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第四單元

控制與設(shè)計

教材分析

和平教師進(jìn)修學(xué)校褚曉沁2

重要概念：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、黑箱方法第四單元控制與設(shè)計第一節(jié)控制的手段與應(yīng)用第二節(jié)控制系統(tǒng)的工作過程與方式第三節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第四節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施3

第一節(jié)控制的手段與應(yīng)用

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。了解人工控制和自動控制，教學(xué)目標(biāo)4指出下列事物發(fā)展與變化的多種可能性:

魚塘:

成熟的西瓜:

流行性病毒:大禹治水過程中,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。

控制：人們按照自己的意愿或目的,通過一定的手段,使事物向期望的目標(biāo)發(fā)展。

第一節(jié)控制的手段與應(yīng)用

5伸縮門的自動控制6日常生活中的控制舉例1、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。3、紅外感應(yīng)出水龍頭，手靠近水龍頭出水，離開則不出水。4、賓館自動門，當(dāng)有人進(jìn)入，門自動打開。7生活、生產(chǎn)、軍事、國防

控制的應(yīng)用8圓形齒輪、條形齒輪組

控制的手段9課本P97：馬上行動控制事例控制的對象控制的目的控制的手段電風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)速快慢的控制電風(fēng)扇調(diào)節(jié)速度換檔音響的音量控制音響音量的調(diào)節(jié)旋鈕燃?xì)鉄崴鳒囟鹊目刂茻崴髡{(diào)節(jié)出水口溫度的高低改變?nèi)細(xì)饣痤^的大小用噴霧器噴灑農(nóng)藥噴霧器給莊稼治病操作噴霧器的手柄

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控制的分類從控制過程中人工干預(yù)的情形來分：

?人工控制：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；

?自動控制：數(shù)控機(jī)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)換等按照執(zhí)行部件的不同，控制分為：機(jī)械控制（普通水龍頭）、氣動控制（公共汽車車門開關(guān)控制）、液壓控制（建筑工地打樁機(jī)）、電子控制（家用電冰箱）11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)什么樣的工作狀態(tài)？思考12

第二節(jié)控制系統(tǒng)的工作過程與方式

能夠分析典型的案例，熟悉簡單的開環(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程。通過案例分析，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)行器的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。教學(xué)目標(biāo)13思考：自行車的傳動控制系統(tǒng)是怎樣的呢？14腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條、飛輪腳踩的力（輸入）自行車行駛的速度（輸出）踩動腳蹬的力越大，車輪的轉(zhuǎn)速就越快。

控制系統(tǒng)15電風(fēng)扇的風(fēng)速控制系統(tǒng)（controlsystem）

電機(jī)、扇葉電風(fēng)扇風(fēng)速的檔位（輸入）風(fēng)速（輸出）一個檔位對應(yīng)著一個風(fēng)速。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)就構(gòu)成了一個系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)16是否屬于控制系統(tǒng)輸入輸出電飯煲脫粒機(jī)紅外線自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馬上行動17游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池進(jìn)水閥門定時器設(shè)定注水時間（輸入）水流量游泳池的水位（輸出）

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182、特征：

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。1、定義：

控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。列舉你所知道的開環(huán)控制系統(tǒng)。1、自動聲光控?zé)?、自動烘手機(jī)19被控對象執(zhí)行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。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。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。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。歸納總結(jié)20游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：游泳池進(jìn)水閥門定時器設(shè)定注水時間（輸入）水流量游泳池的水位（輸出）

開環(huán)控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器被控對象控制量21被控對象執(zhí)行器控制器輸入量控制量輸出量簡單開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖自動門的控制系統(tǒng)水泵抽水控制系統(tǒng)小試驗活動猴的連接22希羅的自動門水罐（1，2）祭壇點火打開廟門轉(zhuǎn)動軸（3）廟門旋轉(zhuǎn)量控制器執(zhí)行器被控對象控制量23游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：被控對象執(zhí)行器控制器給定量控制量被控量檢測裝置比較器-+游泳池進(jìn)水閥門控制器給定水位水流量游泳池的水位（輸出）檢測裝置比較器+-

閉環(huán)控制系統(tǒng)24對比控制系統(tǒng)開環(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系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響輸出量到輸入量之間的信號形成一個回路25

第三節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

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。教學(xué)目標(biāo)26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，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。

干擾因素27

例1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水塔的出水流量和水面蒸發(fā)的水量、水塔的進(jìn)水流量和進(jìn)水管的壓力等。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；而水塔的進(jìn)水流量是可以控制的。

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例2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風(fēng)速和投料量等。當(dāng)投料量一定時，風(fēng)速減小，磨的轉(zhuǎn)速就變慢。

29克服干擾的基本方法

1、消除干擾

2、減弱干擾

3、提高控制系統(tǒng)性能

干擾因素30反饋

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)行比較的過程。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。31反饋

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。負(fù)反饋形成的系統(tǒng)，控制精度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。正反饋主要對小的變化進(jìn)行放大。

32GPS

GPS(GlobalPositionSystem)，就是全球定位系統(tǒng)。在大海中航行的船只，通過GPS可獲得自己當(dāng)前的地理位置，然后將這個位置與計算機(jī)中保存的期望位置進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整，使船保持在正確的航線上。GPS實際上就是自動導(dǎo)航系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)。

GPS能夠提供精確的地理位置信息，所以在航海、航空和城市交通管理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。33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)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)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。適用：要求高精度和高可靠性的場合。

34功能模擬方法以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法

?？刂葡到y(tǒng)的分析方法35黑箱方法

通過對系統(tǒng)的輸入與輸出的關(guān)系的研究推斷系統(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(外界對黑箱的影響)和輸出信息(黑箱對外界的反應(yīng))研究和認(rèn)識其功能、特性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理。36

第四節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施

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)行模擬實施，學(xué)會調(diào)試運行，提出改進(jìn)方案。教學(xué)目標(biāo)37控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路381.開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計例：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計被控對象——電風(fēng)扇；被控量——電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速；控制量——電機(jī)的轉(zhuǎn)速；39例：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計被控對象——