 是被控对象，是被控量，l是执行机构，起到测量、比较、变换的作用。l 是给定装置，是干扰信号。试画出系统功能方框图，并指出基本控制方式。电冰箱的控制方框图讨论：被控对象：高压锅（锅体）被控量：锅内的压力（温度是通过压力间接控制的）给定值：由安全阀上的重锤的重量来设定对应着一个确定的安全压力。（一定的压力也对应着一定的温度。）计算比较：通过作用在重锤上的重力与锅内压力实现比较执行元件：放气孔和安全阀测量元件：反馈通过安全阀上的重锤随时测量着锅内的压力讨论：建立信心，熟能生巧l以上内容只是一家之言，仅供参考，很愿意与各位老师一同探讨。l感谢各位老师耐心的聆听l感谢基教研所孟老师、吴老师的支持l感谢联大生化学院蔡老师的帮助