資源簡介

(共18張PPT)
第二節控制系統的基本組成和工作過程
教材p104-p110
問題思考
在很多公共場合都使用了聲控燈，如進入樓道后只要發出一定的聲響，電燈就會自動點亮;過一段時間電燈又會自動熄滅。這種燈的控制系統是由什么構成的 又是如何工作的
一、典型控制系統案例分析
我們先來分析兩個典型控制系統案例，旨在了解控制系統是怎樣構成的，以及它們是怎樣實現控制的。
案例1自動門控制
自動門的動作過程:當門口沒有人時，門是關著的，即常關狀態(圖4-11);當有人來到門口時，門自動打開工作，即打開狀態(圖4-12);當人離開門口后一小段時間，門又自動關閉,返回常關狀態。
自動門的功能和技術要求如下:
功能:
(1)無人時，常關。
(2)有人時，打開。
技術要求:
(1)當來人距門1m(也可設為其他值)時，門即打開。
(2)當傳感器確認門附近無人后,延時10s(也可設為其他值)，門即關閉。
門是怎樣實現自動開、關的呢 來看一看自動門（實際上是自動門系統，簡稱自動門)的組成和工作過程。
系統組成:
①門;②電動機;③控制器;④傳感器。
工作過程：
(1)當有人到達門前某一距離(如1m)時，傳感器感知，并發出“有人”的信號。
(2）控制器接到傳感器傳來的信號，經變換放大后傳給電動機（這里的電動機稱為執行器)。
(3)電動機根據傳來的開門信號轉動，門被打開(這里的門稱為被控對象，也稱為控制對象，簡稱對象)。
(4)在門附近無人的情形下，控制器保持開門信號延時(如10 s)后，自動發出關門信號，電動機反轉,門又重新關閉。
上述的系統組成與工作過程，可用圖4-13表示。
在圖4-13 中，從左往右看:當門口有人時，即有輸入，傳感器感知并形成信號。信號先后經過控制器、電動機的變換與傳遞，直到把門打開，叫作有輸出（門動作，打開)。沒有人，則無輸入，不發生信號傳遞，當然沒有輸出（門無動作，常關)。
閱讀材料：輸入與輸出
在自動門控制系統中，有人，就是有了一種信號。信號被傳感器感知，通過傳感器給系統以輸入。這種輸入信號、輸入作用,簡稱輸入。系統在輸入的作用下，被控對象(這里指自動門)對輸入產生相應的動作,即響應。如有人時,門就被打開。門打開，就是輸出信號、輸出作用，簡稱輸出。這里的輸入與輸出，實際上指的是狀態，如有（無）人、門開（關)。
問題思考
當有人一直站在門口時,自動門會怎樣動作 為什么
討論交流
(1）安全意識在案例1的“技術要求”中是如何得到體現的
(2）傳感器的安裝與“技術要求”中的哪項要求有關
(3)門的質量不同，對系統的哪個部分有不同的要求 為什么
提示:要與性價比意識相聯系。
案例2水箱水位控制
當水箱內的水沒有達到設定的水位（水箱內的“”所示）時，水箱的水龍頭打開，向水箱內放水;當水面達到設定位置,水龍頭關閉。它有兩種控制方式:一種是人工控制(圖4-14);一種是自動控制（圖4-15)。下面分別分析、研究這兩種控制。
問題思考
水箱水位控制系統中，傳感器、控制器、執行器和被控對象各對應什么裝置
功能:
當水面(位)達到設定的水位(高度)時，關閉進水閥門。
控制方式:
(1)人工。
(2)自動。
系統組成:
(1)人工控制:水箱(包括水箱內的水);閥門;監控的人。
(2)自動控制:水箱(包括水箱內的水);閥門;連桿機構;浮子(俗稱水漂)。
工作過程:
(1)人工控制:
當水面低于設定水位時，人打開閥門放水人水箱，人眼監視水面高度。
當水面達到設定水位時，人關閉閥門。
(2)自動控制:
當水面低于設定水位時，浮子下落，閥門打開,進水;浮子跟隨水面升降以監測水面高度。
當水面達到設定的水位時，浮子浮升至設定水位，通過連桿機構，將閥門關閉。
兩種控制的對比:
自動控制中的浮子和連桿機構的作用,相當于人工控制中的人眼、人腦和人手的作用。
兩種控制方式的對比，如表4- -1所示。
在現實的生產或生活中，像水箱水位控制案例那樣，人工控制可以由自動控制來代替的例子，不是比比皆是嗎
圖4-16為自動進水水箱水位控制系統的組成與工作過程框圖。
由圖可見，當水位差（給定水位與實際水位之差）不為零時，此信號經連桿機構傳遞使閥門打開，放水入水箱;同時，浮子將實際水位的信號反饋給比較環節，從而形成水位差信號。當水位差為零時,閥門將關閉,不再進水。水位的高低可以用水面高度計量,因此，對于輸入、輸出就有了輸入量、輸出量的叫法。
這里，實際水位為被控量，即輸出量;閥門開度(開/關)為控制量。
