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2019-2020年高中通用技術(shù) 第四章《控制與設(shè)計》教案 蘇教版必修2 學(xué)習(xí)目標和要求： ⒈ 積極觀察生活，能從生活中所遇到的和所觀察到的事物中識別各種受控現(xiàn)象和受控過程，理解控制的含義。 ⒉ 能夠分析典型的案例，了解手動控制和自動控制，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。 ⒊ 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。 ⒋ 通過案例分析，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。 ⒌ 結(jié)合一定的案例，了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量，劃出控制系統(tǒng)的方框圖，并形成初步的控制系統(tǒng)設(shè)計方案。 ⒍ 能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，制作一個控制裝置，或根據(jù)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案進行模擬實施，學(xué)會調(diào)試運行，提出改進方案。 （導(dǎo)入）： 我國古代有一種靠風(fēng)力來推動的風(fēng)磨，當(dāng)風(fēng)力強的時候，磨盤就轉(zhuǎn)得快，當(dāng)風(fēng)力弱的時候，磨盤就轉(zhuǎn)得慢。那么，怎樣才能根據(jù)風(fēng)力的大小，往磨盤上添加谷物呢？對此，人們設(shè)計了一個漏斗：當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動慢的時候，這個漏斗會自動地縮小漏口，使少量的谷物流進磨盤；當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動快的時候，這個漏斗會自動地張大漏口，讓較多的谷物流進磨盤。 這個巧妙的漏斗在今天看來，是一個古老的控制裝置，體現(xiàn)了人們認識并利用控制現(xiàn)象的久遠。事實上，控制并不是人類的天外來客，它滲透在我們生產(chǎn)和生活的方方面面。理解控制、善于控制，已經(jīng)成為我們每個人日常生活中不可或缺的基本能力。 一、控制及控制系統(tǒng) 1 控制 人們根據(jù)自己意愿或目的，通過一定的手段，使事物沿著某一確定的方向發(fā)展，就形成了控制（control）。這里所說的手段就是控制技術(shù)。如：射手通過瞄準使箭射中靶心；人們通過電冰箱獲得適當(dāng)?shù)臏囟?，使食物能夠長期存放；先進的生產(chǎn)流水線通過計算機的指揮實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等。 注意：理解任何控制現(xiàn)象，都要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。例如：在人力三輪車轉(zhuǎn)彎過程中的方向控制問題中，其控制的對象就是人力三輪車，控制的目的是為了改變?nèi)嗆囆旭偟姆较?，控制的手段是騎車人通過雙手轉(zhuǎn)動車把，改變前輪的方向并帶動后輪。 2 控制的分類： （1）從控制過程中人工干預(yù)的情形來分：人工控制、自動控制。 A 人工控制：控制的過程是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進行的。如：人工紡紗、普通自來水龍頭、掀按鈕打開電燈、拖地清潔地板、駕駛汽車等 B 自動控制：是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確的按照期望的方向進行。如：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、通過電視更換節(jié)目頻道、聯(lián)合收割機割麥子等。 （2）按照執(zhí)行部件的不同分為： A 機械控制：普通水龍頭、電飯煲等 B 氣動控制：化工生產(chǎn)中常見的氣動閥門、公共汽車車門開關(guān)控制等 C 液壓控制：建筑工地打樁機、修理汽車用的液壓千斤頂?shù)? D 電子控制：電子計算器、家用電冰箱、自動門和汽車自動變速器的電子控制裝置等 3 控制系統(tǒng) 一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出。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)構(gòu)成一個系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通常分為開環(huán)控制系統(tǒng)（open loop control system）和閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed loop control system）兩種。 簡單的控制系統(tǒng)由兩部分組成，即被控對象和控制裝置。其中的控制裝置，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，對于閉環(huán)系統(tǒng)來說，還包括反饋環(huán)節(jié)與比較環(huán)節(jié)。 二、開環(huán)控制 ⒈ 開環(huán)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如：十字路口的紅綠燈定時控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、公園的音樂噴泉自動控制系統(tǒng)、自動門的控制系統(tǒng)、家用高壓鍋等。 ⒉ 開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 在系統(tǒng)控制中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號線來表示系統(tǒng)信號的傳遞方向，這種圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。 ⒊ 開環(huán)控制系統(tǒng)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。 三、閉環(huán)控制 ⒈ 含義：把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如：電冰箱的溫度控制系統(tǒng)、交通路口紅綠燈自動控制（根據(jù)車流量大小改變紅綠燈時間）系統(tǒng)等 ⒉ 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 上圖中，檢測裝置測量出被控量并返回到系統(tǒng)的輸入端；是比較器，它將所給量與所檢測的被控量進行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進行運算處理，并向執(zhí)行器下達控制指令。執(zhí)行器根據(jù)指令對被控對象進行控制，從而使被控量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。 3． 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征 在系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路，反饋環(huán)節(jié)使得輸出量的改變對控制的過程產(chǎn)生直接影響。 4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋 干擾因素和反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的兩個重要的核心概念，閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過反饋環(huán)節(jié)克服干擾因素而使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的 （1）干擾：在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。在干擾中我們需要注意以下幾點： 第一，來源問題。有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度變化的自然風(fēng)等； 有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導(dǎo)航信號的手機信號等。 第二，數(shù)量問題。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能是一個，也可能是若干個。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。 第三，處理問題。控制系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。如空調(diào)器的溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當(dāng)室外溫度升高時，空調(diào)器檢測出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。 第四，利用問題。在一般控制系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下卻可以利用干擾因素實現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統(tǒng)進行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以謹慎、嚴謹?shù)膽B(tài)度對待干擾因素的利用。 （2）反饋： A 定義：在控制系統(tǒng)中，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行比較的過程，就是反饋。 B 反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標運行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關(guān)閉電源，而自動電水壺具有當(dāng)水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是利用反饋方法實現(xiàn)自動控制的結(jié)果。 四、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 ⒈ 開環(huán)控制系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞的，它對輸出量的控制精度較低，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。 ⒉ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間還有一個反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路。它對輸出量的控制精度較高，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，主要用在要求較高精度和高可靠性的控制中。 五、簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施 ⒈ 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路 ⑴ 要設(shè)計好一個控制系統(tǒng)，應(yīng)該明確這個系統(tǒng)要到達的目的是什么，所要控制的對象是什么，被控對象有哪些重要的特性，被控量和控制量分別是什么，外界的主要干擾因素有哪些，選擇怎樣的設(shè)計方案既能達到目的，又經(jīng)濟、易于實現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件等等。 ⑵ 設(shè)計一個控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對控制精度的要求以及經(jīng)濟條件的可行性而定。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關(guān)系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式；一個控制系統(tǒng)中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統(tǒng)影響最大的干擾因素；被控量和控制量的確定是控制方案的關(guān)鍵，對于簡單控制系統(tǒng)，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應(yīng)選擇可控制的、對抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定有明顯作用的量；執(zhí)行器、檢測器的選擇一是要根據(jù)被控量和控制量的需求，二是要根據(jù)控制的條件進行?？傊?，能達到控制的目的，采用易于實現(xiàn)的控制方式，降低控制成本，減少對環(huán)境的負面影響等，是我們進行控制系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的基本問題。 ⑶ 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，還包括畫出必要的設(shè)計圖紙（控制電路設(shè)計或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計）和實施圖紙、撰寫設(shè)計說明書等。 注意：根據(jù)不同的設(shè)計需求，應(yīng)該有對應(yīng)的設(shè)計目標，要借鑒來自各方面的先進經(jīng)驗，同時要有自己的設(shè)計創(chuàng)意。 例：電熱毯設(shè)計，應(yīng)有若干層發(fā)熱絨和包覆層，控制器要實現(xiàn)調(diào)溫、定時、過熱熔斷保護、過熱控制保護和精確溫控等。要保證安全措施到位、工作穩(wěn)定可靠，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)減少成本、舒適美觀、降低能耗等指標。 ⒉ 簡單設(shè)計案例 ⑴ 開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計：整個過程設(shè)計相對比較簡單，在明確設(shè)計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。 例：電吹風(fēng)機控制系統(tǒng)的設(shè)計： a設(shè)計分析：被控對象是電吹風(fēng)裝置，被控量是風(fēng)的速度和溫度，控制量是電機的電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。 b電吹風(fēng)的控制過程：電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風(fēng)扇擴散出去。 c框圖： 有了框圖，畫出必要的電器線路圖，選擇適當(dāng)型號的元件和配件，進行組裝、調(diào)試。 ⑵ 閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計： 第一， 一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。 第二， 控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。 第三， 閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。 例：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)設(shè)計： a設(shè)計分析：被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（進水量）水箱水位的高度與進水量之間呈線性關(guān)系。 b控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關(guān)閉。 c框圖： 六、本章練習(xí)題目 ⒈ 下列控制系統(tǒng)中，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)的是（ ） A．電冰箱的溫度控制 B．計算機的CPU上的風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制 C．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室的溫度控制 D．紅綠燈定時控制系統(tǒng) ⒉ 下列不屬于開環(huán)控制系統(tǒng)的是（ ） A．自動門 B．電動聲控?zé)? C．自動烘干機 D．電飯鍋溫控系統(tǒng) ⒊ 下列控制系統(tǒng)中屬于自動控制系統(tǒng)的是（ ） A．按鈕開關(guān)控制 B．普通自來水龍頭 C．花房恒溫度控制 D．汽車駕駛 ⒋ 理解一個控制現(xiàn)象，要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。例如，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)控制的是導(dǎo)彈與目標之間的距離，目的是要擊中目標（距離為零），分析這個控制系統(tǒng)，其控制的對象是（ ） A．人 B．目標 C．計算機 D．導(dǎo)彈 ⒌ 電冰箱工作溫度設(shè)定在一定的范圍值，當(dāng)箱內(nèi)溫度變化超過設(shè)定的范圍值時，熱敏電阻的阻值也相應(yīng)地變化，通過熱敏電阻的變化，電流經(jīng)過三極管放大器的放大，帶動繼電器，控制壓縮的啟動，實現(xiàn)電冰箱的溫度控制。