資源簡介

第四單元 控制與設(shè)計
第二節(jié) 控制系統(tǒng)的工作過程與方式
青島嶗山一中 吳杰
【教學目標】
知識與技能
熟悉簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作過程
熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成，能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
理解閉環(huán)控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器的作用
初步理解開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別
過程與方法
經(jīng)歷“回想—分析—聯(lián)想—猜想”的思維過程，與同學和老師充分溝通和交流，將前面所學的結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)與控制的基本知識應用于具體問題的分析，發(fā)展創(chuàng)新精神。
情感態(tài)度與價值觀
提高對生活中技術(shù)問題的敏感度和引發(fā)出探究欲望，并能保持積極審慎的態(tài)度。
【教學內(nèi)容分析】
本節(jié)是在學生初步了解控制的手段及應用后，來進一步探討什么是“控制系統(tǒng)”，以及控制系統(tǒng)的構(gòu)成，工作過程與方式，并熟悉兩種重要的控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，熟悉他們的組成和工作的各個環(huán)節(jié)。
【教學策略】
結(jié)合我們的教學目標和內(nèi)容，站在“系統(tǒng)設(shè)計”的角度上，我們采用“情景引入---問題分析---歸納總結(jié)”的模式，采用繪制“知識結(jié)構(gòu)腦圖”的方法。
在重要的“問題分析”環(huán)節(jié)上立足于“控制系統(tǒng)設(shè)計的目的性”，讓學生抓住問題的主要矛盾，“歸納總結(jié)”階段著重引導學生完善知識框架。讓學生在自主探索中經(jīng)歷思維升華的過程。
　利用2個課時來分段完成
【教學過程】
1、回顧引入
事物發(fā)展的結(jié)果可能是人們預先期望的，也可能與預期的目標不相符，甚至是不希望得到的。如果人們想達到某一特定的目的，就必須運用控制的手段來實現(xiàn)。
要想進一步了解控制，我們首先需要分析
控制的對象是什么；
控制要達到什么目的；
采取什么控制手段。
然后，控制的實現(xiàn)又是通過哪些具體的環(huán)節(jié)呢？
（案例分析）
教室電燈的開關(guān)控制
自行車速度的控制
電風扇風速的控制
（學生活動）
控制事例 控制的對象 控制的目的 控制的手段
電燈的開關(guān)控制 電燈 電燈的開關(guān) 撥動開關(guān)
自行車速度的控制 自行車 速度的調(diào)節(jié) 改變踩動腳蹬的力氣
電風扇扇葉轉(zhuǎn)速快慢的控制 電風扇 調(diào)節(jié)速度 換檔
2、分析上述控制案例的環(huán)節(jié)，得出控制系統(tǒng)的概念。
任何控制的實現(xiàn)，所通過的若干環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)的輸出與輸入有一定的對應關(guān)系。
（學生活動）
與老師一同分析得出控制系統(tǒng)的定義并分析
電飯煲、脫粒機、紅外線自動水龍頭這三個事例
是否屬于控制系統(tǒng) 輸入 輸出
電飯煲 是 做飯/保溫 相應的溫度
脫粒機 是 接通電源的電信號 脫粒的量
紅外線自動水龍頭 是 紅外裝置檢測人手信號 出水量
3、引入開環(huán)控制系統(tǒng)的定義
游泳池注水控制系統(tǒng)中，如果進水管單位時間的水流量一定，那么游泳池水位的高低與進水的時間一一對應。我們可以利用定時器來控制進水閥門的開啟與關(guān)閉。
為了分析控制系統(tǒng)的方便，我們可以使用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向箭頭（單向信號線）來表示系統(tǒng)信號傳遞的方向。這樣畫出的控制系統(tǒng)的方框圖可以表示系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。
