資源簡介

(共44張PPT)
第四單元 控制及其設計
課標導引
考點 課標要求 學業水平要求
控制的方式與應用 (1)理解控制的含義 (2)感知控制的應用 理解控制、控制系統的含義及在生產和生活中的應用,通過案例分析了解手動控制、自動控制、智能控制的特點
水平二
水平二
開環控制系統的工作過程 (1)理解控制系統 (2)分析開環控制系統工作過程 熟悉簡單的開環控制系統的基本組成與工作過程,理解其中的控制器、執行器等的作用
水平二
水平三
閉環控制系統的工作過程 (1)解析閉環控制系統工作過程 (2)辨析反饋在控制系統中的作用 熟悉簡單的閉環控制系統的基本組成與工作過程,理解其中的控制器、執行器等的作用 了解干擾現象和反饋原理,并用方框圖表達控制系統的工作 過程
水平二
水平二
控制系統的設計與實施 (1)探究控制系統的設計 要素 (2)設計與實施雨水收集池水位控制系統 根據控制系統的控制要求,確定被控量、控制量,進行簡單的控制系統的方案設計,并搭建一個簡易的控制系統裝置,進行調試運行和綜合評價
水平三
水平二
教材研析
知識點一　控制
1.控制的含義
(1)含義:人們按照自己的意愿或目的,通過一定的手段,使事物向期望的目標發展,這就是控制。
(2)構成控制的三要素:控制的對象、控制要達到的目的和控制手段。
三要素 對象 目的 手段
含義 被控制的事物 人們的意愿或期望的方向 控制實施的方式和方法
2.控制的手段和方法
(1)按控制過程中人工干預的情形來分:
①人工控制:控制的過程是在人的直接干預或全程干預下進行的。
②自動控制:在無人直接參與的情況下,使事物的變化準確地朝著期望的方向進行。
(2)按控制信號流和執行部件的不同,自動控制可分為氣動控制、液壓控制、電動控制、機械控制、電子控制等。
①氣動控制:靠空氣壓縮原理進行工作,如汽車輪胎充氣。
②液壓控制:使用液壓泵將機械能轉化為壓力,推動液壓油,通過控制各種閥門改變液壓油的流向,從而推動液壓缸做出動作,完成各種設備不同的動作需要。
③電動控制:利用電動機作為傳動的動力源。
④機械控制:利用控制論的理論與方法解決機械工程實際問題。
⑤電子控制:以電子電路作為信息采集、處理的核心,并根據設計輸出指令的控制技術。
知識點二　感知控制的應用
1.生活方面
控制應用到生活中,提高了人們的生活質量,人類能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周圍的環境,使之能滿足自身的需要。
2.生產方面
生產中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及工件加工動作等進行控制,控制在生產中得到了極為廣泛的應用。
3.軍事國防方面
控制在軍事、國防等領域也有著廣泛的應用。
知識點三　控制系統
1.概念
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。
2.主要環節
輸入量、被控對象、輸出量(三要素)
3.控制系統的輸出與輸入之間有一定的對應關系
例如:水位報警控制
水位的高低→控制裝置→報警信號
(輸入) (輸出)
知識點四　開環控制系統
1.簡單開環控制系統的基本組成和工作過程
(1)概念:控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響的控制系統。
(2)特征:系統的輸出量僅受輸入量控制,輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞。
(3)方框圖
2.方框圖中各環節的含義
(1)輸入量:控制系統的給定量;
(2)控制器:對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件;
(3)執行器:直接對被控對象進行控制的裝置或元件;
(4)控制量:執行器的輸出信號;
(5)被控對象:控制系統中所要控制的裝置或生產過程;
(6)輸出量:控制系統所要控制的量,也是控制系統的輸出信號。
3.開環控制系統常考案例流程圖
(1)商場感應門控制系統的表達
(2)上課鈴控制系統方框圖
(3)電暖器取暖控制系統方框圖
知識點五　閉環控制系統工作過程
1.閉環控制系統的基本組成
(1)概念: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。
(2)基本組成:與開環控制系統相比,閉環控制系統多了一個由檢測裝置組成的反饋通道。
2.簡單閉環控制系統的方框圖
閉環控制系統各部分的作用:
(1)給定量:即輸入量;
(2)被控量:即輸出量;
(3)檢測裝置:測量出被控量并返回到系統的輸入端;
