資源簡介

(共44張PPT)
【技術與設計2（蘇教2019）】
4.2—4.3控制系統的工作過程
走進情境
陳晨設計了家庭雨水收集系統，但每逢雨季，雨水收集池的水位就會隨著雨水的不斷注入而升高，當水位升到一定高度時，雨水就從溢水口溢出排放出去，造成了雨水資源的浪費。如何避免浪費？
收集屋頂雨水的進水管
潛水泵
出水管
水龍頭
溢流管
需要設計一水位報警裝置
任務一 理解控制系統
01
報警裝置只能提供達到一定水位的消息，提醒家人及時用掉一些水或用其他容器先裝一些水，以降低水位，它與溢流孔沒有關系。溢流孔是當水池中的水滿后，讓多余的水沿設定方向流出。
思考：已經有報警裝置，為什么還要留溢流孔？
控制系統
在上述報警控制系統裝置中，水位是該控制裝置的輸入，通過水位傳感器將信息傳送到控制器；當水位達到報警值時，控制器輸出信號到報警器，發出聲光報警。這樣一個系統稱為控制系統。
任何控制都要通過若干個環節來實現，這些環節所涉及的裝置構成了一個系統，稱為控制系統。控制系統是輸出與輸入之間有一定的對應關系。
2008.4
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）
02
任務二 分析開環控制系統工作過程
搭建定時澆水控制系統（課本案例）
思考：
1.該系統如何工作的？
2.若要遠程控制該澆水系統，應該怎樣調整控制系統？
該控制系統的工作過程：將時間設定到定時澆水控制系統的定時器中，到了設定時間就自動接通潛水泵，開始往水管里抽水，通過調節定時器通電時長，控制滴到植物土壤中的水量。這一控制系統的工作過程可用下面方框圖描述。
其中，定時器設定的時間是輸入量，水管的出水量是輸出量。
若要遠程控制該澆水系統，就要用具有網絡控制功能的裝置代替定時控制器，如采用網絡控制器、無線WIFI控制開關等。
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，這種控制系統稱為開環控制系統。
開環控制系統在日常生活中的用途很廣，如水位定時控制系統、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、火災自動報警控制系統、公園的音樂噴泉自動控制系統等。
輸入量：即控制系統的給定量。如設定時間。
控制器：即對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件（相當于人的大腦），如定時器，控制電路。
執行器：即直接對被控對象進行控制的裝置或元件。如水泵、閥門。
控制量：即執行器的輸出信號，如流過水管的水量。
被控對象：即控制系統中所要求控制的裝置或生產過程。如出水管。
輸出量（被控量）：即控制系統的輸出信號，如澆灌的水量。
案例分析
（點火）
輸入量
（轉動軸3）
（1、2、重錘）
（廟門）
（廟門開或閉）
輸出量
控制器
執行器
被控制對象
電機
控制電路
紅外傳感器
控制量
案例分析：自動門如何實現自動開、關的呢？
（人體紅外信號）
輸入量
（電機）
（控制電路）
（門）
（門開或閉）
輸出量
控制器
執行器
被控制對象
紅外傳感器器
轉動
2008.4
以前，農民種植莊稼，遇到干旱天氣，給農田灌溉是件困難的事，有些地方只能“靠天吃飯”。現在，通過引水工程，采用水泵抽水進行灌溉，解決了農田灌溉的難題，告別了“靠天吃飯”的歷史。
電機
水泵
水流量
水管
其控制系統的工作過程如下圖所示：
案例分析：水泵抽水控制系統
接通電源
水管排水
火災自動報警系統由火災探測器、現場報警部件和報警控制器組成。火災探測器包括感煙探測器和感溫探測器；現場報警部件包括警鈴、訊響器、報警門燈等；報警控制器按顯示方式的不同可分為數碼顯示和液晶漢顯兩種不同的類型。
感煙探
測器
報警控
制器
報警
部件
煙霧
信號
報警
信號
控制量
（電流）
案例分析
馬上行動
用方框圖說明下列開環控制系統的工作過程，并注明方框中的各個環節的具體內容以及輸入量、輸出量和控制量。
（1）音樂噴泉的控制；
控制器
執行器
被控制對象
（音樂）
輸入量
（水泵）
（聲—電轉換裝置）
（水泵轉速）
控制量
（水柱）
（水柱高低）
輸出量
控制器
執行器
被控制對象
（按開關）
輸入量
（電磁閥）
（控制電路）
（推動活塞）
控制量
（車門）
（車門開或閉）
輸出量
用方框圖說明下列開環控制系統的工作過程，并注明方框中的各個環節的具體內容以及輸入量、輸出量和控制量。
（2）公共汽車車門的開關控制
小結
1. 控制系統：任何控制都要通過若干個環節來實現，這些環節所涉及的裝置構成的系統。
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。
組成：控制器、執行器、被控對象
相關量：輸入量（給定量）、控制量、被控量（輸出量）
3.開環控制系統的方框圖
被控對象
執行器
控制器
輸入量
控制量
輸出量
陳晨家陽臺上種植了兩種植物－虎皮蘭和綠蘿。虎皮蘭喜熱、耐干早，綠蘿則喜陰濕、忌干燥。這兩種植物不能采用同一定時澆水方式，應該如何改進自動澆灌裝置呢？
虎皮蘭
喜熱耐干早
綠蘿
喜陰濕忌干燥
走進情境
03
任務三 分析閉環控制系統工作過程
技術體驗 搭建土壤濕度控制系統
土壤濕度情況 電磁閥的狀態 花灑的狀態
當濕度傳感器檢測到花盆內土壤濕度不夠時
