高中通用技术苏教版(2019)必修2教学案 控制系统的设计与实施

第四单元控制及其设计
第四节控制系统的设计与实施
[学习目标]
1、了解简单的被控对象的基本特征，能确定被控量，控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计方案。

2、能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置。

重点把握：设计简单的控制系统。

[课前预习]
一、控制系统的设计必须考虑的基本问题有：
①明确控制的目的；②分析被控制点对象的主要特征；③确定；
④分析
；⑤方案选择；⑥调试、运行和评价；⑦系统的成本、元件、设备分析等。

二、对于简单点的闭环控制系统，有以下基本要求：
（1）一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是的。

（2）控制系统的必须符合要求，即系统点的输出值和给定值之差应控制在
之内。

（3）闭环控制系统应有较好的。

[课堂导学]
【任务一】——探究控制系统的设计要素
1、控制系统设计的一般思路
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？
2、开环控制系统的设计
【案例分析】——运动会会旗自动升旗控制装置的设计
【学生活动】思考以下问题：
这个系统要达到的目的是什么？
控制的对象是什么？
被控对象有哪些特性？
被控量的控制量分别是什么？
外界的干扰因素是什么？
经济实用？
安全教育与设计。

设计要求：在播放《运动员进行曲》的时间内，控制会旗匀速上升到旗杆顶端设计分析：被控对象——会旗；
被控量——上升的速度；
控制量——电机的转速；
干扰因素——风力大小、电源电压的波动……
工作过程：
【任务二】——设计与实施雨水收集池水位控制系统
3、闭环控制系统的设计
简单的闭环控制系统，基本要求：
第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。

第二，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值之差应控制在允许的范围之内。

第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。

在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。

【案例分析】——设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统
主要过程：报警系统与水位控制系统
1.报警系统的控制方框图：
2．水位控制系统方框图：
【学生活动】一般情况下，要实现高水位开始抽水、低水位停止抽水，要用两个传感器。

你是否能用1个传感器来实现这个控制目的呢？
【教师评析】
【典型示例1】如图所示是某品牌的声光控灯，它是集声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明灯具。

当白天或光线较强时，受光控自锁，有声响也不会通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声、拍手声等声响时，自动通电、亮灯，延时一段时间后自动断电。

它能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90%；既可避免摸黑找开关造成的摔伤碰伤，又可杜绝楼道灯有人开、没人关的现象。

它的主要特点是“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了
长明灯，使得LED声光控灯低能耗、长寿命。

试分析：
(1)针对其主要特点，它要解决的主要问题是：实现在黑夜里不用摸黑去找_①，能通过发出_②就让灯自动打开，通过一段时间后又能自动关闭。

(2)它解决问题的技术方法是：通过话筒把_①作为输入量传输到音频放大器，控制电路为控制器，_②为执行器，组成一个_③控制系统，产生输出量，开灯。

根据设定的时间延时自动关闭。

(3)它的1个优点与1个缺点分别是：
(4)针对你发现的缺点，改进意见是：
【答案】
1) ①开关②声响；
(2) ①声音信息②电子开关③自动开环；
(3)优点：检测到声响能自动开灯和延时一段时间自动关灯，可以节约电能。

缺点：灵敏度难以掌控，如果夜里有什么非人为的声响，灯也会亮起。

(4)增加利用红外感应头来检测人体的装置；增加辨别声音的频率是否是人声装置。

【典型示例2】如下图所示是游泳馆水池的水位自动控制系统示意图，水位变送器监测实际水位，将水位数据传送给自动监控仪，监控仪能设定水池需要的水位上限和下限，通过控制水泵抽水或注水实现水池水位的自动控制。

当水位超出上限报警点或低于下限报警点时，监控仪会通过开关电路驱动内部喇叭发出“滴滴”声实现报警。

完成以下小题。

（1）将该水位自动控制系统的控制方框图补充完整。

（2）该控制系统的水位变送器损坏，不可能造成______（从①喇叭不再报警；
②水泵一直抽水；③自动监控仪停止监控中选择一项，将序号填在“______”处）
（3）现对该系统的水位上下限报警控制子系统进行优化，以下属于系统优化约束条件的是______（从①开关电路的驱动效率；②上下限报警点水位高度；③喇叭的灵敏度中选择一项，将序号填在“______”处）
【答案】（1）①水泵②水池③实际水位范围（或实际水位）④水位变送器（2）③（3）②
[课堂检测]
1.李明制作了方便小动物喝水的自动加水器，结构如图。

工作过程是当水龙头打开，水就流入碗内，碗内的水位逐渐升高，浸没到塑料管管口时，没有空气进入密封的铁桶，水龙头停止出水；当碗内水位降低至塑料管管口以下，空气从塑料管进入铁桶内，水又流出来，使碗内实际水位控制在管口位置。

试分析其控制过程，完成下列问题：
①该控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统？
②假设原来搪瓷碗内的水位控制在5厘米，现在需要
把碗内水位控制在8厘米，请问可以采取什么方法？
2.如图1所示是三轴模拟转台结构示意图，转台三个
框架的控制是相互独立的，依次为电流环、速度环和位置环．转台计算机伺服控制系统“高频响、超低速、宽调速、高精度”的特点成为仿真转台的主要性能指标和发展方向．其中速度环的控制系统原理为：速度环控制器接收到速度信号，与设定速度进行比较，对电机发出命令，调整负载与框架的转动速度到设定值．请完成下列各题，在有横线处填写上相应内容．
速度环控制系统属于______ （在①开环；②闭环中选择一项，将序号填写在横线处）控制系统．
根据示意图及其描述，如图2所示补充完整机械手位置控制系统方框图．
3.如图所示为储气罐压力自动控制和自动报警系统示意图．压力变送器检测储气罐中的压力值，该值被送到控制器，与设定压力值进行比较，控制器根据偏差值控制变频气泵的转速，从而使储气罐的实际压力达到设定值，当压力值超出设定上限时，就发出报警信号，并自动排气．请完成下列各题，在有横线处填上相应的内容．
根据示意图及其描述，补充完整压力自动控制循环系统方框图．
当压力自动控制系统出现故障，导致储气罐内气体压力过高，在此情况下对储气罐有保护的是______ （在①去车间的送气管道；②自动排气装置中选择一项，
填写序号）．
参考解答
1.（1）该控制系统为闭环控制系统。

（2）可以通过将塑料管的管口位置向上抬高3厘米的办法实现。

2. （1）②．
（2）
3.（1）①变频气泵；②储气罐；③压力变送器；（2）②．。