4.3闭环控制系统的工作过程 （课件）-2025-2026学年苏教版高中通用技术必修二

闭环控制系统的工作过程 小项目实战：搭建土壤湿度控制系统 1.7.2013 ‹#› 如何让植物“按需喝水”？ 绿萝：雨林仙子 喜阴忌干，传统定时浇水常造成水分不足。 虎皮兰：沙漠勇士 喜热耐干，传统定时浇水易导致根部腐烂。 1.7.2013 ‹#› 思考：应该如何改进自动浇灌装置，给两种植物浇水？ 定时器 设定的浇水时间 水泵 出水管 出水量 转速 1.7.2013 ‹#› 如何让植物“按需喝水”？ 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 关闭 洒水 不洒水 电磁阀的开启与关闭取决于来自什么装置的信号？ 1.7.2013 ‹#› 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。 闭环控制系统：控制系统中的输出量返回输入端，并对控制过程产生影响。 1.7.2013 ‹#› 构成闭合回路！ 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，与给定值进行比较，构成一条闭合回路。 1.7.2013 ‹#› 设定土壤湿度 控制器 X 比较器 电磁阀 花盆 土壤的湿度 湿度传感器 出水量 + - 输入信号 反馈通道，检测到土壤湿度信号，返回到输入端 具有计算功能，与给定湿度值作比较 进行运算处理，当实际湿度低于设定湿度，控制器向执行器下达指令 直接对被控对象进行控制 1.7.2013 ‹#› 开环控制系统 VS 闭环控制系统 控制器 X 比较器 执行器 被控对象 给定量 被控量 检测装置 控制量 + - （输入量） （输出量） 控制器 执行器 输入量 被控对象 输出量 控制量 （给定量） （被控量） 从设定湿度到实际土壤湿度的信息传递 从输出端返回到输入端的信号传递，与给定值进行比较 1.7.2013 ‹#› 拓展延伸：生活中的“闭环” 电冰箱的温度控制 通过温度传感器监测实际温度，并与设定值比较，自动启停压缩机，维持箱内温度稳定。 思考：空调、热水器、定速巡航、人体体温调节... 冰箱温度闭环控制 1.7.2013 学习了理论，也做了实验，现在让我们把目光投向更广阔的生活。其实，闭环控制的思想已经深深融入了我们现代生活的每一个角落。大家每天都会用到的电冰箱、全自动洗衣机，它们的工作原理背后，都蕴含着闭环控制的智慧。希望通过今天的学习，大家能够拥有一双“发现”的眼睛，去观察和分析我们身边无处不在的科技之美。 ‹#› 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 马上行动 否 是 否 是 1.7.2013 ‹#› 开环控制系统 闭环控制系统 主要区别 无反馈，输出量与输入量非“同类项” 有反馈，输出量与输入量“同类项” 控制精度 不高 高 关键信息 定时、声控、触控、报警等开关类控制 恒温（保温）、恒压、恒速、定量类控制 类别 控制精度 系统结构复杂程度 系统成本 闭环控制系统 高 复杂 高 开环控制系统 低 简单 低 1.7.2013 ‹#› 核心概念 1.7.2013 了解了闭环系统的基本组成后，我们还需要掌握几个非常关键的核心概念，它们是理解和分析闭环控制系统的钥匙。这三个概念就是：反馈、干扰和黑箱方法。 ‹#› 概念一：反馈 (Feedback) 定义 将系统输出量通过传感器返回输入端，与目标值进行比较的过程。 作用 闭环系统的灵魂，让系统能“感知”并调整，使输出逼近目标。 反馈控制系统示意图 作用：减少输出量的偏差，从而稳定输出量 1.7.2013 ‹#› 概念二：干扰 (Disturbance) 定义 在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起输出量（被控量）变化的各种因素都可以视为干扰因素。 影响 控制系统的干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上 干扰源：暴雨 干扰可能一个，可能多个 可以减弱、克服、消除干扰，甚至利用干扰， 但不可以控制干扰 1.7.2013 ‹#› 开环控制系统没有反馈功能，系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须要借助于人工 闭环控制系统本身有个反馈系统，系统可以自动进行纠正 √ 同一个控制问题，面对相同的干扰，开环和闭环谁受到的影响更小？ 1.7.2013 ‹#› 概念三：黑箱方法 (Black Box Method) 定义 在不打开、不破坏系统内部结构的前提下，通过观察输入与输出的关系来推断其功能和特性。 核心思想 忽略内部细节，只关注输入与输出的映射关系。 图：黑箱方法示意图 1.7.2013 最后一个核心概念是黑箱方法。这是一种非常聪明的研究问题的思路。当我们面对一个非常复杂的系统，或者我们暂时不需要了解其内部结构时，我们就可以把它当作一个“黑箱”。我们不去关心它里面是什么样子，只关注它的输入和输出。就像我们使用手机一样，我们不需要知道手机内部的CPU、内存是如何工作的，我们只需要知道，按这个键会有什么反应，输入这个指令会得到什么结果。在我们的项目中，很多现成的电子模块，我们都可以把它们当作“黑箱”来使用，这可以大大简化我们的设计过程。 ‹#› 不切开西瓜，怎么选个又熟又甜的西瓜呢？ 黑箱方法 通过观测和考察它的输入和输出的关系来推测其内部的特性和功能。 西瓜 看、听、拍 生或熟 1.7.2013 最后一个核心概念是黑箱方法。这是一种非常聪明的研究问题的思路。当我们面对一个非常复杂的系统，或者我们暂时不需要了解其内部结构时，我们就可以把它当作一个“黑箱”。我们不去关心它里面是什么样子，只关注它的输入和输出。就像我们使用手机一样，我们不需要知道手机内部的CPU、内存是如何工作的，我们只需要知道，按这个键会有什么反应，输入这个指令会得到什么结果。在我们的项目中，很多现成的电子模块，我们都可以把它们当作“黑箱”来使用，这可以大大简化我们的设计过程。 ‹#› 课堂小结 闭环控制系统的基本组成 闭环控制系统VS开环控制系统 核心概念 反馈、干扰、黑箱方法 控制器 X 比较器 执行器 被控对象 给定量 被控量 检测装置 控制量 + - （输入量） （输出量） 1.7.2013 这就是我们今天课程的知识体系。大家可以看到，我们从一个具体的项目出发，学习了一个系统、两个核心、三个步骤、四种方法和五种组成。希望通过这个思维导图，大家能够构建起一个清晰、完整的知识框架，真正地掌握闭环控制系统的相关知识。 ‹#› 1.7.2013 今天的课程到这里就全部结束了。非常感谢大家的认真聆听和积极参与。希望通过今天的学习，大家不仅掌握了知识，更重要的是，能够体会到动手实践的乐趣，以及用技术解决实际问题的成就感。大家如果有什么问题，现在可以提出来，我们一起交流探讨。谢谢大家！ ‹#› $