定時器對輸入的注水時間進行處理并發(fā)出控制命令，控制進水閥門往游泳池里面的注水量。
注：在把游泳池注水控制系統(tǒng)進行分解的時候，分析的時候要注意措詞，使學生對“控制”，“執(zhí)行”，“被控”，“控制量”這樣一些名詞提前有所感知。
（學生活動）
深入注水系統(tǒng)控制內(nèi)部，來理清關(guān)系，劃分相關(guān)的部分。
并參照該例子完成103頁“自動門控制系統(tǒng)”方框圖
在上面的例子中，信息總是自輸入端單向傳至輸出端，不存在信息逆向流動，象這樣的控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響的控制系統(tǒng)成為開環(huán)控制系統(tǒng)。
4、抽象出開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
（學生活動）
理解開環(huán)控制系統(tǒng)的特征。
P112頁“水泵抽水控制系統(tǒng)”
5、利用游泳池注水問題引入閉環(huán)控制系統(tǒng)
進水管的水壓會在注水過程中發(fā)生變化，比如水壓會變小，此時若還使用前一種注水系統(tǒng)，會導致什么問題？
（學生活動）
設(shè)定的時間到了，游泳池的水還沒有達到預期的水位。
（引導分析）
如何解決這一問題？
設(shè)計該控制系統(tǒng)的目的：在存在干擾因素的情況下，如何克服干擾，達到預期目標。
在存在干擾的情況下，我們可以想辦法消除掉它對被控對象的影響，使事態(tài)的發(fā)展回歸正途。
我們可以借鑒如下的例子：
我們來分析一下人拿杯子這個動作完成的過程。人在打算拿桌子上的杯子時，首先要看一下，杯子的位置與自己手的距離有多少，然后人的大腦會命令自己的手做出動作，向減少這個距離的方向移動，同時不斷的觀察兩者之間的距離還有多少，直到人的手碰到了杯子，大腦就命令手停止運動，杯子也就拿到了。這個過程可以用下邊的圖來表示。
人就是通過這個過程來完成拿杯子這個動作的。
在這個例子中，
①杯子的位置作為人控制手要達到的位置（給定量），
②人眼一方面感知該控制系統(tǒng)輸出量即人手的位置命令另一方面得出它與給定量之間的差距，大腦相當于控制器，
③人手兼職執(zhí)行機構(gòu)和被控對象雙重角色。
顯然該系統(tǒng)具備較高的控制精度且抗干擾能力強，其原因就在于它將給定量與所檢測的被控量進行比較，也就是說我們?nèi)绻黾訖z測和比較環(huán)節(jié)，就能解決干擾的問題，做到高精度的控制。
在進行完這種思考后，我們回過頭來解決注水的問題就有底氣了。
把輸入量設(shè)定為“預期中的游泳池的水位”，增加一個檢測游泳池水位的裝置，把測量到的游泳池當前水位返回到該控制系統(tǒng)的輸入端，通過一個具有計算功能的裝置（比較器），來與輸入量相減，當實際水位比設(shè)定水位低時，控制器控制進水閥門繼續(xù)注水；當實際水位達到設(shè)定水位時，控制器發(fā)出信號關(guān)閉進水閥門。
6、引入閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義，并抽象出閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
經(jīng)過改進后的游泳池注水系統(tǒng)，增加了輸出端到輸入端的信息傳遞，即把輸出量返回到輸入端與給定值進行比較，構(gòu)成了一條閉合回路。
我們把這種系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（學生活動）
閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：
7、初步從三個方面對比分析開環(huán)和閉環(huán)兩種控制系統(tǒng)的特點
①系統(tǒng)的組成和控制的過程
②成本
③控制的精度和抗干擾能力
8、舉例分析生活中的控制系統(tǒng)
要求：判斷出屬于哪種控制系統(tǒng)，并以方框圖的方式給出分析
對一種自動裝置的設(shè)計和分析，通常都是從輸入量給定開始，到輸出量穩(wěn)定為止來分析其工作過程的，一般不把人作為環(huán)節(jié)加入其中。
家用縫紉機的縫紉速度控制系統(tǒng)：
其參考框圖如下：
