第四单元 控制及其设计课件-2025-2026学年苏教版高中通用技术必修二

控制及其设计 1.控制的手段和应用 2.开环控制系统和闭环控制系统 1 1.控制的手段和应用 01 控制的手段 1.我们身处的教室中有哪些控制呢？ 电灯的控制 风扇的控制 空调的控制 显示屏的控制 2.为什么要进行控制呢？如果没有控制会发生什么？ 空调太冷，导致学生感冒了。 显示屏无法显示老师想要的内容，学生无法学习。 风扇不转，无法无法给学生提供服务。 电灯不亮，学生无法晚修。 01 控制 例1：射手拿起弓箭，瞄准靶心，使箭射中靶心。 例2：小鸿上次月考考差了，他通过求助老师解答自己不会做的 题目，学习他人良好的学习方法，再加上自身努力学习，在这次 月考取得令自己满意的成绩。 例3：游泳池的水面总是保持一定的高度。 控制是人们按照自己的意愿和目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。 01 控制 对控制现象的理解从下面三方面入手： 对象：控制的对象是什么？ 目的：控制要达到什么目的？ 手段：要采用什么样的手段来控制？ 控制事例：自行车匀速行驶的控制 自行车 自行车匀速前行 刹车或者加速 01 控制 控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段 音响的音量控制 电风扇转速的控制 汽车方向的控制 大禹治水 音响 音量的调节 旋钮或者按键 电风扇 调节速度 换挡 汽车 改变汽车的行驶方向 调节方向 洪水 安息洪波、大治水患 疏通河道、泄洪为主 马上行动 01 控制 两个水龙头在控制上的区别是什么？ 从控制的过程中人工干预的情形来分： 人工控制 在人的直接干预和全程干预下进行的。 如：人工纺纱、打开普通自来水龙头、按键打开电灯、驾驶汽车等 手动开关 感应开关 自动控制 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。 如：数控机床、饮料自动装罐生产线、花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等 驾驶汽车 数控机床 01 控制的分类 自动控制 自动门 在无人参与的情况下，利用外加的设备或装置(自动控制装置或控制器)使整个生产过程或工作机械(被控对象)自动地按预定规律运行，或使其某个参数(被控变量)按预定的要求变化。 这个外加的装置称为“控制器”。 从执行控制的部件来分： 机械控制 气动控制 液压控制 电子控制 …… 01 控制的分类 控制应用到生活中，提高了人们生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足人们的需要。 分组 案例 生活 军事 农业 医疗 说出控制在各个领域中应用的案例 导弹、卫星 大棚温度控制、农业灌溉 打点滴、医疗设备 空调、风扇 01 控制的应用 手摇扇  电风扇  空调机 手动 手动控制 自动控制 控制应用到生活中，提高了人们生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足人们的需要。 01 控制的应用 公共场所的红外线自动水龙头通过对红外线的强或弱的感应，自动控制水龙头的开或关，使用起来更方便、卫生、并且能够节约用水。 控制应用到生活中，提高了人们生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足人们的需要。 01 控制的应用 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，控制在生产中得到了极为广泛的应用。 锤式微灌 农田节水灌溉控制，在控制农田灌溉水量、实现水量均匀喷灌的同时，减轻了农民的劳动强度。 飞机喷洒技术 自动生产线 01 控制的应用 控制在军事、国防领域也有着广泛的应用。 导弹 飞船 01 控制的应用 14 思考 自动控制技术在各行各业的应用，一方面减轻了人的劳动强度，解放了劳动生产力，另一方面也可能造成失业人数增加。对此，你有什么看法？ 并不矛盾，发展技术密集产业，实现自动控制，解放劳动生产力，减轻人的劳动强度，是社会发展的趋势，而富余劳动力则可以通过发展第三产业得以解决。 01 控制的应用 控制的含义 分析控制现象： 控制的分类 控制在生活和生产的应用 对象 手段 目的 按控制过程中人工干预情况划分：人工控制和自动控制 按控制部件划分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制 控制是人们按照自己的意愿和目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。 