4.3简单控制系统的设计课件-2025-2026学年粤科版高中通用技术必修二

——第四章 控制及其设计 第三节 简单控制系统的设计 一、控制系统设计的基本流程。 第一步 确定控制目的。 第二步 确定系统的被控量。 第三步 明确系统各项指标。 第四步 根据前面的要求和参数，确定控制系统的结构。 第五步 建立系统各环节的模型。 第六步 确定待调参数。 第七步 测试系统的性能。 例一 1.小明家的衣服晾在阳台外面有时会被雨淋湿，小明发现这一问题后尝试设计一款新型晾衣架，设想下雨时晾衣架能自动收至雨棚下，以免衣服被淋湿。小明在设计控制系统时遇到了问题，现在请你帮 着解决下列问题。 (1)该控制系统要达到的目标是 ( ) A. 下雨时雨棚会自动收起 B. 能自动收衣服 C. 能预测天是否会下雨 D. 下雨时晾衣服架能自动收至雨棚下 (2)该系统的被控对象是 ( ) A. 雨棚 B. 晾衣架 C. 衣服 D. 天气 (3)该控制系统中给控制电路输入信号的原件应选择 ( ) A. 湿度传感器(能感应湿度强弱的元件) B. 光敏传感器(能感应光线强弱的元件) C. 温度传感器(能感应温度高低的元件) D. 红外线传感器(能感应红外线强弱的元件) 答案：D 答案：B 答案：A 二、控制系统设计需要注意的事项 (1)系统的被控量，即控制系统要控制什么。 一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量。 如速度控制系统的被控量是速度，温度控制系统的被控量是温度。 但有些控制系统的控制目的与系统的被控量可能不同。 如为了控制某种化学反应的反应速度，我们可能控制的是反应时的温度； 为了减少(控制)高速公路上的交通事故，我们可能控制的是公路上的车速。 所以，在明确控制目的的同时，要认真分析为达到控制目的，我们实际需要控制什么量，这就是被控量的确定。 二、控制系统设计需要注意的事项 (2)根据要求和参数，确定控制系统的结构。我们可以根据需要选择开环或闭环控制系统。 执行器的选择与被控对象有关， 如对电机进行速度控制的系统，由于被控对象就是电机，所以执行器可以是继电器； 如在温度控制系统中，产生温度的部件可能是电热丝、灯泡甚至燃气装置。这些都可以作为产生热量的被控对象，对应的执行器可以是继电器或燃气控制阀等。 例一 小明家的衣服晾在阳台外面有时会被雨淋湿，小明发现这一问题后尝试设计一款新型晾衣架，设想下雨时晾衣架能自动收至雨棚下，以免衣服被淋湿。小明在设计控制系统时遇到了问题，现在请你帮 着解决下列问题。 控制系统设计案例分析 第一步，确定控制目的。 晾衣架控制系统的目的： 下雨时晾衣架能自动收至雨棚下，以免衣服被淋湿。 控制的目的也可以理解为控制的作用。 控制系统设计案例分析 第二步，确定系统的被控量。 晾衣架控制系统的被控量：晾衣架是否在下雨时收回。 即控制系统要控制什么，所以在明确控制目的的同时，要认真分析为达到控制目的我们实际需要控制什么量，这就是被控量的确定。一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量，但是也有一些是例外的。 控制系统设计案例分析 第三步，明确系统各项指标。 晾衣架控制系统的各项指标： 如控制的精度要求、控制的适应性要求（涉及是自动控制、手动控制或者智能控制）、系统的造价等等。 控制系统设计案例分析 第四步，确定控制系统的结构。 晾衣架控制系统的结构： 1.确定控制器、执行器、控制量、被控对象、反馈环节。 2.根据需要选择开环控制或者闭环控制。 控制系统设计案例分析 控制系统的结构 控制器 执行器 控制量 被控对象 反馈环节 开环控制 闭环控制 控 制 系 统 框 图 第四步，确定控制系统的结构。 控制系统设计案例分析 第五步，建立系统各环节模型。 模拟建立风扇系统的模型需要用到的元器件： 大型、复杂的控制系统分析和仿真都依赖于模型的建立，对于简单控制系统可直接通过实验检验系统的性能。 控制系统设计案例分析 建立控制系统模型 序号 1 2 3 4 5 6 元器件 实验器件 单价/元 数量 序号 7 8 实验增加器材 元器件 名称 数量 单价（元） 目的 实验器件 单价/元 数量 第五步，建立系统各环节模型。 控制系统设计案例分析 第六步，确定待调参数 晾衣架控制系统的待调参数： 找出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时的观察调整对象，通过对它们的调整，使系统达到最佳性能。 确定待调 参数 控制系统设计案例分析 第七步，测试系统的性能。 