高二通用技術(shù) 控制與設(shè)計教材分析課件

1、 第四單元第四單元 控制與設(shè)計控制與設(shè)計教材分析教材分析 重要概念：重要概念： 控制、控制系統(tǒng)、開環(huán)控制、閉環(huán)控制、控制、控制系統(tǒng)、開環(huán)控制、閉環(huán)控制、干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱方法干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱方法第四單元第四單元 控制與設(shè)計控制與設(shè)計 能夠結(jié)合一定的事例，理解控制的含義及在生能夠結(jié)合一定的事例，理解控制的含義及在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用?；詈蜕a(chǎn)中的應(yīng)用。 了解人工控制和自動控制，了解人工控制和自動控制，教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)指出下列事物發(fā)展與變化的多種可能性指出下列事物發(fā)展與變化的多種可能性 : : 魚塘魚塘 : : 成熟的西瓜成熟的西瓜 : : 流行性病毒流行性病毒 : :

2、大禹治水過程中大禹治水過程中 , , 通過什么手段實現(xiàn)了什么樣的目的通過什么手段實現(xiàn)了什么樣的目的 ? ? 舉出生活中通過某些手段實現(xiàn)特定目的的事例。舉出生活中通過某些手段實現(xiàn)特定目的的事例。 控控 制：制：人們按照自己的意愿或目的人們按照自己的意愿或目的 , , 通過一定的手段通過一定的手段 , , 使事物向期望的目標(biāo)發(fā)展使事物向期望的目標(biāo)發(fā)展 。 伸縮門的自動控制伸縮門的自動控制1、拔動教室電燈開關(guān)，燈的亮與不亮與手動有關(guān)。、拔動教室電燈開關(guān)，燈的亮與不亮與手動有關(guān)。2、聲光感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)有聲音時燈亮。、聲光感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)有聲音時燈亮。3 、紅外感應(yīng)出水龍頭，手靠近水龍頭出水，離開則、紅外感應(yīng)

3、出水龍頭，手靠近水龍頭出水，離開則不出水。不出水。4、賓館自動門，當(dāng)有人進(jìn)入，門自動打開。、賓館自動門，當(dāng)有人進(jìn)入，門自動打開。生活、生產(chǎn)、軍事、國防生活、生產(chǎn)、軍事、國防 控制的應(yīng)用控制的應(yīng)用圓形齒輪、條形齒輪組圓形齒輪、條形齒輪組 控制的手段控制的手段課本課本P97：馬上行動：馬上行動控制事例控制事例控制的對象控制的對象 控制的目的控制的目的 控制的手段控制的手段電風(fēng)扇扇葉電風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)速快慢的轉(zhuǎn)速快慢的控制控制電風(fēng)扇電風(fēng)扇調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)速度換檔換檔 音響的音量音響的音量控制控制音響音響音量的調(diào)節(jié)音量的調(diào)節(jié)旋鈕旋鈕燃?xì)鉄崴魅細(xì)鉄崴鳒囟鹊目刂茰囟鹊目刂茻崴鳠崴髡{(diào)節(jié)出水口調(diào)節(jié)出水口溫度的高

4、低溫度的高低改變?nèi)細(xì)饣鸶淖內(nèi)細(xì)饣痤^的大小頭的大小用噴霧器噴用噴霧器噴灑農(nóng)藥灑農(nóng)藥噴霧器噴霧器給莊稼治病給莊稼治病 操作噴霧器操作噴霧器的手柄的手柄 控制的分類控制的分類從控制過程中人工干預(yù)的情形來分：從控制過程中人工干預(yù)的情形來分： 人工控制：人工控制：人工紡紗、打開普通自來水龍頭，人工紡紗、打開普通自來水龍頭，撳按鍵打開電燈、駕駛汽車等；撳按鍵打開電燈、駕駛汽車等； 自動控制：自動控制：數(shù)控機床、飲料自動裝罐生產(chǎn)線、數(shù)控機床、飲料自動裝罐生產(chǎn)線、花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換等花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換等 按照執(zhí)行部件的不同，控制分為：按照執(zhí)行部件的不同，控制分為：機械控制機械控

5、制（普通水龍頭）、（普通水龍頭）、氣動控制氣動控制（公共汽（公共汽車車門開關(guān)控制）、車車門開關(guān)控制）、液壓控制液壓控制（建筑工地打樁（建筑工地打樁機）、機）、電子控制電子控制（家用電冰箱）（家用電冰箱） 觀察學(xué)校飲用水自動控制電熱水器。觀察學(xué)校飲用水自動控制電熱水器。 當(dāng)玻璃管中的水位過低或過高時，會出現(xiàn)當(dāng)玻璃管中的水位過低或過高時，會出現(xiàn)什么樣的工作狀態(tài)？什么樣的工作狀態(tài)？ 能夠分析典型的案例，熟悉能夠分析典型的案例，熟悉簡單簡單的開環(huán)控制系的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作過統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作過程。程。 通過案例分析，能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系通過案例分