這樣處理也是可以被接受的
2）電冰箱的溫度控制系統(tǒng)
其參考框圖如下：
3）走道路燈的聲光控制系統(tǒng)
白天或夜晚光線較亮時，聲控部分不起作用。當光線較暗時，負載電路的通斷受控于聲控部分。電路是否接通，取決于聲音信號的強度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮白熾燈，并開始延時，延時時間到，開關(guān)自動關(guān)斷，等待下一次聲音信號觸發(fā)。這樣，通過對環(huán)境聲光信號的檢測與處理，完成電路通斷的自動開關(guān)控制。其參考框圖如下：
4）交通路口紅綠燈自動控制（根據(jù)車流量大小改變紅綠燈時間）系統(tǒng)
目前所用的交通路口的紅綠燈控制系統(tǒng)一般都是按給定的時序來控制的，因此應該是開環(huán)控制系統(tǒng)。對車流量因素的考慮，是在調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上在設(shè)計給定時序時體現(xiàn)的。其參考框圖如下：
9、思考題
希羅的自動門和家用壓力鍋的壓力控制系統(tǒng)
1）閱讀107頁“希羅的自動門”，
2）家用壓力鍋的壓力控制系統(tǒng)
在這個控制中，“重錘”具有多種功能。它既是檢測裝置、比較裝置，還是控制裝置。具體控制過程如下：重錘感受鍋內(nèi)壓力，并與自身的重量（忽略作用在重錘上因上下面積不同而產(chǎn)生的大氣壓力的差）進行比較，當這個壓力差大于0時，重錘被抬起，打開出汽孔，減小鍋內(nèi)壓力，重錘回落，鍋內(nèi)壓力上升。如此反復進行，以保持鍋內(nèi)壓力恒定。
這個控制的執(zhí)行器應該是“出汽孔”，控制作用量（控制量）是出汽量。
這個控制系統(tǒng)的參考方框圖如下：
10、學生歸納、整理
課后思考：105頁“自動叫醒服務系統(tǒng)”
107頁“糧庫溫度和濕度控制系統(tǒng)”
七、教學反思
本節(jié)課通過對開環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)的探討，有助于學生將日常所見控制事例上升到運用技術(shù)思想和方法理解并分析，并學會應用相應的控制方法來解決現(xiàn)實生活中遇到的問題。
本課從回顧控制入手來引出控制系統(tǒng)，從實例的分析開始，與學生共同歸納、抽象實例的特征，引出開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的相關(guān)分析。
在分析開環(huán)游泳池注水控制系統(tǒng)的時候，一開始先籠統(tǒng)的針對整個控制系統(tǒng)來分析，然后再深入內(nèi)部具體環(huán)節(jié)和部分，這樣的認識過程便于降低分析的入門難度。
在引入閉環(huán)控制系統(tǒng)部分，我個人認為有必要在此就引入干擾的說法，然后針對如何消除干擾的影響達到預期目標來改進控制系統(tǒng)，這樣即便于理解也為后續(xù)課程做好鋪墊。
　　
控制量
輸出量
被控對象
執(zhí)行器
控制器
輸入量
輸入量:
接通電源
控制器:
電機
執(zhí)行器:
水泵
被控對象:
水管
控制量:
水流量
輸出量:
水管排出水
杯子的位置
人眼
大腦
人手
人手的位置
人眼
人類行為控制系統(tǒng)舉例
給定的水位
○
X
比較器
控制器
進水閥門
水流量
游泳池
游泳池的水位
檢測裝置
-
+
給定水位
給定量
○
X
比較器
控制器
進水閥門
執(zhí)行器
水流量
控制量
游泳池
被控對象
游泳池的水位
被控量
檢測裝置
-
+
輸入轉(zhuǎn)速
腳踏板
傳動裝置
縫紉機
輸出轉(zhuǎn)速
輸入轉(zhuǎn)速
縫紉機
輸出轉(zhuǎn)速
設(shè)定的溫度
給定量
○
X
比較器
控制電路控制器
電機-壓縮器
執(zhí)行器
電冰箱
被控對象
箱內(nèi)的溫度
被控量
感溫裝置
檢測裝置
-
+
有無聲音
聲-電傳感器
延時開關(guān)
走道燈
燈亮/滅
輸出亮/滅時序
設(shè)定好亮/滅時序
時序控制裝置
紅綠燈
門開/關(guān)
火點燃/熄滅
祭壇
重錘及傳動裝置
廟門
○
X
重錘
出氣孔
壓力鍋
鍋內(nèi)壓力
重錘
-
+
重錘重量

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