4.3 闭环控制系统的工作过程（教学课件）通用技术苏教版2019必修2

4.3 闭环控制系统的工作过程 苏教版（2019）必修《技术与设计2》 高中通用技术 目录 一 学习目标 二 课堂导入 三 技术探究 四 课堂小结 五 拓展延伸 六 课堂练习 学习目标 一 通过实践体验，分析闭环控制系统的基本组成和工作过程，学会画闭环控制系统的方框图。 通过案例分析，理解传感装置在闭环控制系统中的作用。 结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。 二 课堂导入 陈晨家阳台上种植了两种植物——虎皮兰和绿萝。虎皮兰喜热、耐干旱，绿萝则喜阴湿、忌干燥。这两种植物不能采用同一定时浇水方式，应该如何改进自动浇灌装置呢？ 三 技术探究 解析闭环控制系统工作过程 任务一 三 技术探究 搭建土壤湿度控制系统 体验目的：通过搭建土壤湿度控制系统，感受闭环控制系统的工作过程。 情境展示：不同的植物需要的水量不同，喜干和喜湿的植物不能采用同一定时浇水方式。为解决这一问题，陈晨打算设计一个可以根据不同植物的土壤湿度需求来决定是否浇水和浇多少水量的自动控制装置。 问题分析：相对于定时浇灌，根据土壤湿度调节浇水量的方式，在方案设计上有什么不同？ 活动准备： 材料：控制器、湿度传感器、电磁阀、集水箱、花洒、阀门、支架等。 工具：钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀等。 主要过程： 1. 如图4-25所示，根据控制系统示意图进行搭建。 2. 用湿度传感器检测土壤湿度，与控制器连接，从而控制电磁阀 的开与关，为植物输送雨水。 三 技术探究 三 技术探究 搭建土壤湿度控制系统 主要过程： 3. 调试并观察过程，填写下表： 土壤湿度情况 电磁阀的状态 花洒的状态 当湿度传感器检测到花盆内土 壤湿度不够时 当湿度传感器检测到花盆内土 壤湿度达到要求时 打开 洒水 关闭 不洒水 思考：电磁阀的开启与关闭取决于来自什么装置的信号？ 湿度传感器的信号 三 技术探究 在上述土壤湿度控制系统中，输入信号是设定的土壤湿度。湿度传感器检测到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），与给定湿度值作比较。当实际湿度比设定湿度低时，控制器控制电磁阀打开，给植物浇水；当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出信号关闭电磁阀，停止浇水。 该浇水自动控制系统的方框图如图4-26所示： 三 技术探究 从这一控制系统方框图中可以看出，在系统的输入端和输出端之间，除了有从设定湿度到实际土壤湿度的信息传递，还有从输出端返回到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端，与给定量进行比较，构成一条闭合回路。 三 技术探究 闭环控制系统 我们把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称为闭环控制系统。 检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端； 是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；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。 ⊗ 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。 三 技术探究 判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，并画出方框图。 控制系统 是否属于闭环控制系统 方框图 光控窗帘控制系统 电冰箱的温度控制系统 声光楼道控制系统 交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统 否 是 否 是 三 技术探究 一  离心式调速器对蒸汽机转速的控制 离心式调速器的原理是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴 上装有一个四连杆机构，连杆带有两个重球。当蒸汽机转动加快超过某 一限定值时，竖轴也转动加快，两个重球随之升高，这时与重球连接的 调节杠杆便将进气阀关小，从而使蒸汽机的转速降低一些。反之，若蒸 汽机的转速过慢，则竖轴转动过慢，重球的位置也下降，这时连杆便将 阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。 思考：该调速器的传感装置是什么部件？通过什么动作来改变蒸汽 阀门的大小? 该调速器的传感装置是四连杆机构和重球构成的离心摆。重球的升降带动套筒的升降，再通过调节杠杆，调节阀门的大小。 三 技术探究 二  电冰箱的温度控制 很多电冰箱的工作温度是通过温度控制器控制压缩机的开、停实现的。 其温度控制的工作过程如下： 1. 温度调节旋钮设定一个温度值，主弹簧决定了传动膜片、连接杆和活动触点的相对位置。 