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第四单元 控制与设计
教材分析
重要概念：
控制、控制系统、开环控制、闭环控制、干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱方法
第四单元 控制与设计
第一节 控制的手段与应用
第二节 控制系统的工作过程与方式
第三节 闭环控制系统的干扰与反馈
第四节 控制系统的设计与实施
第一节 控制的手段与应用
能够结合一定的事例，理解控制的含义及在生活和生产中的应用。
了解人工控制和自动控制，
教学目标
指出下列事物发展与变化的多种可能性 :
鱼塘 :
成熟的西瓜 :
流行性病毒 :
大禹治水过程中 , 通过什么手段实现了什么样的目的
举出生活中通过某些手段实现特定目的的事例。
控 制：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 。
第一节 控制的手段与应用
伸缩门的自动控制
日常生活中的控制举例
1、拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。
2、声光感应开关，当有声音时灯亮。
3 、红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则不出水。
4、宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。
生活、生产、军事、国防
控制的应用
圆形齿轮、条形齿轮组
控制的手段
课本P97：马上行动
控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段
电风扇扇叶转速快慢的控制 电风扇 调节速度 换档
音响的音量控制 音响
音量的调节 旋钮
燃气热水器温度的控制 热水器 调节出水口温度的高低 改变燃气火头的大小
用喷雾器喷洒农药 喷雾器 给庄稼治病 操作喷雾器的手柄
控制的分类
从控制过程中人工干预的情形来分：
人工控制：人工纺纱、打开普通自来水龙头，揿按键打开电灯、驾驶汽车等；
自动控制：数控机床、饮料自动装罐生产线、花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等
按照执行部件的不同，控制分为：
机械控制（普通水龙头）、气动控制（公共汽车车门开关控制）、液压控制（建筑工地打桩机）、电子控制（家用电冰箱）
观察学校饮用水自动控制电热水器。
当玻璃管中的水位过低或过高时，会出现什么样的工作状态？
第二节 控制系统的工作过程与方式
能够分析典型的案例，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
通过案例分析，能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用，熟悉反馈环节的作用。
教学目标
思 考：
自行车的传动控制系统是怎样的呢？
脚蹬、曲柄、链轮、
中轴、链条、飞轮
脚踩的力
（输入）
自行车行驶的速度
（输出）
踩动脚蹬的力越大，车轮的转速就越快。
控制系统
电风扇的风速控制系统（control system）
电机、扇叶
电风扇风速的档位
（输入）
风速
（输出）
一个档位对应着一个风速。
定义：
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
控制系统
是否属于控制系统 输入 输出
电饭煲
脱粒机
红外线自动水龙头
是
通电信号
温度
是
是
通电信号
检测到人手信号
脱粒量
出水量
游泳池注水控制系统方框图：
游泳池
进水阀门
定时器
设定注水时间
（输入）
水流量
游泳池的水位
（输出）
开环控制系统
游泳池的水位只受设定的注水的时间的控制
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。
1、定义：
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，
这种控制称为开环控制系统。
列举你所知道的开环控制系统。
1、自动声光控灯
2、自动烘手机
被控对象
执行器
控制器
输入量
控制量
输出量
简单开环控制系统的方框图
控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：即执行器的输出信号。
输入量：即控制系统的给定量。
输出量：即控制系统所要控制的量。
被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。
归纳总结
游泳池注水控制系统方框图：
游泳池
进水阀门
定时器
设定注水时间
（输入）
水流量
游泳池的水位
（输出）
开环控制系统
控制器
执行器
被控对象
控制量
被控对象
执行器
控制器
输入量
控制量
输出量
简单开环控制系统的方框图
自动门的控制系统
水泵抽水控制系统
活动猴的连接
希罗的自动门
水罐
（1，2）
祭坛点火
打开庙门
转动轴
（3）
庙门
旋转量
控制器
执行器
被控对象
控制量
游泳池注水控制系统方框图：
简单闭环控制系统的方框图：
被控对象
执行器
控制器
给定量
控制量
被控量
检测装置
比较器
-
+
游泳池
进水阀门
控制器
给定水位
水流量
游泳池的水位
（输出）
检测装置
比较器
+
-
闭环控制系统
对比
控
制
系
统
开环
闭环
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响
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
系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响
输出量到输入量之间的信号形成一个回路
第三节 闭环控制系统的干扰与反馈
能够通过案例分析、马上行动和阅读等活动，找出并分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用。
教学目标
干扰就是对控制系统的行为造成影响的有害的信号及扰动，即除给定量外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
干扰因素
例1 楼宇水塔的水位控制的干扰因素分析
影响水塔水位的干扰因素主要有水塔的出水流量和水面蒸发的水量、水塔的进水流量和进水管的压力等。
其中出水流量是根据用户的用水量变化的，是不可控制的变量；水面蒸发的水量很少，可以忽略；而水塔的进水流量是可以控制的。
例2 风磨的转速控制的干扰因素分析
影响风磨转速的干扰因素主要有风速和投料量等。
当投料量一定时，风速减小，磨的转速就变慢。
克服干扰的基本方法
1、消除干扰 2、减弱干扰 3、提高控制系统性能
干扰因素
反馈
所谓反馈，就是将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。
没有反馈的控制系统为开环控制，
具有反馈的控制系统为闭环控制。
反馈
负反馈，通过反馈来减少输出量的偏差，使被控量接近给定值。
负反馈形成的系统，控制精度高，系统运行稳定。
正反馈主要对小的变化进行放大。
GPS
GPS (Global Position System)，就是全球定位系统。在大海中航行的船只，通过GPS可获得自己当前的地理位置，然后将这个位置与计算机中保存的期望位置进行比较，发现误差及时调整，使船保持在正确的航线上。GPS实际上就是自动导航系统中的反馈环节。
GPS能够提供精确的地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理等领域有着广泛的应用。
闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制系统
优点：结构简单，外界的干扰相对较小
缺点：控制精度较差
适用：控制精度要求不高而本身系统元件比较稳定。
闭环控制系统
优点：控制精度高
缺点：设计较麻烦，结构较复杂，成本较高。
适用：要求高精度和高可靠性的场合。
功能模拟方法
以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法 。
控制系统的分析方法
黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究推断系统内部结构和功能的方法，
通过观测黑箱外部的输入信息(外界对黑箱的影响)和输出信息(黑箱对外界的反应)研究和认识其功能、特性、结构、机理。
第四节 控制系统的设计与实施
能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置，或根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
教学目标
控制系统设计的一般思路
1. 开环控制系统的设计
例：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——电风扇；
被控量——电风扇输出的风速；
控制量——电机的转速；
例：电吹风控制系统的设计
被控对象——电吹风；
被控量——风的速度和温度；
控制量——电机的电压；
干扰因素——房间温度、电源电压的波动；
2. 闭环控制系统的设计
闭环控制系统的基本要求：
1. 闭环控制系统必须是稳定的；
2. 系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；
3. 要有较好的抗干扰性能；
例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
升旗简易控制装置的设计
控制系统的设计实施案例

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