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第四章 控制与设计导学案
一、学习目标
1、理解控制的含义及控制现象，了解控制的手段，理解控制在生产生活中的应用。
2、分析典型案例，熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
3、熟悉闭环控制系统的基本组成，能画出一个简单的闭环系统控制方框图，理解控制器、执行器的作用。
4、能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。
5、熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用和工作过程；了解功能模拟法和黑箱法的应用
6、能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置。
二、学习重点
1、能结合案例分析开环和闭环控制系统的工作过程
2、反馈；控制系统设计的一般思路
三、学习难点
会画出开环或闭环控制系统的工作方框图
四、学习过程
1、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
2、控制的应用：（注意：理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。）
生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制。生活中的控制例子：教室的电灯，同学制作的台灯，声光控路灯，教室的门，银行的自动门，肯德基的感应出水龙头。
例如：人力三轮车转弯过程中的方向控制问题，其控制的对象就是 ，控制的目的是为了 ，控制的手段是 ，改变前轮的方向并带动后轮。
3、控制方式：人工控制和自动控制
从控制过程中人工干预的情形来分，控制有人工控制和自动控制。
人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。人工控制又称手动控制。例如： 、 、
自动控制是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。例如：花房恒温控制、 、 。
4、控制系统的工作过程与方式：开环控制和闭环控制
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。一般的控制过程都有一个输入和一个输出，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
案例1：声控开关控制过程
声音的强弱→声控开关→灯泡→灯泡的亮与熄
案例2：画出公共汽车车门的开关控制过程
控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。
（一）开环控制系统
开环控制系统是指输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统（即不将控制的结果反馈回来影响控制过程），这种控制系统为开环控制系统。
在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图。如下图
控制量
输入量 输出量
输入量——即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；
输出量（被控量）——控制系统所要控制的量（即控制目的），也就是控制系统的输出信号，如游泳池的水位；
被控对象——控制系统中所要求的装置或生产过程，即对被控量进行调整时所操作的对象，如游泳池；
执行器——直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；
控制器——控制命令的发出者，即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；
控制量——执行器的输出信号，即能对被控对象产生作用，从而使被控量发生变化的量，如流过阀门的水量。
案例1：游泳池进水控制系统方框图
设定注水时间→定时器→进水阀门→游泳池→游泳池的水位 我们在投掷飞镖时，大脑控制手臂的投掷动作将飞镖掷出。当飞镖飞出后，飞镖的飞行就不可控制了。能否命中目标，取决于飞镖脱离手时的状态。
案例2：画出自动门的控制系统方框图
案例3：画出车辆超速检测系统方框图
案例4：火灾自动报警控制系统工作过程方框图
（二）闭环控制系统
系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。（即能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用）
简单闭环控制系统的方框图如下：
控制量
输入量 ＋ 输出量
－
反馈环节：系统中将控制结果反馈回来的部分，称为反馈环节。反馈环节把反馈回来的信号输送给检测装置（比较器）。
案例1: 电冰箱的温度控制方框图
案例2:供水箱的水位自动控制系统方框图
案例3:加热炉的温度自动控制系统方框图

闭环控制系统的优点：当控制结果出现偏差时，能够对其进行修正。所以其控制效果好，精度高。
闭环控制系统的缺点：结构复杂，成本较高。
开环控制系统的优点：结构简单，成本低廉。
开环控制系统的缺点：不能自动修正被控制量的误差、系统参数的变化或外来未知干扰都会影响系统精度。
5、控制中的干扰
一个控制系统在运行过程中，常常会受到一些变化不定的因素的影响。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称为干扰因素。
就干扰的性质来说，有些干扰是可以避免的（如室内投飞镖时风对飞镖的干扰），这些干扰我们可以采取消除、减弱的办法克服；而有些干扰是不可以避免的（如风对飞行中的飞机的干扰），这些干扰我们只能在提高控制系统的性能上下功夫。
6、控制系统设计的一般思路
案例分析1：电吹风控制系统的设计
设定电吹风的档位 风的速度和温度
案例分析2：抽水马桶自动控制系统的设计
案例分析3：自动升旗简易控制装置的设计
7、反思与困惑
被控对象
执行器
控制器
被控对象
执行器
控制器
检测装置
电机、风扇、电热丝

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