當濕度傳感器檢測到花盆內土壤濕度達到要求時
觀察過程填表
思考：
電磁閥的開啟與關閉取決于來自什么裝置的信號？
濕度傳感器
打開
灑水
關閉
不灑水
在土壤濕度控制系統中，輸入是設定的土壤濕度，輸出是土壤的實際濕度，濕度傳感器是檢測器，檢測到的土壤的實際濕度信號
返回到控制系統的輸入端，通過一具有計算功能的裝置，與設定的土壤濕度進行比較。當實際濕度比設定濕度低時，控制器控制電磁閥打開，給植物澆水。當實際濕度達到設定濕度時，控制器發出控制信號關閉電磁閥，停止給植物澆水。
該澆水自動控制過程可用以下方框圖表示
閉環控制系統
我們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稱為閉環控制系統。
閉環控制特點：在系統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節，它們形成了一條閉合回路，反饋環節使得輸出量的改變對控制的過程產生直接影響。信號傳遞是閉合回路。
閉環控制系統與開環控制系統相比：閉環控制系統多了一個有檢測裝置和比較器組成的反饋通道。
檢測裝置
控制器
執行器
被控對象
給定值
被控量
控制量
比較器
空調房間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
空調房
空調溫度檢測裝置
空調房內溫度
制冷量
﹢
﹣
案例分析
在工農業生產以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。其系統都為一般的閉環控制系統。
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
水位檢測裝置
水箱水位
水流量
﹢
﹣
課本121頁馬上行動
開環控制系統
輸入量
輸出量
控制器
執行器
被控制對象
（光感傳感器）
（電機）
（控制電路）
（窗簾）
（開或關窗簾）
2. 閉環控制系統
開環控制系統
閉環控制系統
（設定溫度）
（設定溫度）
（壓縮機）
（電冰箱）
（冰箱內溫度）
（溫度檢測裝置）
任務一：解析閉環控制系統工作過程
開環控制系統
閉環控制系統
（設定溫度）
（壓縮機）
（電冰箱）
（冰箱內溫度）
（溫度檢測裝置）
聲光信號
亮與滅
聲光檢測控制裝置
開關
樓道燈
2. 閉環控制系統
開環控制系統
閉環控制系統
開環控制系統
閉環控制系統
任務一：解析閉環控制系統工作過程
開環控制系統
閉環控制系統
開環控制系統
閉環控制系統
×
給定車流量
比較器
控制電路
紅綠燈
道口
檢測裝置
（感測裝置）
實際車流量
紅綠燈亮滅時間
﹢
﹣
04
任務四 辨析反饋在控制系統中的作用
1. 反饋
反饋：在自動控制系統中，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
反饋方法：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。
在帶有反饋的控制系統中，有正向通道和反饋通道，形成一閉合的回路。帶有反饋的控制系統就是前面所述的閉環控制系統。由于反饋控制系統是利用偏差信號作為控制信號，自動糾正輸出量與其期望值之間的誤差，因此可以構成精確的控制系統。
在工程中，反饋控制是自動控制中不可缺少的形式。
2.干擾因素
在控制系統中，除輸入量（給定值）以外，引起被控制量變化的各種因素都可以視為干擾因素。有的干擾因素是由于環境造成的，如影響自行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，如影響飛機導航信號的手機信號等。
在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。
控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定。空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器監測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。
3.閉環控制與開環控制系統的比較
開環系統本身不能對被控量的偏差進行調整和補償,故控制精確度低.但結構簡單,成本低.
閉環系統不論何種原因造成系統的輸出量偏離給定量,都會產生控制作用來減少這一偏差,故控制精確度高.但結構復雜,成本高.
在開環系統的控制效果不佳情況下，可使用閉環系統
4.黑箱方法
小結
1. 閉環控制系統。
2. 閉環控制系統的反饋。
3. 系統中的干擾因素
工業鍋爐是利用重錘進行壓力控制的，重錘掛在橫桿上，桿的支點在最左端，中間是鍋爐的排氣孔。請分析它是如何實現壓力控制的，畫出框圖，并且指出橫桿的作用是什么。
橫桿的作用：給定輸入值（即壓力的大小）
×
設定壓力
比較器
重錘
排氣塞
鍋爐
重 錘
實際壓力
﹢
﹣
學校的打鈴系統目前一般都由電腦控制，其控制系統為（　　）
A．機械控制、閉環控制系統
B．電子控制、閉環控制系統
C．機械控制、開環控制系統
D．電子控制、開環控制系統
單選題
D
B
單選題
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