1.确定晾衣架控制系统的期望性能： 通过调节待调参数使系统达到了期望的性能，设计工作结束；否则，就要修改设计，包括改进系统结构甚至放宽指标要求等。 控制系统设计案例分析 第七步，测试系统的性能。 测试系统 的性能 期望值 是否达到期望值 （打√选择） 是 否 √ 课堂小结 课堂练习 2.在控制系统的设计过程中，首先要考虑的因素是 ( ) A. 控制目的 B. 开环、闭环 C. 被控量、控制量 D. 主要干扰因素 3.某校学生设计了雨天自动关窗装置，其工作原理如下：下雨时传感器把检测到的雨水信号传给放大处理 电路，驱动电动机运转，从而实现自动关闭窗户。该控制系统的传感器应选用 ( ) A. 温度传感器 B.光敏传感器 C. 湿度传感器 D. 位置传感器 答案：A 答案：C 课堂练习 4 如图为简易土壤湿度控制自动灌溉系统示意图，系统会根据设定好的干/湿门限实现自动灌溉。当土壤 湿度低于设定的湿门限时，电子控制的处理单元会发出指令给阀门让其开启放水；当土壤湿度达到湿门 限后，处理单元会发出指令，关闭阀门结束灌溉，从而达到灌溉的自动化。要实现上述的控制系统，正确选择阀门和传感器就非常重要， 下列选项中符合要求的是( ) A. 气用电磁阀和压力传感器 B. 蒸汽电磁阀和水位传感器 C. 液用电磁阀和湿度传感器 D. 真空电磁阀和温度传感器 答案：C 课堂练习 5太阳能热水器是利用太阳的能量将水加热的装置，由集热管、水箱、支架及相关附件组成。目前的太阳能 热水器水箱都带有水位自动控制系统，当水箱水位低于设定水位时，能自动加水。下列器材中，适合用作 太阳能热水器水箱水位自动控制系统的检测装置的是 ( ) A. 电 源 B. 定时器 C. 电磁阀 D. 水位传感器 答案：D 课堂练习 6.小明利用所学的知识为家里的鱼缸设计制作了如图1所示的定时加热控制系统，使用中发现无法对水温 进行精准控制，于是小明想对原控制系统进行改进。通过测温探头检测鱼缸中的水温，当温度低于下限 时，电热器开始加热；当温度达到上限，电热器停止加热。请根据题图及描述完成以下任务： (1)改进前系统的控制方式为 ,控制手段为 A. 人工控制 B. 自动控制 C. 开环控制 D. 闭环控制 (2)小明在对原系统进行改进时，明确的问题是( ) A. 设计具有区间的温度控制系统 B. 换用高精度的定时器 C. 换用大功率的电热器 答案：C ,B 答案：A 课堂练习 6.小明利用所学的知识为家里的鱼缸设计制作了如图1所示的定时加热控制系统，使用中发现无法对水温 进行精准控制，于是小明想对原控制系统进行改进。通过测温探头检测鱼缸中的水温，当温度低于下限 时，电热器开始加热；当温度达到上限，电热器停止加热。请根据题图及描述完成以下任务： (3)小明在对原系统进行改进时，进行了以下分析，其中不正确的是 A. 设计时既要考虑功能的实现，又要注意控制成本 B. 换水时的进水温度属于约束条件 C. 为避免后续调节时可能造成的损坏，在设计电路时小明应将温度提前设置好，并取消控制面板上的 调温功能 D. 改进后的系统在投入使用前应当进行技术试验 答案：C 课堂练习 6.小明利用所学的知识为家里的鱼缸设计制作了如图1所示的定时加热控制系统，使用中发现无法对水温 进行精准控制，于是小明想对原控制系统进行改进。通过测温探头检测鱼缸中的水温，当温度低于下限 时，电热器开始加热；当温度达到上限，电热器停止加热。请根据题图及描述完成以下任务： (4)请根据题图及其描述填写改进后的温度控制系统方框图(图2)(填写文字)。 答案：电热器、鱼缸中的水，实际温度 课堂练习 7.如图所示为某学生设计的太阳能花盆湿度控制系统，当花盆湿度低于最小值时，控制模块发出浇水指令， 水泵出水；当湿度高于最大值时，水泵停止浇水。请根据示意图和描述，回答下列问题。 答案：A,C (1)该控制系统属于 (填“开环控制系统”或“闭环控制系统”),控制手段是 (填“人工控制”或“自动控制”)。 (2)“风吹日晒”属于湿度控制的 (填字母)。 A. 干扰因素 B. 影响因素 C. 约束条件 (3)要提高湿度控制系统的精准度，以下措施不可行的是 (填字母)。 A. 提高传感器的灵敏度 B. 提高控制模块的控制精度 C. 提高水泵的额定功率 课堂练习 8.某花农正在筹建一个小型花房，冬季花房的温度一般控制在18℃左右，夏季一般控制在25℃左右。请帮 助他完成花房温度控制系统的设计。 (1)该控制系统适合设计成开环控制系统还是闭环控制系统? 答案：设定温度,花房实际温度，测温装置 (2)分析此控制系统的工作过程，完成控制系统方框图。 $