4.4 控制系统的设计与实施（教学课件）通用技术苏教版2019必修2

4.4 控制系统的设计与实施 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 根据控制系统的要求，确定被控量和控制量。 能够设计控制系统的方案，并搭建一个控制系统装置或模型。 对所搭建的控制系统进行调试运行以及综合评价。 二 课堂导入 下雨天，雨水收集池的水位不断升高，当水位升至溢水口时，声光报警装置启动，同时水泵开始向位于高处的蓄水箱抽水。当雨水收集池的水位降到水池高度的1/4时，应停止抽水。 三 技术探究 探究控制系统的设计要素 任务一 三 技术探究 明确这个系统要达到的目的是什么 所要控制的对象是什么 被控对象有哪些重要的特性 被控量和控制量分别是什么 外界的主要干扰因素有哪些 选择怎样的设计方案既能达到目的，又经济、易于实现 如何选择设备和元件 …… 设计一个控制系统，应该怎样做？ 三 技术探究 选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的 可行性而定。 在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常 是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从 而确定控制器的运算方式。 被控量和控制量的确定是控制方案的关键。对于简单控制系统，需要控制 的量往往被确定为被控量。控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系 统稳定有明显作用的量。 一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。 执行器、检测器的选择一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。 总之，能达到控制的目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本，减少对环境的负面影响等，是进行控制系统设计必须考虑的基本问题。 控制系统的设计方案，还包括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。 三 技术探究 三 技术探究 开环控制系统的设计 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。 例如，普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；如果是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则只需在开关环节加一个定时器就可以了。 三 技术探究 运动会会旗自动升旗控制装置的设计 体验目的：通过设计制作运动会会旗自动升旗控制装置，体验简单的开环控制系统的设计、实施和调试的过程。 情境展示：高一（3）班负责学校运动会会旗的升旗仪式，他们决定利用所学知识设计一套自动 升旗控制装置的模型。 问题分析： 1.在播放《运动员进行曲》的时间内，控制会旗匀速上升到旗杆的顶端。 2. 选择恰当的控制方案实现控制。 3. 选用成本低、易于获取的元件、设备和材料制作模型？ 设计分析： 1. 采用开环控制系统，被控对象是会旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或转速）。 开环控制系统的方框图为： 三 技术探究 运动会会旗自动升旗控制装置的设计 方案A 1. 采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。其中，机械定时器相当于电动机的开关。 2. 测得《运动员进行曲》播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。 3. 将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。 4. 初始状态使会旗处于旗杆底端。在《运动员进行曲》播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使会旗匀速上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时会旗应该正好升至杆顶。如果升旗时间与《运动员进行曲》的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。 5. 为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。机械定时器手动旋转旋钮实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作是可以满足要求的。 三 技术探究 运动会会旗自动升旗控制装置的设计 方案B 采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。 用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。 电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。 三 技术探究 运动会会旗自动升旗控制装置的设计 方案C 1. 采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电流、滑轮等元器件实现。 2. 测得《运动员进行曲》播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。 3. 将自制的电子定时器、直流电源和带有可调速电路的电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实践室现有的元件、设备和已知电路进行制作。如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。 4. 在调速电路中并联一个手动按钮，用于在出现故障时能升降旗帜。 5. 初始状态使会旗处于旗杆底端。在《运动员进行曲》播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，会旗匀速上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时会旗应该正好升至杆顶。如果升旗时间与《运动员进行曲》播放时间之间存在误差，则需要改变可调速电路电动机的转速，直到符合要求。 三 技术探究 运动会会旗自动升旗控制装置的设计 方案D 1. 采用CD唱机（含触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元器件和设备实现。 2. 测得《运动员进行曲》播放的时间和旗杆的长度，预估电动机的转速，并选择适当的滑轮的直径。 3. 从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发电路）、直流电源和电动机串联在电路中。 4. 初始状态使会旗处于旗杆底端。当播放《运动员进行曲》时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，会旗匀速上升。《运动员进行曲》播放结束，没有音频信号时，电动机停止转动，此时会旗正好升至杆顶。如果升旗时间与《运动员进行曲》的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径（如果有可调速电路，则调整电动机的转速），直到符合要求。 5. 在启停电动机的电路中并联一个手动按钮，用于在出现故障时能手动升旗。