(4)比較器:將給定量與所檢測的被控量進行比較,求出偏差值;
(5)控制器:將偏差值進行運算處理,并向執行器下達控制指令;
(6)執行器:根據指令對被控對象進行控制,從而使被控量穩定在給定的范圍內。
3.閉環控制系統常考案例流程圖
(1)抽水馬桶的工作過程
(2)加熱爐的溫度自動控制系統
知識點六　反饋在控制系統中的作用
1.反饋
(1)含義
在自動控制系統中,將輸出量通過檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程,稱為反饋。
(2)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,稱為反饋方法。
現象 結果
檢測裝置檢測到發生偏離的被控量 與輸入端的給定值比較,獲得偏差,完成反饋
控制器根據偏差進行調節 系統的被控量接近給定值
總結:閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控量與給定量之間的偏差
2.干擾因素
(1)含義
在控制系統中,除輸入量(給定值)以外,引起被控量變化的各種因素都可以視為干擾因素。
(2)原因
①環境影響,如影響自行車行駛速度的變化的自然風等;
②人為原因,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。對于大多數控制系統,在工作過程中必須克服干擾,使被控量穩定。干擾因素有時也可以被利用,如在軍事演習中,利用電磁波干擾對方信號。
3.分析影響控制系統運行的干擾因素
(1)干擾既存在于閉環控制系統中,也存在于開環控制系統中。
(2)干擾因素通常作用在被控對象上,其作用是使被控量偏離給定值。
(3)通常控制系統中的干擾因素不止一個,因此必須對可能存在的干擾因素進行全面的排查和分析。但并非所有的干擾都需要采取抗干擾措施,因為任何抗干擾措施的實現,都意味著系統結構的復雜和成本的增加。
4.黑箱方法
(1)含義
把將要研究的系統作為“黑箱”,通過對系統輸入與輸出關系的研究,進而推斷出系統內部結構及其功能的方法,就是黑箱方法。
例:通過輸入圖像、電或聲音信號,觀測、分析腦電波的輸出反應,研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能,得知人腦內部結構的細節,就是黑箱方法的一種運用。
(2)意義
黑箱方法提供了一種不必打開系統就可以研究其內部結構和功能的方法。
一個系統內部結構不清楚時,利用外部觀察和試驗方法,獲得系統(即黑箱)的輸入—輸出特性;再根據這種信息,在不打開“黑箱”的情況下,研究其功能和屬性,探索其構造和機理。
知識點七　控制系統的設計要素
在以上問題都確定后:
(1)要根據對控制精度的要求以及條件的可行性來確定是用開環控制系統還是閉環控制系統來實現所要最終達到的目的。
(2)畫出控制系統方框圖。
(3)畫出必要的設計圖紙(控制電路設計或系統結構設計)和實施圖紙,撰寫設計說明書等。
開環控制系統的設計相對比較簡單,在明確設計要求、被控對象、被控量和控制量后,即可考慮具體控制系統的方案。
問題詳解
典例1 結合具體案例對控制系統進行工作過程原理分析
典例2 對控制系統的某個具體概念進行辨析理解
典例3 從設計者的角度對控制系統進行設計或優化分析
典 例 1
(2022年浙江1月學考)如圖所示,自動扶梯上
行控制系統示意圖。紅外傳感器檢測到乘
客進入扶梯時,控制器控制電動機拖動扶梯
快速運行,乘客離開后,扶梯慢速運行。關于
該控制系統,下列說法正確的是(　　)
A.紅外傳感器起反饋作用
B.被控對象是電動機
C.執行器是扶梯
D.控制方式屬于開環控制
D
解析 紅外傳感器檢測到乘客進入扶梯的信息,是獲取“輸入量”而不是檢測被控量,沒有起反饋作用。電動機是執行器,扶梯是被控對象。
變式訓練
1.(2021年浙江1月學考)如圖所示,經改進的某儲油罐清洗系統,其控制部分可分為噴水控制子系統和抽水控制子系統。噴水控制子系統工作過程:PLC根據檢測裝置檢測到的污水中的含污量,控制增壓泵產生高壓水,通過噴頭沖洗油罐。抽水控制子系統中,PLC控制真空泵將油罐中的污水抽到污水箱。下列關于噴水控制子系統的分析正確的是(　　)
A
A.輸入量是含污量 B.控制器是增壓泵
C.被控對象是清水箱 D.控制量是PLC的輸出信號
解析 噴水控制子系統方框圖如下圖所示,該子系統的名稱是噴水控制子系統,因此最終目的是為了噴水,將它的輸出量設定為噴水量,噴頭就是被控對象,PLC具有控制和發送指令的功能,作為控制器,它接收到的是輸入量,因此輸入量為檢測到的污水量,PLC直接控制增壓泵,因此增壓泵是執行器。
