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四___控制与设计复习课学案

发布时间:2013-12-06 12:30:32  

卧龙东校高三基本能力(通用技术)学案

第四章 《控制与设计》复习课导案

一、课程标准

(1)理解控制的含义及其在生产和生活中的应用。

(2)分析典型的案例,了解手动控制、自动控制,熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。

(3)能画出一个简单的闭环控制系统的方框图,理解其中的控制器、执行器等环节的作用,熟悉反馈环节的作用。

(4)能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素,并作分析。

(5)了解简单的被控制对象的基本特性,能确定被控量、控制量,画出控制系统的方框图,并形成初步的控制设计的方案。

(6)能根据简单闭环控制系统的设计方案进行模拟实施,学会调试运行,提出改进方案。

二、知识结构

三、知识考点梳理

(一)控制的含义:

1、控制:人们按照自己的意愿或目的,通过一定的手段,使事物向期望的目标发展,就形成了控制。 控制已经深入到人们生活和工作的方方面面,如经常提到的“质量控制”、“车速控制”、“安全控制”、“人口控制”、“情绪控制”等等。

【例1】成语和俗语是千百年来人们生活智慧的结晶,其中不少蕴含着有关技术与设计的道理.下列与设计过程中的“结构”“流程”“系统”和“控制”依次对应的是( )

①见风使舵 ②铜墙铁壁 ③磨刀不误砍柴工 ④牵一发而动全身

A. ②③①④ B.②③④① C. ③②①④ D.③②④①

【解析】见风使舵(控制)、铜墙铁壁(结构)、磨刀不误砍柴工(流程 )、牵一发而动全身(系统)

2、在生产和生活中的应用:(阅读课本P104--105)

我国古代有一种靠风力来推动的风磨,当风力强的时候,磨盘就转得快,当风力弱的时候,磨盘就转得慢。那么,怎样才能根据风力的大小,往磨盘上添加谷物呢?对此,人们设计了一个漏斗:当风磨转动慢的时候,这个漏斗会自动地缩小漏口,使少量的谷物流进磨盘;当风磨转动快的时候,这个漏斗会自动地张大漏口,让较多的谷物流进磨盘。这个巧妙的漏斗在今天看来,是一个古老的控制装置,体现了人们久远的认识并利用控制现象。事实上,控制渗透在我们生产和生活的方方面面。理解控制、善于运用控制,已经成为我们每个人不可缺少的基本能力。

能看到同学们来年六月九日后绽放的笑脸,我们所有的努力都是值得的。

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3、控制技术的作用:课本P105

(二)控制的分类: 从控制过程中人工干预的情形来分,控制分为人工控制和自动控制。

·人工控制是在人的直接干预和全程干预下进行的。人工控制又称手动控制。

人在“人工控制”中的作用:眼睛起传感器的作用,人脑和手相当于控制器的作用。

·自动控制是指在无人直接参与的情况下,通过一定技术手段,使事物的变化准确地按照期望的方向进行。

【例】下列控制系统中属于自动控制系统的是( )

A.按钮开关控制 B.普通自来水龙头C.花房恒温度控制 D.汽车驾驶

(三)控制系统:控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统:

任何一种控制的实现,都要通过若干个环节,这些环节构成一个系统,我们称之为控制系统。一般的控制过程都有一个输入和一个输出,控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统。

能看到同学们来年六月九日后绽放的笑脸,我们所有的努力都是值得的。

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【例3】下列关于控制系统工作过程的说法,正确的是( )

A.信息只能从输入端传至输出端

B.信息只能从输出端传至输入端

C.开环控制系统的信息只能从输入端传至输出端

D.闭环控制系统的信息只能从输出端传至输入端

【解析】本题考查控制系统的工作过程与方式。控制系统在工作过程中,若从信息的传输过程分析归类.可以把控制系统分成开环控制系统和闭环控制系统两类。开环控制系统的结构和原理比较简单,信息只从输入端传至输出端,仅有一条路径。它的缺点是控制的精确度不高。闭环控制系统的结构和原理比较复杂,信息流经的路径有两条,一条是输入端传至输出端,另一条是将输出端信息反传到输入端的比较环节。它的优点是有较高的控制精度和较强的抗干扰性能。

【答案】:C

【例4】比较闭环控制系统和开环控制系统,下列判断错误的是( )

A.开环控制系统的控制精度较低 B.开环控制系统无反馈环节

C.闭环控制系统的抗干扰能力强 D.闭环控制系统和开环控制系统都有比较器

【例5】如下左图,是一个自动控制的水龙头,当人手靠近时水流出,手拿开时停止流出,出水时间超过1分钟就会自动关闭。

15.该水龙头的控制系统属于 ( )