6、析，能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器的作統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)思思 考：考：自行車的傳動控制系統(tǒng)是怎樣的呢？自行車的傳動控制系統(tǒng)是怎樣的呢？ 腳蹬、曲柄、鏈輪、腳蹬、曲柄、鏈輪、 中軸、鏈條、飛輪中軸、鏈條、飛輪腳踩的力腳踩的力（輸入）（輸入）自行車行駛的速度自行車行駛的速度（輸出）（輸出）踩動腳蹬的力越大，車輪的轉(zhuǎn)速就越快。踩動腳蹬的力越大，車輪的轉(zhuǎn)速就越快。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)電風(fēng)扇的風(fēng)速控制系統(tǒng)（電風(fēng)扇的風(fēng)速控制系統(tǒng)（control system） 電機、扇葉電機、扇葉電風(fēng)扇風(fēng)速

7、的檔位電風(fēng)扇風(fēng)速的檔位（輸入）（輸入）風(fēng)速風(fēng)速（輸出）（輸出）一個檔位對應(yīng)著一個風(fēng)速。一個檔位對應(yīng)著一個風(fēng)速。定義：定義： 任何一種控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就任何一種控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就構(gòu)成了一個系統(tǒng)，稱為構(gòu)成了一個系統(tǒng)，稱為。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是否屬于是否屬于控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出電飯煲電飯煲脫粒機脫粒機紅外線自紅外線自動水龍頭動水龍頭是通電信號溫度是是通電信號檢測到人手信號脫粒量出水量游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池游泳池進(jìn)水閥門進(jìn)水閥門定時器定時器設(shè)定注水時間設(shè)定注水時間（輸入）（輸入）水流量水流量游泳池的水位游泳

8、池的水位（輸出）（輸出） 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)游泳池的水位只受設(shè)定的注水的時間的控制游泳池的水位只受設(shè)定的注水的時間的控制特征：特征： 系統(tǒng)的輸出量系統(tǒng)的輸出量僅受僅受輸入量控制，輸入量到輸出量輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是之間的信號是單向傳遞單向傳遞。定義：定義： 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的輸出量輸出量不對不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制稱為這種控制稱為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。列舉你所知道的開環(huán)控制系統(tǒng)。列舉你所知道的開環(huán)控制系統(tǒng)。1 1、自動聲光控?zé)?、自動聲光控?zé)? 2、自動烘手機、自動烘手機被控對象被控對象執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器輸入量控制量輸出量簡單

9、開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖簡單開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖控制器：即對輸入信號進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件?？刂破鳎杭磳斎胄盘栠M(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件。執(zhí)行器：即直接對被控對象進(jìn)行控制的裝置或元件。執(zhí)行器：即直接對被控對象進(jìn)行控制的裝置或元件?？刂屏浚杭磮?zhí)行器的輸出信號?？刂屏浚杭磮?zhí)行器的輸出信號。輸入量：即控制系統(tǒng)的給定量。輸入量：即控制系統(tǒng)的給定量。輸出量：即控制系統(tǒng)所要控制的量。輸出量：即控制系統(tǒng)所要控制的量。被控對象：即控制系統(tǒng)中所要求控制的裝置和生產(chǎn)過程。被控對象：即控制系統(tǒng)中所要求控制的裝置和生產(chǎn)過程。游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池游泳池進(jìn)水閥門進(jìn)水

10、閥門定時器定時器設(shè)定注水時間設(shè)定注水時間（輸入）（輸入）水流量水流量游泳池的水位游泳池的水位（輸出）（輸出） 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象控制量控制量被控對象被控對象執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器輸入量控制量輸出量簡單開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖簡單開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖自動門的控制系統(tǒng)自動門的控制系統(tǒng)水泵抽水控制系水泵抽水控制系統(tǒng)統(tǒng)活動猴的連接活動猴的連接希希羅羅的的自自動動門門水罐水罐（1，2）祭壇祭壇點火點火打開打開廟門廟門轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動軸（3）廟門廟門旋轉(zhuǎn)量旋轉(zhuǎn)量控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象控制量控制量游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：簡單

11、閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：被控對象被控對象執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器給定量控制量被控量檢測裝置檢測裝置比較器- -+ +游泳池游泳池進(jìn)水閥門進(jìn)水閥門控制器控制器給定水位水流量游泳池的水位（輸出）檢測裝置檢測裝置比較器+ +- - 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)對比對比控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)開環(huán)開環(huán)閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞輸出量之間的信號是單向傳遞系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)

12、生影響影響輸出量到輸入量之間的信號形成一個回路輸出量到輸入量之間的信號形成一個回路 能夠通過案例分析、馬上行動和閱讀等活動，能夠通過案例分析、馬上行動和閱讀等活動，找出并分析影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾找出并分析影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。統(tǒng)中的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 干擾就是對控制系統(tǒng)的行為造成影響的有干擾就是對控制系統(tǒng)的行為造成影響的有害的信號及擾動，即除給定量外，引起被害的信號及擾動，即除給定量外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。控量變化的各種因素稱為干擾因素。 干擾因素干擾因素 例例1