現在，來比較案例1與案例2。從兩個框圖(圖4-13、圖4-16）的比較就可以發現，案例1的信息總是自輸人端單向傳至輸出端，不存在信息的逆向流動;而案例2則不然,除上述過程外,還有將輸出信息反傳給輸入端(比較環節),存在信息的逆向流動。這就是說，案例2比案例1多了一個信息反傳的傳遞過程。
案例2中，信息流經一個閉合環路，這類系統稱為閉環控制系統。閉環控制系統中，將輸出信息反傳給比較環節，稱為反饋。符號“⑧”代表輸入信號與反饋信號比較，稱為比較環節。而案例1中，沒有反饋，也就不存在閉環，這類系統稱為開環控制系統。
閉環控制系統與開環控制系統是兩類不同的系統。從構成形式上看，兩者的不同表現為有反饋或無反饋。從本質上講，兩者的不同在丁信息流的傳遞方式不同。
問題思考
(1)水位自動控制比水位人工控制好在哪里 從比較中,你得到了哪些啟示 什么叫自動控制
(2）如果水箱水位自動控制系統中的浮子壞了，更換的浮子比原來的小，會出現什么后果
(3）在第一節“調查研究”活動中，你收集到的使用控制技術的實例中，哪些是開環控制系統 哪些是閉環控制系統
創客坊
若要節約用水，減少水位自動控制水箱內水的容量，應該怎么辦 將你的設想做一做。如果成功，試說明原理;如果失敗，試找出原因。
二、控制系統的基本組成和工作過程
（一）控制系統的基本組成
簡單的控制系統由兩部分組成，即被控對象和控制裝置。其中的控制裝置，包括傳感器、控制器、執行器等環節。對于閉環控制系統來說，還包括反饋環節和比較環節。
(二）開環控制系統與閉環控制系統的比較
開環控制系統的結構和原理比較簡單，信息從輸入端經控制器、執行器傳到輸出端,僅有一條開放路徑。它的最大缺點是控制精度（精確度）不高。
閉環控制系統的結構較為復雜，信息流經的路徑為閉合的環路，信息流自輸入端傳至輸出端，輸出端信息又反傳回輸人端的比較環節，構成一個封閉的閉合回路。它可以有較高的控制精度和較強的抗干擾性能（有關干擾內容在本章第四節學習)。
討論交流
分組研討開環控制系統與閉環控釗系統的結構特點與工作過程。
技術實踐
走直線:開環控制系統與閉環控制系統的簡單體驗
說在前面:
技術試驗，是學習技術理論、掌握技末本質的一種重要實踐活動，一定要高度重視并認真參與。
試驗條件:選一塊較寬闥的平地;布帶一條;粉筆一支。
試驗做法:
(1）在平地中央，用粉筆畫一條標準直線，以直線的一端為起點，另一端為終點。起點與終點相距10步以上。
(2）第一次，試驗者自起點出發，沿直線走向終點。
(3）第二次，在起點處用布帶將同一個試驗者的眼睛蒙好后，試驗者憑自我感覺走向終點。記錄下最終偏差。
(4）換人，重復步驟（2)與(3）。
討論:(1)使用控制系統的概念和語言，解釋兩次走直線試驗的不同結果（精度)。
(2）人的眼晴相當于什么環節 根據是什么
提示:
開環控制系統與閉環控制系統，在系統構成、工作機理、系統特性、控制效果等方面都有很大不同。
閉環控制系統具有跟隨特性〔隨動特性)，擁有較高的控制精度，開環控制系統則不然。
在本活動中，對于同一個人(試險者)，兩次“走直線”，卻是對應著兩類控制系統（閉環的與開環的)，有著本質區別，控制效果(“走直線”的偏差)也大不同!
希望認真做好活動體驗，仔細感悟，更希望努力提升對控制科學的理性認識。
(三）怎樣理解閉環控制系統的工作過程
對于閉環控制系統來說，信號流程如下:
(1）輸入信號和反饋環節傳回來的反饋信號相比較,產生偏差信號。
(2)控制器根據偏差信號的大小和極性（正或負)，產生控制作用，傳給執行器。
(3）執行器將此信號放大、變換后,傳到被控對象上。
(4）被控對象受執行器傳來的信號（稱為控制信號)的驅動，產生輸出信號。
( 5)與此同時，反饋環節又將感知到的被控對象的輸出信號,經變換后產生反饋信號。
上述工作過程,是信息在閉環控制系統中的流動、變換與傳遞的過程。
技術實踐
學校認為安裝聲控燈能達到節約電的效果，決定在每個樓道都安裝聲控燈。查找資料，對聲控燈的系統組成進行分析。聲控燈是開環控制系統還是閉環控制系統
技術探究
試分析某控制系統的工作過程
下列3題，可選做。
(1)查閱電冰箱的資料，試說明電冰箱溫度控制的工作過程。
(2)試說明自行車、汽車或拖拉機行駛方向控制的工作過程。
(3)試說明手動調壓系統(圖4-17)的工作過程。
提示: E為電源;U1(t)為參考輸入;I1(t)為控制量；G為被控對象，直流網磁發電機; U2(t)為翰出量(被控量）;I2(t)為輸出端電流φ（t）為勵磁磁通。
這是個開環控制系統，負載需要的U2(t)是通過設定合適的U, U1(t)獲得的。

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