資源簡介

(共46張PPT)
第四單元 控制與設計
教材分析
重要概念：
控制、控制系統、開環控制、閉環控制、干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱方法
第四單元 控制與設計
第一節 控制的手段與應用
第二節 控制系統的工作過程與方式
第三節 閉環控制系統的干擾與反饋
第四節 控制系統的設計與實施
第一節 控制的手段與應用
能夠結合一定的事例，理解控制的含義及在生活和生產中的應用。
了解人工控制和自動控制，
教學目標
指出下列事物發展與變化的多種可能性 :
魚塘 :
成熟的西瓜 :
流行性病毒 :
大禹治水過程中 , 通過什么手段實現了什么樣的目的
舉出生活中通過某些手段實現特定目的的事例。
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 。
第一節 控制的手段與應用
伸縮門的自動控制
日常生活中的控制舉例
1、拔動教室電燈開關，燈的亮與不亮與手動有關。
2、聲光感應開關，當有聲音時燈亮。
3 、紅外感應出水龍頭，手靠近水龍頭出水，離開則不出水。
4、賓館自動門，當有人進入，門自動打開。
生活、生產、軍事、國防
控制的應用
圓形齒輪、條形齒輪組
控制的手段
課本P97：馬上行動
控制事例 控制的對象 控制的目的 控制的手段
電風扇扇葉轉速快慢的控制 電風扇 調節速度 換檔
音響的音量控制 音響
音量的調節 旋鈕
燃氣熱水器溫度的控制 熱水器 調節出水口溫度的高低 改變燃氣火頭的大小
用噴霧器噴灑農藥 噴霧器 給莊稼治病 操作噴霧器的手柄
控制的分類
從控制過程中人工干預的情形來分：
人工控制：人工紡紗、打開普通自來水龍頭，撳按鍵打開電燈、駕駛汽車等；
自動控制：數控機床、飲料自動裝罐生產線、花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉換等
按照執行部件的不同，控制分為：
機械控制（普通水龍頭）、氣動控制（公共汽車車門開關控制）、液壓控制（建筑工地打樁機）、電子控制（家用電冰箱）
觀察學校飲用水自動控制電熱水器。
當玻璃管中的水位過低或過高時，會出現什么樣的工作狀態？
第二節 控制系統的工作過程與方式
能夠分析典型的案例，熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
通過案例分析，能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器的作用，熟悉反饋環節的作用。
教學目標
思 考：
自行車的傳動控制系統是怎樣的呢？
腳蹬、曲柄、鏈輪、
中軸、鏈條、飛輪
腳踩的力
（輸入）
自行車行駛的速度
（輸出）
踩動腳蹬的力越大，車輪的轉速就越快。
控制系統
電風扇的風速控制系統（control system）
電機、扇葉
電風扇風速的檔位
（輸入）
風速
（輸出）
一個檔位對應著一個風速。
定義：
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節就構成了一個系統，稱為控制系統。
控制系統
是否屬于控制系統 輸入 輸出
電飯煲
脫粒機
紅外線自動水龍頭
是
通電信號
溫度
是
是
通電信號
檢測到人手信號
脫粒量
出水量
游泳池注水控制系統方框圖：
游泳池
進水閥門
定時器
設定注水時間
（輸入）
水流量
游泳池的水位
（輸出）
開環控制系統
游泳池的水位只受設定的注水的時間的控制
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。
1、定義：
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，
這種控制稱為開環控制系統。
列舉你所知道的開環控制系統。
1、自動聲光控燈
2、自動烘手機
被控對象
執行器
控制器
輸入量
控制量
輸出量
簡單開環控制系統的方框圖
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。
執行器：即直接對被控對象進行控制的裝置或元件。
控制量：即執行器的輸出信號。
輸入量：即控制系統的給定量。
輸出量：即控制系統所要控制的量。
被控對象：即控制系統中所要求控制的裝置和生產過程。
歸納總結
游泳池注水控制系統方框圖：
游泳池
進水閥門
定時器
設定注水時間
（輸入）
水流量
游泳池的水位
（輸出）
開環控制系統
控制器
執行器
被控對象
控制量
被控對象
執行器
控制器
輸入量
控制量
輸出量
簡單開環控制系統的方框圖
自動門的控制系統
