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(共44张PPT)
第四单元 控制及其设计
课标导引
考点 课标要求 学业水平要求
控制的方式与应用 (1)理解控制的含义 (2)感知控制的应用 理解控制、控制系统的含义及在生产和生活中的应用,通过案例分析了解手动控制、自动控制、智能控制的特点
水平二
水平二
开环控制系统的工作过程 (1)理解控制系统 (2)分析开环控制系统工作过程 熟悉简单的开环控制系统的基本组成与工作过程,理解其中的控制器、执行器等的作用
水平二
水平三
闭环控制系统的工作过程 (1)解析闭环控制系统工作过程 (2)辨析反馈在控制系统中的作用 熟悉简单的闭环控制系统的基本组成与工作过程,理解其中的控制器、执行器等的作用 了解干扰现象和反馈原理,并用方框图表达控制系统的工作 过程
水平二
水平二
控制系统的设计与实施 (1)探究控制系统的设计 要素 (2)设计与实施雨水收集池水位控制系统 根据控制系统的控制要求,确定被控量、控制量,进行简单的控制系统的方案设计,并搭建一个简易的控制系统装置,进行调试运行和综合评价
水平三
水平二
教材研析
知识点一　控制
1.控制的含义
(1)含义:人们按照自己的意愿或目的,通过一定的手段,使事物向期望的目标发展,这就是控制。
(2)构成控制的三要素:控制的对象、控制要达到的目的和控制手段。
三要素 对象 目的 手段
含义 被控制的事物 人们的意愿或期望的方向 控制实施的方式和方法
2.控制的手段和方法
(1)按控制过程中人工干预的情形来分:
①人工控制:控制的过程是在人的直接干预或全程干预下进行的。
②自动控制:在无人直接参与的情况下,使事物的变化准确地朝着期望的方向进行。
(2)按控制信号流和执行部件的不同,自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、机械控制、电子控制等。
①气动控制:靠空气压缩原理进行工作,如汽车轮胎充气。
②液压控制:使用液压泵将机械能转化为压力,推动液压油,通过控制各种阀门改变液压油的流向,从而推动液压缸做出动作,完成各种设备不同的动作需要。
③电动控制:利用电动机作为传动的动力源。
④机械控制:利用控制论的理论与方法解决机械工程实际问题。
⑤电子控制:以电子电路作为信息采集、处理的核心,并根据设计输出指令的控制技术。
知识点二　感知控制的应用
1.生活方面
控制应用到生活中,提高了人们的生活质量,人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境,使之能满足自身的需要。
2.生产方面
生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及工件加工动作等进行控制,控制在生产中得到了极为广泛的应用。
3.军事国防方面
控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。
知识点三　控制系统
1.概念
任何控制都要通过若干个环节来实现,这些环节所涉及的装置构成了一个系统,称为控制系统。
2.主要环节
输入量、被控对象、输出量(三要素)
3.控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系
例如:水位报警控制
水位的高低→控制装置→报警信号
(输入) (输出)
知识点四　开环控制系统
1.简单开环控制系统的基本组成和工作过程
(1)概念:控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。
(2)特征:系统的输出量仅受输入量控制,输入量到输出量之间的信号是单向传递。
(3)方框图
2.方框图中各环节的含义
(1)输入量:控制系统的给定量;
(2)控制器:对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件;
(3)执行器:直接对被控对象进行控制的装置或元件;
(4)控制量:执行器的输出信号;
(5)被控对象:控制系统中所要控制的装置或生产过程;
(6)输出量:控制系统所要控制的量,也是控制系统的输出信号。
3.开环控制系统常考案例流程图
(1)商场感应门控制系统的表达
(2)上课铃控制系统方框图
(3)电暖器取暖控制系统方框图
知识点五　闭环控制系统工作过程
1.闭环控制系统的基本组成
(1)概念:系统的输出量返回到输入端,并对控制过程产生影响的控制系统。
(2)基本组成:与开环控制系统相比,闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道。
2.简单闭环控制系统的方框图
闭环控制系统各部分的作用:
(1)给定量:即输入量;