溫度的變化量是（ ） A．輸入量 B．輸出量 C．控制量 ⒍ 在電冰箱的溫度控制系統(tǒng)中，下列情況不屬于影響其溫度控制的干擾因素的是（ ） A．開電冰箱門 B．電冰箱所在房間的溫度從20攝氏度變到32攝氏度 C．將熱菜或熱飯放入電冰箱中 D．在電冰箱外放一盆冷水 ⒎ 人們首先發(fā)現(xiàn)了什么問題而發(fā)明了電冰箱（ ） A．冰箱可以制作冰激凌 B．低溫可以保險 C．冰箱可以制作冰水 D．冰箱可以冰鎮(zhèn)啤酒 8 判斷題及填空 ⑴ 李明學(xué)習(xí)時，用手去調(diào)節(jié)臺燈的亮度，這種控制屬于自動控制。 （ ） ⑵ 系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生直接影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。（ ） ⑶ 大年三十晚，王小軍在家忙于帖對聯(lián)，第一次粘穩(wěn)時發(fā)現(xiàn)對聯(lián)下端明顯偏向左邊，第二次經(jīng)過調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)對聯(lián)雖比上次有明顯好轉(zhuǎn)，但對聯(lián)下端仍有些偏向左邊，第三次調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)對聯(lián)上下已對齊。王小軍這一行為已構(gòu)成一個反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （ ） ⑷ 控制系統(tǒng)的__________不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 9 在加熱爐的溫度控制系統(tǒng)中，可能有哪些干擾因素？系統(tǒng)是如何克服干擾使爐溫穩(wěn)定在一定范圍的？ 答：可能的干擾有：打開爐門，放入或取出東西；外界溫度的變化；電壓的變化等。采取的辦法是利用閉環(huán)控制。利用一個溫度傳感器，及時檢測溫度的變化，然后根據(jù)檢測的結(jié)果控制開關(guān)的狀態(tài)：當(dāng)溫度高時就切斷開關(guān)，當(dāng)溫度低時就接通開關(guān)加熱。 10 舉例說明控制的重要作用及意義。 答：汽車發(fā)動機失控，造成飛車；人類對某些疾病失去控制，給人類帶來威脅；生活中，煮飯失去控制，燒焦或煮不熟。 11 如圖： 圖中是聲控?zé)粝到y(tǒng)組成示意圖，根據(jù)你的理解和認識回答下列問題。 ⑴聲控?zé)舻膬?yōu)點有哪些？ ⑵如果聲控?zé)舻母浇]有來人，而出現(xiàn)意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲說話或以動作發(fā)出聲響，靈敏度高的聲控?zé)粢矔?yīng)聲而亮。為避免這種情況你有什么好辦法？ ⑶畫出聲控?zé)舻南到y(tǒng)框圖。 答案提示： ⑴ 關(guān)鍵詞：方便、節(jié)電 用墻上的開關(guān)去開燈或關(guān)燈，已是習(xí)以為常的事。但是，在一個黑暗的走廊里用手摸索著尋找電燈開關(guān)很費事，對外來的生人更是難事；另外，人走了不關(guān)燈是常有的事，形成長明燈，浪費電力。 聲控?zé)艟哂刑厥夤δ芘c應(yīng)用。比如，在公共樓道里安裝聲控?zé)艏确奖阌质‰姟? 所謂方便是指來到樓道里的人，只需發(fā)出一定量的聲響（如咳嗽一聲，排一下掌，跺一下腳）電燈就會自動點亮，而無需去找墻上的手操開關(guān)。所謂節(jié)電是指過了一小段時間，電燈又會自動熄滅，沒有人的時候，電燈處于熄滅狀態(tài)，不會出現(xiàn)長明燈。 2 把傳感器的靈敏度調(diào)小一點。 3 12 開環(huán)控制系統(tǒng)可用下面方框圖來描述。 試列舉出幾種常見的開環(huán)控制系統(tǒng)。 答：⑴水泵抽水控制系統(tǒng) 溫度 內(nèi)鍋 ⑵普通家用電飯煲的煮飯控制 接通電源（輸入） 電飯煲 電熱盤 飯熟保溫 ⑶遙控器控制電視系統(tǒng) 帶動 自行車 傳動系統(tǒng) 腳踩的力 后輪 加速運動 ⑷ 騎自行車加速的控制 操縱 110控制中心 報警控制器 110報警 警員系統(tǒng) 出車處理 ⑸ 13 閉環(huán)控制系統(tǒng)可用下面方框圖來描述。試列出常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 答：⑴游泳池水位控制。 ⑵籃球比賽運動員投籃工作過程 ⑶水箱水位控制 ⑷人體溫度控制系統(tǒng) 補充材料 功能模擬方法和黑箱方法是控制論的主要方法。 功能模擬法以功能和行為的相似為基礎(chǔ)，用模型模擬原型的功能和行為的方法。它為仿生學(xué)、人工智能、價值工程提供了科學(xué)方法。如：獵手瞄準獵物的過程與自動火炮系統(tǒng)的功能行為是相似的，但二者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理過程是截然不同的。再如：在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。 黑箱方法是把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系的研究進而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。在生活中有時我們需要認識對象的內(nèi)部無法打開或不便打開時這時我們可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關(guān)系來推測其內(nèi)部的特性和功能，如：中醫(yī)看病通過“望聞問切”來了解病人的病況，最后對病情作出判斷。再如：夏天買西瓜可以通過看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性來判斷西瓜的生熟。這些事例都沒有打開事物直接觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過觀察外部或試驗等方法來認識事物的。