2. 当电冰箱压缩机停止工作后，蒸发器表面温度逐渐上升，感温包和膜盒内的感温剂气体的温度也随着上升，压强增大，使传动膜片向外伸胀，通过连接杆推动活动触点与固定触点闭合，于是电路接通，压缩机开始工作，连续制冷，使电冰箱内的温度下降。 3. 当电冰箱内的温度降低到设定温度时，感温包和膜盒内的感温剂气体压强降低到某个值，传动膜片向内收缩，弹簧的弹力使活动触点和固定触点断开，切断电源，压缩机停止工作，制冷停止。如此反复，电冰箱的工作温度便保持在设定的温度范围内。 三 技术探究 二  电冰箱的温度控制 温度调节旋钮、主弹簧、充有感温剂气体的感温包和膜盒、传动膜片、连 接杆、活动触点、压缩机等构成了电冰箱温度控制系统。 思考：分析电冰箱温度控制系统的工作过程，找到控制器、执行器、被控 对象、检测装置对应的部件，并填入如图4-30所示方框图中对应的空格。 主弹簧及连接杆 活动触点 电冰箱 感温包 三 技术探究 辨析反馈在控制系统中的作用 任务二 三 技术探究 三 技术探究 搭建抽水控制系统模型 体验目的：通过搭建抽水控制系统模型，感受反馈在控制系统中的作用。 情境展示：为了避免暴雨季雨水收集池中溢出的雨水白白浪费，陈晨打算为雨水收集池增加一个蓄水箱，当雨水收集池的水位达到溢出口位置时，潜水泵把雨水收集池中的水抽到蓄水箱中，为厕所冲刷之用。当收集池的水位降低至池高度的1/4时，潜水泵就停止抽水。 问题分析：该装置要实现当水位达到一定高度时潜水泵开始抽水，水位降低到某位置时潜水泵停止抽水，其核心部件是什么？ 活动准备： 材料：雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、水管、电极式水位传感器、控制电路模块等。 工具：钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀、多用电表等。 三 技术探究 搭建抽水控制系统模型 主要过程： 1. 搭建模型，如图4-32所示，将雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、电极式 水位传感器、控制器、水管等依次连接。 2. 测试。 （1）向雨水收集池注水，当水位达到溢水口时，潜水泵启动，抽水 到冲厕蓄水箱。 （2）当雨水收集池水位降到池高度的1/4时，潜水泵停止抽水。 三 技术探究 三 技术探究 思考： 1. 观察雨水收集池的水位高度与潜水泵工作状态，填写下表： 2. 采用单一传感器如何实现该水位控制？ 采用单一传感器，需要传感器既能检测高水位信号并将其返回到输入端，又能检测低水位信号并将其返回到输入端。 雨水收集池水位高度 潜水泵工作状态 水位达到溢水口时 水位降到池高度的1/4时 启动 停止 三 技术探究 反馈 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，就是反馈。 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。 在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺少的形式。 三 技术探究 花房恒温自动控制系统 花房恒温自动控制系统可以对温度、土壤湿度和光照进行 控制。 请填写下表，完成第一行花房恒温自动控制系统的控制参 数，并完成第二、三行其他控制系统的控制参数。 自动控制系统 输入量 检测装置 输出量 花房恒温自动控制 设定温度 温度传感器 花房内温度 花房土壤湿度自动控制 花房光照度自动控制 设定湿度 湿度传感器 花房土壤湿度 设定光照度 光传感器 花房光照度 三 技术探究 干扰因素 在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。 有的干扰因素是环境造成的，有的干扰因素是人为原因所致。 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。 三 技术探究 教学扩音器与干扰 教学扩音器，俗称“小蜜蜂”。在教学中使用“小蜜蜂”，既能有效保护教师的嗓子，又能保证所有学生都能听清楚教学内容。 “小蜜蜂”虽然优点颇多，但也存在易受外界电磁波干扰的缺点。教师佩戴“小蜜蜂”讲课的过程中，当手机接收到短信和电话时，“小蜜蜂”就会发出“嗡嗡”的噪音。 是什么原因导致“小蜜蜂”发出噪音呢？原因就在于手机在收发信号时信号强度较大，“小蜜蜂”射频信号屏蔽能力不足时会拾取到手机的信号脉冲，因此产生了射频干扰，便发出了噪音。射频干扰是电磁波所带来的干扰，当两个频率相差不多的电磁波同时被接收机接收，就造成了干扰。 因此，教师在携带教学扩音器讲课时，为避免射频干扰，应关闭手机。 思考：查阅资料，了解飞机在起飞和降落时，乘客使用手机是否会对飞机飞行构成干扰。 飞机在起飞和降落时需要利用跑道上的盲降台向飞机发射电磁波信号以确定跑道位置。手机不计在拨打或接听电话过程中会发射电磁波信号，在待机状态也在不停和地面基站联系。在它的搜索过程中虽然每次发射信号的时间很短，但具有很强的连续性，会对飞机的导航系统造成干扰，所以飞机在起飞和降落时不允许乘客使用手机。 