2.(2023年浙江6月選考)如圖所示,一種給布染色的卷染機系統示意圖。將待染色的布裝在右滾筒上,電機驅動左滾筒轉動,帶動布從右滾筒卷繞到左滾筒上,經過染色池完成染色。染色前將右滾筒上布的厚度輸入工控機,染色時編碼器實時測量電機和滾筒的轉動信號,工控機根據轉動信號計算出轉速、卷繞圈數、布卷直徑,并通過變頻器來調節電機轉速,使布保持穩定的線速度。右滾筒上的阻尼器使布保持一定的張力。卷染機中電機調速子系統的工作過程:工控機根據編碼器測得的信號,算出左滾筒上布卷直徑的變化,確定電機的應有轉速,同時計算出實時轉速,調整變頻器輸出電流的頻率使電機實時轉速和應有轉速保持一致。下列關于該控制子系統的分析,不恰當的是(　　)
A
A.卷繞圈數的變化會引起電機轉速變化,屬于干擾因素
B.反饋信號是編碼器測得的電機轉動信號
C.控制量是變頻器輸出電流的頻率
D.輸出量是電機實時轉速
解析 卷繞圈數的變化會引起電機轉速變化,這個是改變了電機的應有轉速,是屬于改變輸入量,所以不屬于干擾因素。
典 例 2
澆鑄機結晶器鋼水液位控制系統示意圖如圖所示。澆鑄時,中間包持續向結晶器內澆注鋼水,鋼水在結晶器內冷卻結晶后被拉坯裝置拉出形成鋼坯。結晶器內鋼水液位的穩定和高低,直接影響鋼坯的質量和產量。鋼水液位波動引起電渦流傳感器與液面之間的間隙產生變化,從而引起電渦流信號變化,液位儀根據信號的大小計算出實際液位,送至PLC與液位設定值比較,PLC根據比較差值通過驅動器控制電動缸運動,帶動塞棒升高或降低,改變中間包澆注口的大小,調節流入結晶器內鋼水的流量,從而使液位穩定在一定范圍內。該控制系統中,對結晶器鋼水液位控制精度沒有影響的是 (　　)
A
A.液位設定值
B.液位儀的性能
C.電動缸的運動精度
D.電渦流傳感器的靈敏度
解析 液位設定值是輸入量,并不是干擾因素,干擾因素指的是除了輸入量之外一切能夠引起輸出量變化的因素,其他選項均可以影響輸出量(液位的實際值)。選A。
變式訓練
1.(2021年浙江7月學考)如圖,某小區電梯監管系統示意圖。該系統通過電梯轎廂內電瓶車檢測智能攝像機,能準確區分電瓶車與其他車輛,當檢測到電瓶車進電梯后,會發出聲光報警,并將信息關聯至樓控系統,使得電梯門無法關閉。管理員看到可視化報警彈窗后,通過客戶端遠程喊話教育,并手動解除報警,恢復電梯運行。該樓控系統的被控對象是(　　)
D
A.電梯中的人 B.電瓶車 C.攝像機 D.電梯
解析 樓控系統控制電梯門的關閉,其被控對象是電梯。選D。
2.下列關于控制系統干擾因素的說法,正確的是(　　)
A.閉環控制系統比開環控制系統有更好的抗干擾能力
B.干擾因素是指能夠引起控制系統中被控量發生變化的各種因素
C.在控制系統中干擾因素是需要克服的,不可以被利用
D.控制系統的干擾因素都是人為造成的
解析 干擾因素是指除了輸入量外一切能夠引起控制系統中被控量發生變化的各種因素,在控制系統中干擾因素是需要克服的,也是可以被利用的,控制系統的干擾因素可以是人為造成的,也可以是系統自身或環境產生的。
A
典 例 3
(2022年浙江7月學考)在校園農業勞動實踐中,同學們為植物栽培設計了一個營養液循環控制系統(圖a為系統框圖模型,圖b為控制系統示意圖),該系統包括微控制器、環境感知部分、調節部分等。溫度傳感器、液位傳感器、pH傳感器和流速計均安裝在栽培槽中。根據微控制器發出的指令,加熱器與制冷器、蠕動泵、水泵聯合調節栽培槽中營養液的溫度、pH、液位和流速。下列關于該營養液循環控制系統的說法合理的是(　　)
B
圖a
圖b
A.流速控制子系統的執行器可以使用流速計
B.栽培槽中營養液的pH控制子系統可以采用閉環控制的方式
C.為提高溫度控制效率,配液箱越大越好
D.為提高pH控制精度,pH傳感器應安裝在酸堿液箱中
解析 流速控制子系統的執行器可以使用閥門等,A錯誤;為提高溫度控制效率,配液箱不是越大越好,而應該是適中,C錯誤;為提高pH控制精度,pH傳感器應安裝在栽培槽中,D錯誤。
變式訓練
紙漿濃度控制系統工作原理示意圖如圖所示,其工作原理:控制器將傳感器檢測到的配漿濃度與設定值相比較,根據偏差值控制電動調節閥調節清水流量,從而使配漿濃度達到設定值。請回答1~2題。
1.該控制系統的傳感器應該選用(　　)
A.濃度傳感器 B.流量傳感器
C.壓力傳感器 D.溫度傳感器
A
解析 因為該系統是紙漿濃度控制,所以需要檢測液體的濃度。
2.在該控制系統工作原理示意圖中,不直接參與濃度自動控制的部件是 (　　)
A.電動調節閥 B.控制器
C.傳感器 D.手動取樣閥
D
解析 控制的設計離不開控制器、執行器和輸入量,即控制器、電動調節閥和傳感器。

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