这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。 三 技术探究 思考： 高一（3）班同学提出的四种方案各有什么特点？哪种方案最容易实现？还有其他方案吗？ 各方案的特点： 方案A:主要采用机械装置进行控制，控制精度不高，需要人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案B：控制器精度提高，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案C：采用电子计时器和可调速电机，克服了方案A和方案B中滑轮和旗杆高度要配合的问题，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案D：采用音乐控制升旗，克服了前三种方案的缺点。 三 技术探究 设计与实施雨水收集池水位控制系统 任务二 三 技术探究 闭环控制系统的设计 闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求： 第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。 第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许范围之内。 第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。 三 技术探究 设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统 体验目的：通过设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统，体验针对雨水收集池进行水位报警控制和水位控制的过程。 情境展示：同学们设计和制作好的雨水收集池在雨水过多时会发生漫溢，在不下雨时又因为水位过低而无水可用，针对这一问题，大家积极寻找解决问题的方法和途径。 问题分析：雨水收集池水位报警和水位控制系统应具有以下功能：当雨水收集池的水位升到溢水口时，发出声音报警；当雨水收集池的水位到达溢水口时，把水抽到高处的冲厕蓄水箱；当雨水收集池的水位降到水池高度的1/4时，停止抽水。 根据设计要求，当雨水收集池的水位升到溢水口时，需要报警；一旦水位降到溢水口以下时，就取消报警。这部分采用开环控制即可。 当雨水收集池的水位升到溢水口时，需要启动水泵开始向高处的冲厕蓄水箱抽水，直到雨水收集池水位降到水池高度的1/4时停止抽水，这部分需要采用闭环控制来实现。 三 技术探究 设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统 主要过程： 采用两个控制系统共同实现上述功能：一是报警系统，二是水位控制系统。 1. 报警系统 采用水位传感器检测水位，当水位达到溢水口时，使电磁继电器闭合，电路接通，声光报警。当水位降到溢水口以下时，电磁继电器断开，声光报警取消。 报警控制系统的方框图如下： 三 技术探究 设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统 主要过程： 采用两个控制系统共同实现上述功能：一是报警系统，二是水位控制系统。 2. 水位控制系统 采用水位传感器检测水位，当水位达到溢水口时，潜水泵启动，抽水到冲厕蓄水箱。当水位传感器检测到水位降到水池高度的1/4时，潜水泵停止抽水。 水位控制系统的方框图如下： 三 技术探究 三 技术探究 设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统 主要过程： 3. 制作与测试 （1）为实现上述控制系统准备材料，并列出材料清单。 （2）画出实物连接图，并搭建控制系统。 （3）测试系统是否达到控制要求，并写出测试报告。 思考： 1. 结合党的二十大报告提出的“实施全面节约战略，推进各类资源节约集约利用，加快构建废弃物循环利用体系”谈该项目设计与制作的意义和价值。 2. 一般情况下，要实现高水位开始抽水、低水位停止抽水，要用两个传感器。你是否能用一个传感器来实现这个控制目的呢？ 目前的情况下，采用一个传感器来实现该控制目的一般无法实现，因为同一传感器无法同时检测两个点。 四 课堂小结（思维导图） 控制系统的设计　　与实施 探究控制系统的设计要素 设计要素 目的 被控对象 控制量 干扰因素 设备和元件 …… 开环控制系统的设计 设计与实施雨水收集池水位控制系统 闭环控制系统的设计 稳定 控制精度 抗干扰性能 五 拓展延伸 控制论 研究生命体、机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。英文cybernetics一词源于希腊文κυβερνητηζ，原意为“掌舵人”，转意为“管理人的艺术”。法国物理学家和数学家A.-M.安培1834年曾用这个名词称呼管理国家的科学。 美国数学家维纳创立控制论时采用这个名词，一方面借此纪念英国物理学家J.C.麦克斯韦1868年发表的论述反馈的论文《论调速器》（On governors），governor一词就是从希腊文“掌舵人”讹传而来的；另一方面船舶的操舵机曾是早期的一种通用反馈机构。 控制论的建立是20世纪的伟大科学成就之一，现代社会的许多新概念和新技术几乎都与控制论有着密切关系。控制论的应用范围覆盖了工程、生物、经济、社会、人口等领域，成为研究各类系统中共同的控制规律的一门科学。 六 课堂练习 1.有一位工程师为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框图，并分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。 脚踏运动 发电机 摩擦轮 传动机构 蓄能稳压装置 自行车轮 电视机 六 课堂练习 2.如图所示为纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理是：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。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 六 课堂练习 3.人们设计了如图所示的一个可移动晾衣架，该衣架的特点是：在有阳光的情况下可以自动将衣服移出窗台，在没有阳光的情况下自动将衣服移回阳台内。该控制系统宜采用的传感器是（    ） A．红外传感器 B．压力传感器 C．湿敏传感器 D．光敏传感器 D 六 课堂练习 4.一谷物湿度控制系统示意图如图所示，系统启动后传送装置就不断传送谷物。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出 粉最多的最佳湿度，根据在调节器中所设置最佳 湿度，当湿度测量装置检测到输出谷物的湿度偏 低时，调节器将打开自动阀门放出相应量的水， 从而使谷物达到最佳湿度。请根据示意图及其描述，完成以下小题。 六 课堂练习 （1）下列关于该谷物湿度控制系统的说法，正确的是（   ） A．输入量是水源 B．控制器是自动阀门 C．被控对象是谷物 D．执行器是湿度测量装置 C 六 课堂练习 （2）由于谷物湿度的偏差被检测出来时，就已经有一部分谷物湿度不达标了。若要进一步提高输出谷物湿度的准确度，以下措施最合理的是（   ） A．提高湿度测量的灵敏度，使输出谷物湿度产生极小的偏差时就能被检测出来 B．增加一组输出谷物的湿度测量装置，减少检测误差 C．放慢传送装置的传送速度，以增加测量时间 D．对输入谷物进行湿度测量，并根据测量结果进行定量喷水 D 谢 谢！ 高中通用技术苏教版（2019）必修2 Lavf61.7.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf60.20.100 $