01 控制的手段和应用 小结 2.开环控制系统和闭环控制系统 系统由要素构成 输入 输出 系统、装置、要素 方框图 控制系统由控制环节中涉及的装置（要素）构成 自动控制系统 由被控对象和控制器按一定方式连接起来，以完成某种自动控制任务的有机整体。 环节1 环节2 环节5 环节3 环节4 环节n 装置 装置 装置 装置 装置 装置 控制系统 02 控制系统 思考：此系统的输入与输出是什么？ 02 控制系统 控制系统 输入 输出 红外水龙头 自动开关的窗户 空调房间温度控制 人手反射的红外信号 水龙头的通、断 室外的雨水信号 窗户的开、关 设定的温度 实际温度 给定量\设定量\输入量 控制开始的第一步 输入信号 输出量 控制的结果 输出信号 思考并分析水位自动报警器控制系统的工作过程 02 控制系统 水位传感器 水位 继电器 报警器 声音、红色灯光 连通 控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。 控制量 （给定量） （被控量） 执行器 控制器 被控对象 输入量 输出量 输出 输入 控制量 （给定量） （被控量） 执行器 控制器 被控对象 输入量 输出量 02 控制系统 开环控制系统方框图 输入量：是指控制系统的给定量，如设定时间 输出量：是指控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如浇灌的水量 被控对象：是指控制系统中所要求控制装置或生产过程 执行器：是指直接对被控对象进行控制的装置或元件，如阀门 控制器：是指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：是指执行器的输出信号，如流过水管的水量 02 控制系统 开环控制系统方框图 控制量 （给定量） （被控量） 执行器 控制器 被控对象 输入量 输出量 信号传递方向 系统的环节 （大脑） （干活） 看控制的名字。 看控制的目的。 看控制的结果。 ★要求：会找开环控制系统中各个量 电动机---转动量； 阀门（水）---水流量； 加热器---热量； 电子开关--电流； 控制开始的第一步 输入信号 控制的结果 输出信号 接收信号进行处理、判断，下发指令 直接对被控对象进行控制 执行器的输出信号 系统中所要求控制的装置或生产过程 绘制开环控制系统的方框图： (1)音乐喷泉的控制。 声音通过声电转换装置转换成电信号传递给电动机，带动水泵转动，喷出水柱。音乐信号越强，水柱越高。 (2)公共汽车车门的开关控制。 公交车一般都是气动折叠门，驾驶员一按开关，电磁阀通电，气路接通，气泵进气or排气，车门就打开or关上。 水柱 高度 音乐 声电转换 装置 水泵/ 电动机 水柱 水泵转速 车门开/关 按开关 控制电路 电磁阀 车门 推动活塞 绘制开环控制系统的方框图： 庙门开/关 点火 1、2及重锤 转轴3 庙门 转动 希罗自动门控制系统 绘制开环控制系统的方框图： 门开/关 人体红外信号 控制电路 电机 门 转动 自动门控制系统 绘制开环控制系统的方框图： 气囊是否充气 碰撞信号 诊断模块 气体发生器 气囊 气流量 汽车安全气囊控制系统 传感器检测到汽车碰撞信号经诊断模块判定和处理后，触发气体发生器给气囊充气。 小游戏 请你来画鼻子！闭着眼睛画左边，睁着眼睛画右边 02 控制系统 02 控制系统的分类 闭眼睛画： 睁眼睛画： 通过眼睛把结果进行反馈 没有反馈 开环控制系统：控制系统中的输出量不对系统的控制产生任何影响 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 构成闭合回路！ 绘制的鼻子 大脑 手 目标鼻子 图像 眼睛 绘制的鼻子 大脑 手 目标鼻子 图像 02 控制系统 自动泳池水位控制系统的工作原理 进水阀门 控制电路 水池 实际水位 水位检测装置 给定水位 出水量 比较器 给定量：系统设定的量。 比较器：比较给定量与检测装置检测的输出量，将对比的结果以信号发送给控制器。 控制器：对比较器发出信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。 执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。 控制量：执行器的输出信号。 被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。 