A.开环控制 B.闭环控制C.人工与自动相结合 D.水龙头的开启是开环控制,关闭是闭环控制

16.下列可以作为该控制系统执行器的是(如下右图) ( )

【例6】如图,水箱液位控制系统的示意图,当水箱出水

量大时,水位下降浮子下沉,带动活塞偏离进水口位置,

此时进行补水直到水箱里的水位上升到给定水位,浮子上

浮,活塞归位。请回答此控制系统中的控制量和被控量分

别是( )

A.水箱内水位的高度,水箱内水位的高度

B.水箱内水位的高度,进水管的水流量(即进水量)

C.进水管的水流量(即进水量),进水管的水流量(即

进水量)

D.进水管的水流量(即进水量),水箱内水位的高度

【例7】目前的手机大都设有省电模式,例如某触摸屏翻盖式习机,当停止操作10秒钟,液晶屏变暗并关闭。当你继续操作屏幕时,液晶屏再次点亮。该液晶屏的亮暗控制系统属于( )

A自动控制的闭环控制系统 B.自动控制的开环控制系统

C手动控制的闭环控制系统 D.手动控制的开环控制系统

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(四)控制系统中的各个环节在控制系统中的作用:

A.控制器 B.执行器 C.被控对象 D.反馈

【例9】闭环控制系统中,反馈的作用是( )

A.减少输入量 B.增加输入量 C.将输出量返回到输入端 D.稳定输出量

【例10】根植于历史文化名城泉州的提线木偶戏古称“悬丝傀儡”,又名“丝戏”,民间俗称“嘉礼”,乃流行于闽南语系地区的古老珍稀戏种,在提线木偶的控制过程中控制对象是( )。

A、手 B、提绳 C、木偶 D、大脑

【例11】小强用恒温箱进行实验时,发现恒温箱的温度持续升高,无法自

动控制。经检查,恒温箱的控制器没有故障。参照右图,下列故障判断

正确的是 ( )

A、只可能是热敏电阻出现故障 B、只可能是温度设定装置出现故障

C、热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障

D、可能是加热器出现故障

(五)干扰因素

(1) 干扰: .

(2)抗干扰性:如果一个控制系统能够很好地避开或抑制干扰,使干扰对系统产生的影响很小,我们就说这个系统抗干扰性强。

(3)简单控制系统的主要干扰因素分析:在控制系统框图中,干扰作用一般表示在被控对象上。一个系统的干扰因素是什么,要分析控制系统易受到其外部环境或条件中的哪些因素的影响。一个控制系统的干扰因素不止一个,所有的控制系统的工作运行,都会受到所谓干扰因素的影响。

【举例】温度控制系统容易受到环境温度(冷热)的影响;

姿态控制系统容易受到大气场中风的影响;

电子控制系统容易受到电磁环境的影响;

声控灯的控制系统容易受到供电电网的电压或频率波动的影响,意外的声响。

(4) 简单闭环控制系统的克服干扰因素过程的描述

⑴ 干扰信号作用与被控对象,使系统的被控量(输出量)发生变化;

⑵ 变化的被控量通过反馈环节反传给控制系统输入端与输入量相比较,产生偏差。向控制器发出指令信号,控制器根据偏差信号的大小和极性(正或负),产生控制作用;

⑶ 控制器将此信号放大、变换后发出工作指令传给执行器,执行器作相应的响应,作用于被控对象上,产生输出信号。

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【例12】下列关于干扰因素对控制系统的作用,说法正确的是

A、干扰因素仅作用在被控量上 B、干扰因素不会作用于开环控制系统

C、闭环控制系统中干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上 D、干扰因素都是可以利用的

6. 一般闭环控制系统框图:

(六) 绘制控制系统框图:(闭环控制系统)自右往左,先画被控对象,再画执行器,接着再画控制器、反馈环节,最后画比较环节,加框连线闭环,并标出输入量、输出量(被控量)等。

【例13】随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一种应用。其工作过程是由“声电转换装置”将起伏的音乐强度转换为随之变化的电信号,这种电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐信号强,水泵的转速就快,喷头的压力就大,喷出的水柱就高。反之,喷出的水柱就低。请回答下列问题:

(1) 该控制系统是(开环 或 闭环)开环

(2)

声音强弱

(七)控制系统的设计

? 控制系统设计:是对系统的信息流程、反馈机制进行分析和设计,使系统的运行达到最佳状态。 ? 控制系统设计的思想与方法(P122--130)

⑴ 了解被控对象的基本特性: 。

⑵ 确定被控量与控制量:

⑶ 确定控制系统构成方案

⑷ 绘制系统框图

【例15】【例14】声控灯控制系统的设计中,被控对象是 其基本特性

是: 。

被控量是: 。控制量是: 。

控制系统构成方案是: 。(开环还是闭环)

