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第四章 控制與設計導學案
一、學習目標
1、理解控制的含義及控制現象，了解控制的手段，理解控制在生產生活中的應用。
2、分析典型案例，熟悉簡單的開環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
3、熟悉閉環控制系統的基本組成，能畫出一個簡單的閉環系統控制方框圖，理解控制器、執行器的作用。
4、能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，并作分析。
5、熟悉閉環控制系統中反饋環節的作用和工作過程；了解功能模擬法和黑箱法的應用
6、能根據開環控制系統的設計方法，制作一個控制裝置。
二、學習重點
1、能結合案例分析開環和閉環控制系統的工作過程
2、反饋；控制系統設計的一般思路
三、學習難點
會畫出開環或閉環控制系統的工作方框圖
四、學習過程
1、控制：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
2、控制的應用：（注意：理解任何控制現象，都要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。）
生產中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及加工動作等進行控制。生活中的控制例子：教室的電燈，同學制作的臺燈，聲光控路燈，教室的門，銀行的自動門，肯德基的感應出水龍頭。
例如：人力三輪車轉彎過程中的方向控制問題，其控制的對象就是 ，控制的目的是為了 ，控制的手段是 ，改變前輪的方向并帶動后輪。
3、控制方式：人工控制和自動控制
從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。
人工控制是在人的直接干預和全程干預下進行的。人工控制又稱手動控制。例如： 、 、
自動控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。例如：花房恒溫控制、 、 。
4、控制系統的工作過程與方式：開環控制和閉環控制
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節構成一個系統，我們稱之為控制系統。一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出，控制系統的輸入輸出之間有一定的對應關系。
案例1：聲控開關控制過程
聲音的強弱→聲控開關→燈泡→燈泡的亮與熄
案例2：畫出公共汽車車門的開關控制過程
控制系統一般分為開環控制系統和閉環控制系統。
（一）開環控制系統
開環控制系統是指輸出量不對系統的控制產生任何影響的控制系統（即不將控制的結果反饋回來影響控制過程），這種控制系統為開環控制系統。
在控制系統中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統的環節，用單向信號線來表示系統信號傳遞的方向，這種圖稱為控制系統的方框圖。如下圖
控制量
輸入量 輸出量
輸入量——即控制系統的給定量，如游泳池進水的設定時間；
輸出量（被控量）——控制系統所要控制的量（即控制目的），也就是控制系統的輸出信號，如游泳池的水位；
被控對象——控制系統中所要求的裝置或生產過程，即對被控量進行調整時所操作的對象，如游泳池；
執行器——直接對被控對象進行控制的裝置或元件，如進水閥門；
控制器——控制命令的發出者，即對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件，如控制電路；
控制量——執行器的輸出信號，即能對被控對象產生作用，從而使被控量發生變化的量，如流過閥門的水量。
案例1：游泳池進水控制系統方框圖
設定注水時間→定時器→進水閥門→游泳池→游泳池的水位 我們在投擲飛鏢時，大腦控制手臂的投擲動作將飛鏢擲出。當飛鏢飛出后，飛鏢的飛行就不可控制了。能否命中目標，取決于飛鏢脫離手時的狀態。
案例2：畫出自動門的控制系統方框圖
案例3：畫出車輛超速檢測系統方框圖
案例4：火災自動報警控制系統工作過程方框圖
（二）閉環控制系統
系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。（即能將控制的結果反饋回來與希望值進行比較，并根據它們的誤差及時調整控制作用）
簡單閉環控制系統的方框圖如下：
控制量
輸入量 ＋ 輸出量
－
反饋環節：系統中將控制結果反饋回來的部分，稱為反饋環節。反饋環節把反饋回來的信號輸送給檢測裝置（比較器）。
案例1: 電冰箱的溫度控制方框圖
案例2:供水箱的水位自動控制系統方框圖
案例3:加熱爐的溫度自動控制系統方框圖

閉環控制系統的優點：當控制結果出現偏差時，能夠對其進行修正。所以其控制效果好，精度高。
閉環控制系統的缺點：結構復雜，成本較高。
開環控制系統的優點：結構簡單，成本低廉。
開環控制系統的缺點：不能自動修正被控制量的誤差、系統參數的變化或外來未知干擾都會影響系統精度。
5、控制中的干擾
一個控制系統在運行過程中，常常會受到一些變化不定的因素的影響。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稱為干擾因素。
就干擾的性質來說，有些干擾是可以避免的（如室內投飛鏢時風對飛鏢的干擾），這些干擾我們可以采取消除、減弱的辦法克服；而有些干擾是不可以避免的（如風對飛行中的飛機的干擾），這些干擾我們只能在提高控制系統的性能上下功夫。
6、控制系統設計的一般思路
案例分析1：電吹風控制系統的設計
設定電吹風的檔位 風的速度和溫度
案例分析2：抽水馬桶自動控制系統的設計
案例分析3：自動升旗簡易控制裝置的設計
7、反思與困惑
被控對象
執行器
控制器
被控對象
執行器
控制器
檢測裝置
電機、風扇、電熱絲

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