输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。 检测装置：检测输出量的装置或元件。 执行器 控制器 被控对象 控制量 给定量 输出量 检测装置 比较器 02 控制系统 闭环控制系统方框图： 1、被控对象 最好找 2、输出量 从被控对象推出 3、检测装置 从输出量推出 4、给定量 和输出量对应 5、控制器 从给定量推出 6、执行器 最后推出 02 控制系统 闭环控制系统方框图： 执行器 控制器 被控对象 控制量 给定量 输出量 检测装置 比较器 是比较器，它将输出量与设定量进行比较, 求出偏差值（计算功能） X 检测输出量，传给比较器 ★闭环控制系统多了一个由检测装置构成的反馈环节，信号传递是闭合回路！ 两点都满足为闭环：①有检测装置、②检测的是输出量 02 控制系统 闭环控制系统方框图： 执行器 控制器 被控对象 控制量 给定量 输出量 检测装置 比较器 反馈：在自动控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程 反馈作用：减少输出量的偏差，从而稳定输出量 干扰因素 给定量 脚踩的力 自行车 行驶的速度 被控量 风 上坡 泥泞路面 02 控制系统 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。 控制系统的干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上 人为因素 环境因素 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 解释：声控灯控制系统的输出量是灯的亮灭，灯的亮灭并不能影响声控灯控制系统，而灯的亮灭是由输入量声音的有无决定的，有声音就亮，没有就熄灭。所以我们可以引出开环控制系统的另一层定义：开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制 马桶水位系统的输出量是实际水位，通过检测装置的检测反馈到比较器上与给定量进行对比，低于给定水位继续进水，到达给定水位停止进水。是否进水是有输出量进行控制的，所以可以引出闭环控制系统的另一层定义：闭环控制系统是输出量通过检测装置反馈回输入端参与控制的控制系统。 开环是由输入量控制的，闭环是由输出量控制的，由此 板书： 区别二：开环控制：受外部信号控制 闭环控制：受内部信号控制 区别三： 开环控制：输入量和输出量是两个性质的量 闭环控制：给定量和输出量是相同性质的量 绘制闭环控制系统的方框图： 土壤的湿度 设定土壤湿度 控制器 电磁阀 花盆 出水量 土壤湿度控制系统 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 湿度传感器 比较器 闭环控制系统 VS 开环控制系统 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？ 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 对于同一个控制问题，闭环通过反馈克服干扰，稳定输出量 开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。 闭环控制系统 VS 开环控制系统 开环控制系统 闭环控制系统 输出量仅受输入量控制； 输出量返回到输入端， 并对控制过程产生影响； 输入量与输出量之间的信号是单向传递； 构成一闭合回路； 输入量与输出量 往往是不同性质的量。 给定量与被控量 是可比较的同一种性质的量。 控制精度不高 控制精度高 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 常见的传感器 湿度传感器 压力传感器 光敏传感器 第一代结构传感器，电阻式传感器由金属材料发生形变，使电阻、电流发生变化，从而改变指针或数字 第二代固体传感器把金属换成其他如对光，热量、声音、磁场等敏感材料 第三代集成传感器，集成传感器与芯片组合，不仅能够转换信号，还能处理信号 信息 传感器 电信号 转化 感应 温度、声音、光线等 电流、电压等 光控路灯的控制   自动感应门的控制   自动烘手机   学校电铃的控制   CPU上风扇的转速控制 电冰箱温度的控制 电热保温饮水机 大棚湿度控制系统 判断下列控制中属于开环还是闭环控制系统? 开环控制系统 开环控制系统 开环控制系统 开环控制系统 闭环控制系统 闭环控制系统 闭环控制系统 闭环控制系统 ①有检测装置？ ②检测的是输出量？ 