绘制出系统框图:

【提示与分析】 (1)声控灯控制系统的输入量是声响;输出量是灯泡中的电流。两者的关系是声强达到某给定值时灯亮:声强达不到某给定值时灯灭。

(2)声控灯控制系统的被控量是灯的亮、灭,控制量是电流。

(3)声控灯控制系统只有灯亮与灯灭两种运行状态,不需要对输出量的误差进行控制,因此,可以采用开环控制系统。

(4)声控灯开环控制系统的框图如图所示:

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(分析)本题考查控制系统方案的设计,考查的知识点较多。声控灯是一个典型的控制系统案例,控制系统的输入量就是控制系统的给定量,它可以是设定的参数,如时间、温度等;也可以是输入的信号,如声音、光照等。输出量(即被控量)是指控制系统所要控制的量,如水位、流量等。控制量是指执行器的输出量,如电动机的转速、阀门的开度等。控制系统的控制方式(开环或闭环)是由控制系统是否需要反馈环节来决定的。

【例16】想使家用抽水马桶节约用水,减少水箱每次冲水量,如

图,下列方案最不适合( )

A.在水箱中放置1块砖头,以减少水箱的实际蓄水量

B.设计两种冲水方式,半箱冲洗与整箱冲洗

C.往进水阀方向调节浮球,缩短连杆长度

D.控制出水阀开启时间,使其在水未放完之前关闭。

(八)控制系统的制作和调试(课本P131--135)

【例17】亮度可调台灯的调试,这里主要是指控制电路的调试。一般要分两个大步骤进行,(1)通电前,电路的检查与测试。(2)通电调试。以下不是通电调试的是( )

A.用电表逐段检查电路所承受的电压是否正常;

B.检查各元器件的位置、参数值、连接是否正确;

C.旋动旋钮(即改变电位器触头位置),观察灯泡亮度改变的情况。

D.观察亮度可调的情况

四、控制的思想和方法:通过对开环和闭环控制基本组成和其工作机理的学习,进而掌握和理解这两种控制方式的重要作用。分析控制系统中的干扰因素、反馈原理、功能模拟方法和思想方法,掌握其基础知识和基本技能的同时,领会其思想方法的精髓,迁移到日常社会和组织生活中。

五、体验基本能力测试

1、(2007年高考题)某办公楼大厅采用自然光照明,控制

系统如右图,大阳光经过反光镜反射到反光球面镜上,反光

球面镜再将光线反射到大厅,从而达到采集自然光的目的。

当大阳移动后,光线到达反光球面镜的位置也随之发生偏

移,相应的传感器就会受到光照产生电信号,控制器根据不

同传感器送来进来的信号控制反光镜作相应的调整。 (1)该系统是开环控制系统还是闭环控制系统?

(2)该系统中,被控对象是____ _ ________。

(3)控制器与人体哪个器官的功能是类似的?

(4)请再写出两种利用太刚能的产品。

【解析】本体涉及科学、技术多个学习领域,需要物理、生

物等知识回答问题。题目以自动化利用太阳能的办公大楼为

背景材料,体现了命题指导思想的时代性,本题将系统的控

制类型,系统的控制对象,控制器与人体器官功能的类似性

进行了整合,考察了学生在自动控制系统常识方面的基本能力。以及学生对太阳能产品的了解情况。试题在内容选择上注重能源问题,提倡科学利用太阳能,题目答案有一定的开放性。

【答案】(1)闭环控制系统(2)反光镜(3)人脑

(4)太阳能热水器、太阳能电池、太阳能飞机、太阳能路灯等。

2、如图是一个蒸汽加热的热水槽,冷水流入到水槽内,通过槽内蛇形盘管进行加热,加热后的热水流出热水槽。如果冷水流量加大,水槽内的温度下降,蒸汽阀开大,加大蒸汽的流量,冷水流量变小,加热槽水温上升,蒸汽阀门关小,蒸汽流量变小。控制加热槽内的温度稳定。

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卧龙东校高三基本能力(通用技术)学案

(1)水温检测仪将检测到的水温信号传送

给TC装置与输入端信号进行比较的过程

称为 ;

(2)由于水中杂质在水温检测器上的沉

淀,致使水温经常性发生偏差,这种设定

状态以外的变化因素称为 。

(3)请画出蒸汽加热水槽自动控制系统方

框图。

3、用控制框图表示篮球比赛运动员投篮过程。

4.在加热炉的温度控制系统中,可能有哪些干扰因素?系统是如何克服干扰使炉温稳定在一定范围的?

5、夏天多雨,天气无常,而人们工作繁忙,时常无暇顾及雨水对家具、家电等物品的损害,造成经济损失。能否设计一个雨天自动关窗系统呢?

