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高中通用技術精品學案系列(必修2 第四章《控制與設計》學案)

必修二《第四章控制與設計》學習材料

學習目標和要求:

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象和受控過程,理解控制的含義。

⒉能夠分析典型的案例,瞭解手動控制和自動控制,熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統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控制系統的方框圖,理解其中的控制器、執行器的作用,熟悉反饋環節的作用。

⒋通過案例分析,找出並分析影響簡單控制系統運行的主要干擾因素,瞭解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用。

⒌結合一定的案例,瞭解簡單的被控對象的基本特性,能確定被控量、控制量,劃出控制系統的方框圖,並形成初步的控制系統設計方案。

⒍能根據開環控制系統的設計方法,製作一個控制裝置,或根據簡單閉環控制系統的方案進行模擬實施,學會調試運行,提出改進方案。

(導入):

我國古代有一種靠風力來推動的風磨,當風力強的時候,磨盤就轉得快,當風力弱的時候,磨盤就轉得慢。那麼,怎樣才能根據風力的大小,往磨盤上添加穀物呢?對此,人們設計了一個漏斗:當風磨轉動慢的時候,這個漏斗會自動地縮小漏口,使少量的穀物流進磨盤;當風磨轉動快的時候,這個漏斗會自動地張大漏口,讓較多的穀物流進磨盤。

這個巧妙的漏斗在今天看來,是一個古老的控制裝置,體現了人們認識並利用控制現象的久遠。事實上,控制並不是人類的天外來客,它滲透在我們生產和生活的方方面面。理解控制、善於控制,已經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

1 控制

人們根據自己意願或目的,通過一定的手段,使事物沿着某一確定的方向發展,就形成了控制(control)。這裏所説的手段就是控制技術。如:射手通過瞄準使箭射中靶心;人們通過電冰箱獲得適當的温度,使食物能夠長期存放;先進的生產流水線通過計算機的指揮實現自動化生產等。

注意:理解任何控制現象,都要明確控制的對象是什麼,控制要達到什麼目的和採取什麼控制手段。例如:在人力三輪車轉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三輪車行駛的方向,控制的手段是騎車人通過雙手轉動車把,改變前輪的方向並帶動後輪。

2 控制的分類:

(1)從控制過程中人工干預的情形來分: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和全程干預下進行的。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:數控機牀、飲料自動裝罐生產線,花房恆温控制、十字路口紅綠燈的轉換、通過電視更換節目頻道、聯合收割機割麥子等。

(2)按照執行部件的不同分為:

A 機械控制:普通水龍頭、電飯煲等

B 氣動控制:化工生產中常見的氣動閥門、公共汽車車門開關控制等

C 液壓控制:建築工地打樁機、修理汽車用的液壓千斤頂等

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

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,都要通過若干個環節,這些環節構成一個系統,我們稱之為控制系統。控制系統通常分為開環控制系統(open loop control system)和閉環控制系統(closed loop control system)兩種。

簡單的控制系統由兩部分組成,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、執行器等環節,對於閉環系統來説,還包括反饋環節與比較環節。

二、開環控制

⒈開環控制系統:控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響,這種控制系統稱為開環控制系統。如:十字路口的紅綠燈定時控制系統、樓宇的防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統、自動門的控制系統、家用高壓鍋等。

⒉開環控制系統的方框圖

在系統控制中,為了分析的方便,常採用方框來表示系統的環節,用單向信號線來表示系統信號的傳遞方向,這種圖稱為控制系統的方框圖,它表示了系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關係。

⒊開環控制系統特徵:

系統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、閉環控制

⒈含義:把系統的輸出量返回到輸入端並對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。如:電冰箱的温度控制系統、交通路口紅綠燈自動控制(根據車流量大小改變紅綠燈時間)系統等

⒉閉環控制系統方框圖

上圖中,檢測裝置測量出被控量並返回到系統的輸入端;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,並向執行器下達控制指令。執行器根據指令對被控對象進行控制,從而使被控量穩定在一定範圍內。

3.閉環控制系統的特徵

在系統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節,它們形成了一條閉合迴路,反饋環節使得輸出量的改變對控制的過程產生直接影響。

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