第四章  控制与设计

控制是一个充满新奇和挑战的话题。从本质上说，控制是一个跨学科的综合性学科，它已深入到人们生活和工作的方方面面，学习一些控制与设计的知识，通过对控制系统中控制的目标，和控制的机制等的理解，有助于我们运用简单的控制方法解决现实生活中遇到的相关问题，发展我们良好的逻辑思维品质。

学习目标

●理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用

●了解控制系统的类型，熟悉简单控制系统的基本组成和工作过程

●了解并能确定控制系统的主要参量

●能画出简单控制系统的方框图，理解其中各环节的作用

●能设计，制作，调试和改进简单的控制装置

第四章  控制与设计

第一节  了解控制

（广东版）《技术与设计2》课文内容

2012年7月第3版第17次印刷

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一、控制

我们经常可以听到“控制情绪”、“控制病情”、“控制温度”等说法。实际上，在生活中，我们都在有意无意的进行着控制：骑自行车时，如果觉得车速太快，我们会使用刹车使车速正常，当感觉室内亮度不够时，我们会打开电灯，使屋内明亮，当我们的成绩不够理想时，我们会增加学习时间或改进学习方法，以提高学习成绩等。

控制(control)存在于当今社会的各个方面。现代化的汽车生产线，城市中的交通指挥系统，恒温的蔬菜大棚都是控制技术的应用实例。

2007年10月24日18时05分，搭载着我国首颗探月卫星“嫦娥一号”的运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射。经过13天飞行，4次变轨，1次中途修正，3次近月制动，11月7日卫星顺利进入高度为200km、周期为127min的工作轨道（图4-1）。发射实施阶段工作圆满完成，在长达13天的奔月过程中，卫星能在规定的时间做出规定动作，依靠的就是精确和可靠的控制。

人类利用控制技术为自身服务的历史是很久远的。古老的水车就是一个控制系统（图4-2），它以流水作为动力，通过水轮将水提升到需要的位置，在一些农村，现在还可以看到这样的装置。

实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的方法，使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。

图4-3和图4-6是控制技术在生产、生活中应用的一些例子。

图4-3  汽车自动化生产线

图4-4  恒温蔬菜大棚

图4-5  骑自行车的学生

图4-6 “勇气”号火星登陆车

例一．

投掷飞镖（图4-7）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标（即靶心），然后在根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖投掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，很大程度上取决于飞镖在脱离投掷者手时的初始状态。

例二．

骑自行车（图4-8）出行是同学们常选择的交通方式。在骑车的过程中，我们实际是在随时观察自行车的行驶方向或路线，如果出现偏差，我们将会控制自行车的行驶方向，及时纠正。

例三．

图4-9和图4-10是瓦特式速度调节器基本工作原理的简化示意图。在这个系统中，有一组齿轮将发动机的速度反馈到离心调节器。当发动机的速度高于希望值时，调节器的两臂将伸开，从而使控制阀向下移，下移的控制阀减小了输油管的通油缝隙，使供给发动机的燃油减少，从而使发动机的转速降低（图4-9）；当发动机的转速低于希望值时，调节器的两臂将回收，控制阀将向上移，供给发动机的燃油将增加，发动机的转速提高（图4-10）。通过上述控制作用，可使发动机达到希望的转速。

例四．

控制技术在军事上也有着广泛的应用。图4-11为一种称为电视制导的导弹，其工作原理很像人的行为。假如你要抓住一个在前面奔跑的同学，实际上是用眼睛盯着目标，不断修正自己的跑动路线，直到赶上他。电视制导的原理与上述过程很相似。在导弹发射时，先用电视摄像机瞄准目标，并将目标的图像存在导弹中，导弹发射后，弹头前的摄像机不断将导弹前方的图像送到导弹内的信号处理单元，信号处理单元将摄像机送回的图像与存储的图像进行比较，并根据它们的误差调整飞行方向，最终击中目标。

二：开环控制和闭环控制

同学们可能都玩过点鼻子、画眼睛的游戏：在墙上贴一张画有娃娃脸轮廓的头像，参加游戏的同学在画前几米的地方蒙上双眼，然后走向头像，并用手中的画笔在画上添上鼻子或眼睛，一般情况下总会画得东倒西歪，如果不蒙双眼，会怎样呢？肯定画得又准又好，其差别在于不蒙眼睛时，我们可以调整自己前进的路线和画笔的落点；反之，由于看不到目标，我们无法对前进的路线和画笔的落点进行调整。

这个游戏，其实就是一个控制过程。通过眼睛，我们把前进的路线和画笔的落点反馈给大脑，大脑将希望的结果与实际情况进行比较，如果有误差，便调整手、脚的动作及时纠正。

能将控制的结果(即对比量)反馈回来与希望值（即基准量）进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用，使控制误差减小的系统，称为闭环控制系统（closed-loop control system）。而不将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统（open-loop control system）。系统中将控制结果反馈回来的部分，称为反馈环节（feedback link）。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为反馈控制系统（feedback control system）。反馈环节是闭环控制系统的重要特征。