①、该系统属于开环控制系统还是闭环控制系统?

②、该控制系统的被控对象和输出量分别是什么?

③、画出该控制系统的方框图?

6、声控灯系统,是一个简单的开环控制系统。当感受一定强度的声音的刺激而发光。在公共楼道里,安装声控灯,既方便,又节电。在白天,如果楼道里有足够的光亮,从节电角度出发,应当利用________________ 的方法进行改进性设计来达到自动控制的目的。

六、相关知识链接

1、传感器与现代控制技术 :传感器是将所感知的某种物理、化学、生物等信息转换成便于检测、处理的信息并具有独立功能的器件或组合件。通常由敏感元件和处理电路两部分组成。前者执行传感功能,后者对敏感元件输出的信息进行放大、传输等处理。

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传感器的作用:传感器应用广泛,对实现生产自动化、保护环境、节省能源、防灾报警、医疗保健、交通运输等方面有极其重要的作用。除进一步提高灵敏度、分辨率、稳定性、可靠性,发展高灵敏度、高精度、高重复性、高响应速率、长寿命、耐恶劣环境等性能外,集成化(与放大器、模数转换器等集成在一起)、多功能化(同时检测几个物理量)和智能化(与微型计算机结合随时给出误差并随时修正)将是传感器发展的重要方向。

传感器的分类:传感器根据不同功能可分为温度传感器、光传感器、压力传感器、磁传感器、气体传感器、湿度传感器、射线传感器等。

应用领域:传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备等。

① 专用设备 :专用设备主要包括医疗、环保、气象等领域应用的专业电子设备。目前医疗领域是传感器销售量巨大、利润可观的新兴市场,该领域要求传感器件向小型化、低成本和高可靠性方向发展。 ② 工业自动化: 工业领域应用的传感器,如工艺控制、工业机械以及传统的;各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)的;测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)的,以及传统的接近/定位传感器发展迅速。

③ 通信电子产品 :手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战,彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外,应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。

⑤ 汽车工业 :现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键就在于采用压力传感器的数量和水平,目前一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只,种类通常达30余种,多则达百种。

2、汽车超载自动监测系统:该系统由这样几部分组成:在收费站前方每一条车道上安装压力传感器,它监测每一辆通过汽车的重量。压力传感器位置附近还装有摄像头,将通过车辆的车型、牌照摄下。这些数据信息都传入监察电脑,电脑能够辨认出各种车型,并查明该型车的规定载重量,经过与实测数据对比,在零点几秒内就可以判明来车是否超载。对于轻微超载的货车,监测系统会通知收费站予以警告、罚款。遇到严重超载车辆,车道上会升起障碍物,迫使它立即停车接受处理。

3、普通家用空调的工作原理

家用空调器一般都是采用机械压缩式的制冷装置,其基本的元件共有四件:压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置,四者是相通的,其中充灌着制冷剂(又称制冷工质)。压缩机象一颗奔腾的心脏使得制冷剂如血液一样在空调器中连续不断的流动,实现对房间温度进行调节。

制冷剂通常以几种形态存在:液态、气态和气液混合物。在这几种状态互相转化中,会造成热量的吸收和散发,从而引起外界环境温度的变化。在从气态向液态转化的过程,称为液化,会放出热量;反之,从液态向气态转化的过程,叫做汽化(包括蒸发和沸腾)要从外界吸收热量。

空调的工作原理(冷暖分体式):接通电源,室内机、室外机开始工作。进行制冷运行时,来自室内机热交换器(蒸发器和冷凝器的统称)的低温、低压制冷剂(氟立昂)蒸汽被压缩机吸入,压缩成高温高压汽体,然后排入室外机热交换器,通过轴流风扇的作用,与室外空气进行热交换而成为制冷剂液体,再经过毛细管节流、降压、降温后进入室内换热器,在室内机离心风扇的作用下,与室内空气进行热交换而成为低压制冷剂汽体,如此周而复始地不断循环而达到制冷的目的。当进行制热运行时,电磁四通换向阀动作,使制冷剂按制冷过程的逆过程进行循环,制冷剂在室内机换热器中放出热量,在室外机换热器吸收热量,进行热泵制热循环,从而达到制热的目的。

空调实际上是“空气调节”的简称,是指把经过处理的空气,以一定的方式送入室内,使室内的温度、湿度和噪声等都控制在需要范围内。它不仅为人们生活和停留的场所提供了舒适的温度条件,随着工业发展和科学技术的进步,其技术已经在国民经济的各个领域(如国防、交通、化工、机械制造、航空、仪表、电子、医药、食品工业、农业等)得到了极大的应用和普及,成为促进生产发展,提高工艺水平及完善科学研究的重要条件。

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