水泵抽水控制系統
活動猴的連接
希羅的自動門
水罐
（1，2）
祭壇點火
打開廟門
轉動軸
（3）
廟門
旋轉量
控制器
執行器
被控對象
控制量
游泳池注水控制系統方框圖：
簡單閉環控制系統的方框圖：
被控對象
執行器
控制器
給定量
控制量
被控量
檢測裝置
比較器
-
+
游泳池
進水閥門
控制器
給定水位
水流量
游泳池的水位
（輸出）
檢測裝置
比較器
+
-
閉環控制系統
對比
控
制
系
統
開環
閉環
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響
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
系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響
輸出量到輸入量之間的信號形成一個回路
第三節 閉環控制系統的干擾與反饋
能夠通過案例分析、馬上行動和閱讀等活動，找出并分析影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用。
教學目標
干擾就是對控制系統的行為造成影響的有害的信號及擾動，即除給定量外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。
干擾因素
例1 樓宇水塔的水位控制的干擾因素分析
影響水塔水位的干擾因素主要有水塔的出水流量和水面蒸發的水量、水塔的進水流量和進水管的壓力等。
其中出水流量是根據用戶的用水量變化的，是不可控制的變量；水面蒸發的水量很少，可以忽略；而水塔的進水流量是可以控制的。
例2 風磨的轉速控制的干擾因素分析
影響風磨轉速的干擾因素主要有風速和投料量等。
當投料量一定時，風速減小，磨的轉速就變慢。
克服干擾的基本方法
1、消除干擾 2、減弱干擾 3、提高控制系統性能
干擾因素
反饋
所謂反饋，就是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。
沒有反饋的控制系統為開環控制，
具有反饋的控制系統為閉環控制。
反饋
負反饋，通過反饋來減少輸出量的偏差，使被控量接近給定值。
負反饋形成的系統，控制精度高，系統運行穩定。
正反饋主要對小的變化進行放大。
GPS
GPS (Global Position System)，就是全球定位系統。在大海中航行的船只，通過GPS可獲得自己當前的地理位置，然后將這個位置與計算機中保存的期望位置進行比較，發現誤差及時調整，使船保持在正確的航線上。GPS實際上就是自動導航系統中的反饋環節。
GPS能夠提供精確的地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理等領域有著廣泛的應用。
閉環控制系統與開環控制系統的比較
開環控制系統
優點：結構簡單，外界的干擾相對較小
缺點：控制精度較差
適用：控制精度要求不高而本身系統元件比較穩定。
閉環控制系統
優點：控制精度高
缺點：設計較麻煩，結構較復雜，成本較高。
適用：要求高精度和高可靠性的場合。
功能模擬方法
以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法 。
控制系統的分析方法
黑箱方法
通過對系統的輸入與輸出的關系的研究推斷系統內部結構和功能的方法，
通過觀測黑箱外部的輸入信息(外界對黑箱的影響)和輸出信息(黑箱對外界的反應)研究和認識其功能、特性、結構、機理。
第四節 控制系統的設計與實施
能根據開環控制系統的設計方案，制作一個控制裝置，或根據簡單閉環控制系統的方案進行模擬實施，學會調試運行，提出改進方案。
教學目標
控制系統設計的一般思路
1. 開環控制系統的設計
例：普通電風扇控制系統的設計
被控對象——電風扇；
被控量——電風扇輸出的風速；
控制量——電機的轉速；
例：電吹風控制系統的設計
被控對象——電吹風；
被控量——風的速度和溫度；
控制量——電機的電壓；
干擾因素——房間溫度、電源電壓的波動；
2. 閉環控制系統的設計
閉環控制系統的基本要求：
1. 閉環控制系統必須是穩定的；
2. 系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；
3. 要有較好的抗干擾性能；
例：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
升旗簡易控制裝置的設計
控制系統的設計實施案例

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