三 技术探究 干扰因素 在一般控制系统中，干扰因素 是需要克服的。而在有些情况下， 却可以利用干扰因素实现某种目的。 如在军事演习中，红方利用一 定频率的电磁波对蓝方的信息指挥 系统进行干扰，使之不能正常工作。 但在生产生活中，我们需要以慎重、严谨的态度对待干扰因素。 三 技术探究 闭环控制系统与开环控制系统的比较 开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。也就是说，由于某种干扰信号的作用，使输出信号出现非正常状态时，开环控制系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工，而闭环控制系统则不然。所以，对于同一个控制问题，开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭环控制系统。 三 技术探究 花房恒温自动控制系统 请比较开环控制系统与闭环控制系统的控制精度、系统结构复杂程度、系统成本及其适用场合，正确填写下表。 类别 控制精度 系统结构复杂程度 系统成本 适用场合 闭环控制系统 开环控制系统 高 低 复杂 简单 高 低 广泛 控制量的变化规律可以预知；可能出现的干扰可以抑制；被控量很难测量 三 技术探究 三 技术探究 黑箱方法 在生活中，有时我们需要认识的对象内部无法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能。 这种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。 三 技术探究 1. 闭环控制系统与开环控制系统相比，其特点有哪些？ 2. 通常在什么情况下，人们需要采用黑箱方法研究控制系统？ 闭环控制系统在抗干扰方面具有独特的优势，只要输出量有所误差它就会进行控制，而不管这种误差产生的原因。 控制系统的内部结构和机理不能直接观察的情况下，人们需要黑箱方法进行研究。通过考察控制系统的输入、输出及其动态过程，来定量或定性地认识控制系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理。 四 课堂小结（思维导图） 闭环控制系统的工作过程 解析闭环控制系统工作过程 闭环控制系统的概念 闭环控制系统的方框图 辨析反馈在控制系统中的作用 反馈 干扰因素 闭环控制系统与开环控制系统的比较 黑箱方法 五 拓展延伸 传感器 传感器是一种检测装置，能检测到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器品种繁多，原理各异。传感器的分类方法很多，根据现象所属领域来分，有物理传感器、化学传感器和生物传感器；根据所用敏感元件的材料来分，有半导体传感器、陶瓷传感器、有机高分子传感器、光纤传感器等；根据功能来分，有单功能传感器、多功能传感器、智能传感器、仿生传感器等。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的重要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，使物体变得“活”起来。 六 课堂练习 1.（多选）下列事例中，属于黑箱方法的是（    ） A．象棋对弈 B．买西瓜通过“看形，看色，听声，测弹性”判断生熟 C．医疗中运用CT技术对病变部位进行检查 D．中医看病通过“望、闻、问、切”诊断病情 BD 六 课堂练习 2.如图所示，这是储气罐气压控制系统原理图。当检测装置检测到储气罐中的气压低于设定值时，控制器控制压缩机运转，使储气罐的气压升高到设定值。该控制系统的方框图是（    ） A． B． C． D． C 六 课堂练习 3.关于家用电冰箱温度电子控制系统中反馈作用的说法，正确的是（    ） A．将温度信号转变为电信号 B．检测温度信号 C．对温度信号进行分析、判断和处理 D．将检测到的冷冻和冷藏温度返回到输入端来调整温度的控制 D 六 课堂练习 4.如图所示，这是平台小球位置控制系统示意图。其工作过 程为：摄像机连续获取小球的实时位置信息（如图1所示）， 控制器将接收到的小球位置信息与设定位置进行比较，计算 出小球与设定位置的偏差值，控制舵机驱动器，通过舵机调整平台倾斜角度（如图2所示），使小球移动到设定位置。下列关于该平台小球位置控制系统说法正确的是（    ） A．控制量是小球的实际位置 B．被控对象是舵机 C．输入量是摄像机获取的信息 D．平台表面粗糙度的变化是干扰因素 D 六 课堂练习 5.粮库的温度和湿度都需要控制。小型粮库一般是定 期进行人工检测，根据需要进行温度和湿度的控制。 如果粮库的规模扩大了，需要实现温度和湿度的自动 控制，请设计控制方案，画出控制方框图。 设定温度、湿度 降温、除湿装置 粮库 实际温度、湿度 湿度、温度检测装置 谢 谢！ 高中通用技术苏教版（2019）必修2 Lavf60.20.100 Lavf60.20.100 Lavf61.7.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $