通用技術(shù)課程教材內(nèi)容

ri傳翳atri傳翳at控制藩電功機(jī)第二節(jié)控制系統(tǒng)的基本組成與工作過程（教材）一、典型控制系統(tǒng)案例分析我們先來分析兩個(gè)典型控制案例，旨在了解控制系統(tǒng)是怎樣構(gòu)成的，以及它們是怎樣實(shí)現(xiàn)控制的。【案例1】自動(dòng)門自動(dòng)門的動(dòng)作過程是：當(dāng)門口沒有人時(shí)，門是關(guān)著的（圖1）；當(dāng)有人來到門口時(shí)，門打開（圖2）；當(dāng)人離開門口后一段時(shí)間，門又關(guān)閉。門 ft*3 峠利器電甜MIL團(tuán)2自功門的開狀卷功能（1） 無人時(shí)，常關(guān)；（2）有人時(shí)，開門。技術(shù)要求⑴當(dāng)人距門lm（也可設(shè)為其他值）時(shí)，門即打開；（2） 門打開后，延時(shí)10s（也可設(shè)為其他值）后關(guān)門。門是怎樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、關(guān)的呢?我們來看一看自動(dòng)門（實(shí)際上是自動(dòng)門系統(tǒng)，簡稱自動(dòng)門）的組成和工作過程。系統(tǒng)組成①門；②電動(dòng)機(jī)；③控制器；④傳感器。工作過程（1） 當(dāng)有人到達(dá)門前某一距離（如1m）時(shí)，傳感器感知，并發(fā)出“有人”的信號;（2） 控制器接到傳感器傳來的信號后，經(jīng)變換放大后傳給電動(dòng)機(jī)（這里電動(dòng)機(jī)叫做執(zhí)行器,也稱驅(qū)動(dòng)器）;（3） 電動(dòng)機(jī)根據(jù)傳來的開門信號轉(zhuǎn)動(dòng)，門被打開（這里的門叫做被控對象，也稱為控制對象）:（4） 控制器保持開門信號延時(shí)（如10s）后，自動(dòng)發(fā)出關(guān)門信號，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，門重新關(guān)閉。上述的系統(tǒng)組成與工作過程，可以用圖3表示。

在圖3中，從左往右看：當(dāng)門口有人時(shí)，即有輸入，傳感器感知并形成信號。信號先后經(jīng)過控制器、電動(dòng)機(jī)的變換與傳遞，直到把門打開，叫做有輸出（門動(dòng)作，打開）。沒有人，則無輸入，不發(fā)生信號傳遞，當(dāng)然沒有輸出（門無動(dòng)作，常關(guān)）?！締栴}思考】當(dāng)有人一直站在門口時(shí)，自動(dòng)門會(huì)怎樣動(dòng)作？為什么？【案例2】水箱水位控制再來看水箱的水位控制。當(dāng)水箱內(nèi)的水沒有達(dá)到設(shè)定的水位（水箱內(nèi)的“△”所示）時(shí),水箱的水龍頭打開，向水箱內(nèi)放水；當(dāng)水面達(dá)到設(shè)定位置，水龍頭關(guān)閉。它有兩種控制方式一為人工控制（圖4）；一為自動(dòng)控制（圖5）。下面分別分析、研究這兩種控制。連幵機(jī)構(gòu)胖子水箱圖水箱水位人H連幵機(jī)構(gòu)胖子水箱圖水箱水位人H控制系統(tǒng)示意圖5承輯水位自動(dòng)控制系毓示怠圉功能當(dāng)水面（位）達(dá)到設(shè)定的水位（高度）時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥門?？刂品绞剑?）人工；（2）自動(dòng)。系統(tǒng)組成（1） 人工控制：水箱（包括水箱內(nèi)的水）；進(jìn)水閥門。（2） 自動(dòng)控制：水箱（包括水箱內(nèi)的水）；閥門；連桿機(jī)構(gòu)；浮子（俗稱水漂）工作過程（1） 人工控制：當(dāng)水面低于設(shè)定水位時(shí)，人打開閥門放水入水箱，人眼監(jiān)視水面高度；當(dāng)水面達(dá)到設(shè)定的水位時(shí)，人關(guān)閉閥門。（2） 自動(dòng)控制：當(dāng)水面低于設(shè)定水位時(shí)，浮子下落，閥門打開，進(jìn)水；浮子“監(jiān)測'冰面高度，并隨著水面升高而浮升。當(dāng)水面達(dá)到設(shè)定的水位時(shí)，浮子傳感，通過連桿機(jī)構(gòu)，將閥門關(guān)閉?！