两点都满足为闭环 输出量与输入量有什么关系？ 离心式调速器对汽轮机转速的控制 如图为蒸汽机的转速控制系统,采用离心调速的方式进行控制。当蒸汽机的转速大于设定值时,通过圆锥齿轮将转速传递到竖轴,带动两个飞锤做离心运动,使套筒向上运动,通过调节杠杆使进气阀门的开度变小,蒸汽进气量减少,蒸汽机的转速下降,反复调节直到转速趋于设定值。 （1）该控制系统属于_______（开环/闭环）控制系统。 （2）请完善控制系统方框图。①_______ _____，②___________ （3）该控制系统中,飞锤、套筒和调节杆组合的作用是_____________(传感器/控制器/执行器)。 闭环 进气阀门 圆锥齿轮组和转轴 控制器 电冰箱的温度控制 主弹簧 连接杆 电触点 电冰箱 感温包 如图所示是某款电冰箱温度控制系统部分结构示意图，其工作过程如下： 当电冰箱内的温度上升时，感温包和膜盒内的感温剂气体的温度随之上升，压强增大，使传动膜片向外伸胀，通过连接杆推动电触点闭合，于是电路接通，压缩机开始工作。当电冰箱内的温度降低至设定值时，该温度控制器会使压缩机停止工作。 蒸发器 4 3 黑箱方法 不切开西瓜，怎么选个又熟又甜的西瓜呢？ 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 控制系统 系统的输入 系统的输出 黑箱 黑箱方法VS功能模拟法 以功能和行为的相似性为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法。 计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋 常见开环控制系统 定时控制——课铃系统、微波炉定时加热系统 定温控制——电饭煲煮饭控制、热水壶煮水控制 光敏控制——光控路灯、自动门、光控窗帘（传感器装在室外） 声敏控制——声控灯、音乐喷泉、声控报警器 气敏控制——煤气报警器、手持式气体检测仪 压力控制——胎压监测器、公路限载报警器 水通控制——雨天自动收衣架、干烧报警器 转速控制——汽车超速报警系统、风扇调速控制 常见闭环控制系统 恒温控制——电饭煲保温控制、空调温度控制 恒压控制——高压锅压力控制、飞机机舱压力控制 恒速控制——汽车定速巡航控制、电梯恒速控制 恒光控制——恒光护目台灯、房间恒光控制系统（光传感器装在室外） 恒湿控制——非定时控制浇花系统或农田自动灌溉系统 定量控制——水位水箱自动控制系统、牲畜喂水器 03 控制系统的设计与实施 要设计一种自动开关的节能灯控制系统， 如何展开我们的设计思路？需要从哪些方面着手考虑问题呢？ 被控对象是什么？ 控制的目的是什么？ 这种灯用在什么地方？环境怎样？ 这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？ 有什么其他因素会干扰灯的正常工作？ 依据你的判断，能提出一种设计方案吗？ 03 控制系统的设计与实施 控制系统的设计要素 明确控制的目的 确定被控量、控制量 分析被控对象的主要特性 控制系统的调试运行和评价 分析主要的干扰因素 控制系统方案的选择 系统的成本分析 …… 实施控制系统所需的设备、元件等 03 控制系统的设计与实施 系统要达到的目标？ 控制的对象？ 被控对象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干扰因素？ 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？ 设备和元件？ 控制系统设计的一般思路 1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定 2.找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素 3.要确定控制量和被控量 4.执行器和检测装置的选择: 一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件 03 控制系统的设计与实施 开环控制系统的设计 明确设计要求。 明确被控对象、被控量和控制量。 考虑控制系统的方案。 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 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的范围之内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 03 控制系统的设计与实施 闭环控制系统的设计 $