13、 1 樓宇水塔的水位控制的干擾因素分析樓宇水塔的水位控制的干擾因素分析 影響水塔水位的干擾因素主要有影響水塔水位的干擾因素主要有水塔的出水流量水塔的出水流量和和水面蒸發(fā)的水量水面蒸發(fā)的水量、水塔的進(jìn)水流量水塔的進(jìn)水流量和和進(jìn)水管的壓力進(jìn)水管的壓力等。等。 其中出水流量是根據(jù)用戶的用水量變化的，是不可其中出水流量是根據(jù)用戶的用水量變化的，是不可控制的變量；水面蒸發(fā)的水量很少，可以忽略；而水塔控制的變量；水面蒸發(fā)的水量很少，可以忽略；而水塔的進(jìn)水流量是可以控制的。的進(jìn)水流量是可以控制的。 例例2 2 風(fēng)磨的轉(zhuǎn)速控制的干擾因素分析風(fēng)磨的轉(zhuǎn)速控制的干擾因素分析 影響風(fēng)磨轉(zhuǎn)速的干擾因素主要有影響風(fēng)磨轉(zhuǎn)速

14、的干擾因素主要有風(fēng)速風(fēng)速和和投料量投料量等。等。 當(dāng)投料量一定時，風(fēng)速減小，磨的轉(zhuǎn)速就變慢。當(dāng)投料量一定時，風(fēng)速減小，磨的轉(zhuǎn)速就變慢。 克服干擾的基本方法克服干擾的基本方法 1、消除干擾、消除干擾2、減弱干擾、減弱干擾3、提高控制系統(tǒng)性能、提高控制系統(tǒng)性能 干擾因素干擾因素反饋反饋 所謂反饋，就是將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z所謂反饋，就是將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程。過程。 沒有反饋的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制，沒有反饋的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制， 具有反饋的控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制。具有反饋的控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制。反饋反饋 負(fù)反饋，通過反饋來減少輸出

15、量負(fù)反饋，通過反饋來減少輸出量的偏差，使被控量接近給定值。的偏差，使被控量接近給定值。 負(fù)反饋形成的系統(tǒng)，控制精度高，負(fù)反饋形成的系統(tǒng)，控制精度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 正反饋主要對小的變化進(jìn)行放大。正反饋主要對小的變化進(jìn)行放大。 GPS GPS (Global Position System)，就是，就是全球定位系統(tǒng)。在大海中全球定位系統(tǒng)。在大海中航行的船只，通過航行的船只，通過GPS可可獲得自己當(dāng)前的地理位置，獲得自己當(dāng)前的地理位置，然后將這個位置與計算機然后將這個位置與計算機中保存的期望位置進(jìn)行比中保存的期望位置進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整，較，發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整，使船保持在正確的航

16、線上。使船保持在正確的航線上。GPS實際上就是自動導(dǎo)航實際上就是自動導(dǎo)航系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)。 GPS能夠提供精確的能夠提供精確的地理位置信息，所以在航地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理海、航空和城市交通管理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，外界的干擾相對較小優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，外界的干擾相對較小 缺點：控制精度較差缺點：控制精度較差 適用：控制精度要求不高而本身系統(tǒng)元件比較穩(wěn)定。適用：控制精度要求不高而本身系統(tǒng)元件比較穩(wěn)定。閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點：控

17、制精度高優(yōu)點：控制精度高 缺點：設(shè)計較麻煩，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。缺點：設(shè)計較麻煩，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。 適用：要求高精度和高可靠性的場合。適用：要求高精度和高可靠性的場合。 功能模擬方法功能模擬方法 以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模模型型”模擬模擬“原型原型”的功能和行為的方法的功能和行為的方法 。控制系統(tǒng)的分析方法黑箱方法黑箱方法 通過對系統(tǒng)的通過對系統(tǒng)的輸入輸入與與輸出輸出的關(guān)系的研究的關(guān)系的研究推斷推斷系系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法，統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法， 通過觀測黑箱外部的輸入信息通過觀測黑箱外部的輸入信息(外界對黑箱的外界對黑箱的影響影響)和輸出信息和輸出信息(黑箱對外界的反應(yīng)黑箱對外界的反應(yīng))研究和認(rèn)識研究和認(rèn)識其功能、特性、結(jié)構(gòu)、機理。其功能、特性、結(jié)構(gòu)、機理。 能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，制作一個控制能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，制作一個控制裝置，或根據(jù)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行模擬裝置，或根據(jù)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行模擬實施，學(xué)會調(diào)試運行，提出改進(jìn)方案。實施，學(xué)會調(diào)試運行