(2)被控量:即输出量;
(3)检测装置:测量出被控量并返回到系统的输入端;
(4)比较器:将给定量与所检测的被控量进行比较,求出偏差值;
(5)控制器:将偏差值进行运算处理,并向执行器下达控制指令;
(6)执行器:根据指令对被控对象进行控制,从而使被控量稳定在给定的范围内。
3.闭环控制系统常考案例流程图
(1)抽水马桶的工作过程
(2)加热炉的温度自动控制系统
知识点六　反馈在控制系统中的作用
1.反馈
(1)含义
在自动控制系统中,将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程,称为反馈。
(2)反馈方法
利用反馈来分析和处理被控对象,通过系统的输出来调整系统的行为,使系统沿着预期的目标运行的方法,称为反馈方法。
现象 结果
检测装置检测到发生偏离的被控量 与输入端的给定值比较,获得偏差,完成反馈
控制器根据偏差进行调节 系统的被控量接近给定值
总结:闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量与给定量之间的偏差
2.干扰因素
(1)含义
在控制系统中,除输入量(给定值)以外,引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。
(2)原因
①环境影响,如影响自行车行驶速度的变化的自然风等;
②人为原因,如影响飞机导航信号的手机信号等。
在控制系统中,干扰因素可能有一个,也可能有若干个。对于大多数控制系统,在工作过程中必须克服干扰,使被控量稳定。干扰因素有时也可以被利用,如在军事演习中,利用电磁波干扰对方信号。
3.分析影响控制系统运行的干扰因素
(1)干扰既存在于闭环控制系统中,也存在于开环控制系统中。
(2)干扰因素通常作用在被控对象上,其作用是使被控量偏离给定值。
(3)通常控制系统中的干扰因素不止一个,因此必须对可能存在的干扰因素进行全面的排查和分析。但并非所有的干扰都需要采取抗干扰措施,因为任何抗干扰措施的实现,都意味着系统结构的复杂和成本的增加。
4.黑箱方法
(1)含义
把将要研究的系统作为“黑箱”,通过对系统输入与输出关系的研究,进而推断出系统内部结构及其功能的方法,就是黑箱方法。
例:通过输入图像、电或声音信号,观测、分析脑电波的输出反应,研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能,得知人脑内部结构的细节,就是黑箱方法的一种运用。
(2)意义
黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。
一个系统内部结构不清楚时,利用外部观察和试验方法,获得系统(即黑箱)的输入—输出特性;再根据这种信息,在不打开“黑箱”的情况下,研究其功能和属性,探索其构造和机理。
知识点七　控制系统的设计要素
在以上问题都确定后:
(1)要根据对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。
(2)画出控制系统方框图。
(3)画出必要的设计图纸(控制电路设计或系统结构设计)和实施图纸,撰写设计说明书等。
开环控制系统的设计相对比较简单,在明确设计要求、被控对象、被控量和控制量后,即可考虑具体控制系统的方案。
问题详解
典例1 结合具体案例对控制系统进行工作过程原理分析
典例2 对控制系统的某个具体概念进行辨析理解
典例3 从设计者的角度对控制系统进行设计或优化分析
典 例 1
(2022年浙江1月学考)如图所示,自动扶梯上
行控制系统示意图。红外传感器检测到乘
客进入扶梯时,控制器控制电动机拖动扶梯
快速运行,乘客离开后,扶梯慢速运行。关于
该控制系统,下列说法正确的是(　　)
A.红外传感器起反馈作用
B.被控对象是电动机
C.执行器是扶梯
D.控制方式属于开环控制
D
解析 红外传感器检测到乘客进入扶梯的信息,是获取“输入量”而不是检测被控量,没有起反馈作用。电动机是执行器,扶梯是被控对象。
变式训练
1.(2021年浙江1月学考)如图所示,经改进的某储油罐清洗系统,其控制部分可分为喷水控制子系统和抽水控制子系统。喷水控制子系统工作过程:PLC根据检测装置检测到的污水中的含污量,控制增压泵产生高压水,通过喷头冲洗油罐。抽水控制子系统中,PLC控制真空泵将油罐中的污水抽到污水箱。下列关于喷水控制子系统的分析正确的是(　　)
A
A.输入量是含污量 B.控制器是增压泵
C.被控对象是清水箱 D.控制量是PLC的输出信号
解析 喷水控制子系统方框图如下图所示,该子系统的名称是喷水控制子系统,因此最终目的是为了喷水,将它的输出量设定为喷水量,喷头就是被控对象,PLC具有控制和发送指令的功能,作为控制器,它接收到的是输入量,因此输入量为检测到的污水量,PLC直接控制增压泵,因此增压泵是执行器。