締栴}思考】水箱水位的人工和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器、控制器、執(zhí)行器和被控對象各對應(yīng)什么裝置及其作用？^方^^環(huán)傳感器控制器執(zhí)行器被控對象人工自動(dòng)水箱水位控制系統(tǒng)的圖形描述框圖，如圖6所示。r|荊出注◎輸人I5L{H?——-｛綸丘水燉】t幵朋r|荊出注◎輸人I5L{H?——-｛綸丘水燉】t幵朋昨旳比較壞*曲日水縉水垃自XI』擔(dān)制系統(tǒng)框圖連悴機(jī)構(gòu)當(dāng)水位差（給定水位與實(shí)際水位之差）不為零時(shí)，此信號經(jīng)連桿機(jī)構(gòu)使閥門打開，放水入水箱；同時(shí)，浮子將實(shí)際水位的信號反傳給比較環(huán)節(jié)，從而形成水位差信號。當(dāng)水位差為零時(shí)，閥門將關(guān)閉，不再進(jìn)水。水位的高低，可以用水面高度這樣的量來計(jì)量，因此，對于輸入、輸出就有了輸入量、輸出量的叫法。這里，實(shí)際水位為被控量，即輸出量；閥門開度為控制量。對兩個(gè)案例的系統(tǒng)框圖（圖5與圖6）進(jìn)行比較就可以發(fā)現(xiàn)，案例4-1中，信息總是自輸入端單向傳至輸出端，不存在信息逆向流動(dòng)；而案例2則不然，除上述過程外，還要將輸出信息反傳給輸入端（比較環(huán)節(jié)），存在信息的逆向流動(dòng)。這就是說，案例2比案例1多了一個(gè)信息傳遞過程與路徑。案例2中，信息流經(jīng)一個(gè)閉合環(huán)路，這類系統(tǒng)稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將輸出信息反傳給比較環(huán)節(jié)的做法，稱之為反饋。而案例中，沒有反饋，也就不存在閉環(huán)，這類系統(tǒng)稱之為開環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)，是兩類不同的系統(tǒng)。從構(gòu)成形式上看，兩者的不同表現(xiàn)為有反饋或無反饋。從本質(zhì)上講，二者的不同在于信息流的傳遞方式不同。因此，開環(huán)是按輸入實(shí)現(xiàn)控制，而閉環(huán)是按偏差（如案例2中的水位差）實(shí)現(xiàn)控制?！締栴}思考】水位自動(dòng)控制比水位人工控制好在哪里？從比較中我們可以得到什么啟示？什么叫自動(dòng)控制？如果水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中的浮子壞了，更換的浮子比原來的小，會(huì)出現(xiàn)什么后果？前面我們收集的“使用控制系統(tǒng)的實(shí)例”中，哪些是開環(huán)控制？哪些是閉環(huán)控制系統(tǒng)？【試一試】若要節(jié)約用水，減少水位自動(dòng)控制水箱內(nèi)水的容量，應(yīng)該怎么辦？將你的設(shè)想做一做。如果成功，試說明原理；如果失敗，試找出原因。二、控制系統(tǒng)的基本組成與工作過程控制系統(tǒng)的基本組成簡單的控制系統(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)和比較環(huán)節(jié)。開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理比較簡單，信息從輸入端到輸出端，僅有一條路徑。它的最大缺點(diǎn)是控制精度（精確度）不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，信息流經(jīng)的路徑有兩條，一條自輸入端傳至輸出端，另一條是輸出端信息反傳到輸入端的比較環(huán)節(jié)。它可以有較高的控制精度和有較強(qiáng)的抗干擾性能。【討論交流】全班研討開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作過程。怎樣理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程對于閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，輸入信號和反饋環(huán)節(jié)傳回來的反饋信號相比較，產(chǎn)生偏差信號一控制器根據(jù)偏差信號的大小和極性（正或負(fù)），產(chǎn)生控制作用，傳給執(zhí)行器一執(zhí)行器將此信號放大、變