2.(2023年浙江6月选考)如图所示,一种给布染色的卷染机系统示意图。将待染色的布装在右滚筒上,电机驱动左滚筒转动,带动布从右滚筒卷绕到左滚筒上,经过染色池完成染色。染色前将右滚筒上布的厚度输入工控机,染色时编码器实时测量电机和滚筒的转动信号,工控机根据转动信号计算出转速、卷绕圈数、布卷直径,并通过变频器来调节电机转速,使布保持稳定的线速度。右滚筒上的阻尼器使布保持一定的张力。卷染机中电机调速子系统的工作过程:工控机根据编码器测得的信号,算出左滚筒上布卷直径的变化,确定电机的应有转速,同时计算出实时转速,调整变频器输出电流的频率使电机实时转速和应有转速保持一致。下列关于该控制子系统的分析,不恰当的是(　　)
A
A.卷绕圈数的变化会引起电机转速变化,属于干扰因素
B.反馈信号是编码器测得的电机转动信号
C.控制量是变频器输出电流的频率
D.输出量是电机实时转速
解析 卷绕圈数的变化会引起电机转速变化,这个是改变了电机的应有转速,是属于改变输入量,所以不属于干扰因素。
典 例 2
浇铸机结晶器钢水液位控制系统示意图如图所示。浇铸时,中间包持续向结晶器内浇注钢水,钢水在结晶器内冷却结晶后被拉坯装置拉出形成钢坯。结晶器内钢水液位的稳定和高低,直接影响钢坯的质量和产量。钢水液位波动引起电涡流传感器与液面之间的间隙产生变化,从而引起电涡流信号变化,液位仪根据信号的大小计算出实际液位,送至PLC与液位设定值比较,PLC根据比较差值通过驱动器控制电动缸运动,带动塞棒升高或降低,改变中间包浇注口的大小,调节流入结晶器内钢水的流量,从而使液位稳定在一定范围内。该控制系统中,对结晶器钢水液位控制精度没有影响的是 (　　)
A
A.液位设定值
B.液位仪的性能
C.电动缸的运动精度
D.电涡流传感器的灵敏度
解析 液位设定值是输入量,并不是干扰因素,干扰因素指的是除了输入量之外一切能够引起输出量变化的因素,其他选项均可以影响输出量(液位的实际值)。选A。
变式训练
1.(2021年浙江7月学考)如图,某小区电梯监管系统示意图。该系统通过电梯轿厢内电瓶车检测智能摄像机,能准确区分电瓶车与其他车辆,当检测到电瓶车进电梯后,会发出声光报警,并将信息关联至楼控系统,使得电梯门无法关闭。管理员看到可视化报警弹窗后,通过客户端远程喊话教育,并手动解除报警,恢复电梯运行。该楼控系统的被控对象是(　　)
D
A.电梯中的人 B.电瓶车 C.摄像机 D.电梯
解析 楼控系统控制电梯门的关闭,其被控对象是电梯。选D。
2.下列关于控制系统干扰因素的说法,正确的是(　　)
A.闭环控制系统比开环控制系统有更好的抗干扰能力
B.干扰因素是指能够引起控制系统中被控量发生变化的各种因素
C.在控制系统中干扰因素是需要克服的,不可以被利用
D.控制系统的干扰因素都是人为造成的
解析 干扰因素是指除了输入量外一切能够引起控制系统中被控量发生变化的各种因素,在控制系统中干扰因素是需要克服的,也是可以被利用的,控制系统的干扰因素可以是人为造成的,也可以是系统自身或环境产生的。
A
典 例 3
(2022年浙江7月学考)在校园农业劳动实践中,同学们为植物栽培设计了一个营养液循环控制系统(图a为系统框图模型,图b为控制系统示意图),该系统包括微控制器、环境感知部分、调节部分等。温度传感器、液位传感器、pH传感器和流速计均安装在栽培槽中。根据微控制器发出的指令,加热器与制冷器、蠕动泵、水泵联合调节栽培槽中营养液的温度、pH、液位和流速。下列关于该营养液循环控制系统的说法合理的是(　　)
B
图a
图b
A.流速控制子系统的执行器可以使用流速计
B.栽培槽中营养液的pH控制子系统可以采用闭环控制的方式
C.为提高温度控制效率,配液箱越大越好
D.为提高pH控制精度,pH传感器应安装在酸碱液箱中
解析 流速控制子系统的执行器可以使用阀门等,A错误;为提高温度控制效率,配液箱不是越大越好,而应该是适中,C错误;为提高pH控制精度,pH传感器应安装在栽培槽中,D错误。
变式训练
纸浆浓度控制系统工作原理示意图如图所示,其工作原理:控制器将传感器检测到的配浆浓度与设定值相比较,根据偏差值控制电动调节阀调节清水流量,从而使配浆浓度达到设定值。请回答1~2题。
1.该控制系统的传感器应该选用(　　)
A.浓度传感器 B.流量传感器
C.压力传感器 D.温度传感器
A
解析 因为该系统是纸浆浓度控制,所以需要检测液体的浓度。
2.在该控制系统工作原理示意图中,不直接参与浓度自动控制的部件是 (　　)
A.电动调节阀 B.控制器
C.传感器 D.手动取样阀
D
解析 控制的设计离不开控制器、执行器和输入量,即控制器、电动调节阀和传感器。

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