苏教版高中通用技术 必修2 4.4 控制系统的设计与实施 （课件）（32ppt）
文档属性
| 名称 | 苏教版高中通用技术 必修2 4.4 控制系统的设计与实施 （课件）（32ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版 | ||
| 科目 | 通用技术 | ||
| 更新时间 | 2021-12-15 19:59:41 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
控制系统的设计与实施
设计项目：衣柜自控灯的设计
设计要求：开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
被控对象是什么？
控制的目的是什么？
这种灯用在什么地方？环境怎样？
这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？
有什么其他因素会干扰灯的正常工作？
依据你的判断，能提出一种设计方案吗？
一、控制系统设计的一般思路
控制系统
设计
明确控制的目的
确定被控量、控制量
分析被控对象
的主要特性
控制系统的调试
运行和评价
分析主要的干扰因素
控制系统方案的选择
系统的成本分析
……
实施控制系统所需的设备、元件等
衣柜自控灯设计分析
自控灯的控制工作过程：
灯安装在衣柜内，开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
自控灯
开门——有电流，灯亮
关门——无电流，灯灭
通过改变什么，实现灯的亮与灭？
2.方案构思
选择开环控制系统实现自控灯的控制要求。
确定了控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
3.方案的呈现
根据给定的材料，呈现小组方案。
4.分组实践
根据设计方案和已给材料(各种电子开关、灯泡、双金属片等)，组装衣柜自控灯模型。
5.展示与点评
展示部分小组作品并调试。
6.拓展与延伸：
这类控制设计方案，除了用在衣橱上，还可以用在哪里？
开关
灯泡
门的
开关
灯亮
灭
思考
如果把被控对象换成电铃，那么它又可做成什么？
如果把执行器开关换成声控开关的话，它又可做成什么？
如果把执行器开关换成光控开关的话，它又可做成什么？
案例：抽水马桶
观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。提出下列问题：
(1)被控对象是什么？
(2)控制目的是什么？
(3)被控量是什么？控制量是什么？
(4)为什么采用闭环控制方式？
(5)被控量与控制量之间是如何实现反馈的？
(6)如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设计要求：
1.当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立即进水。
2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立即停止进水。
3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析
1.从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
2.被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量(即进水量)，水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。
3.主要干扰因素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差(给定的水位高度与实际高度之差)，这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位的控制过程
拨动冲水旋扭，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
给定水位
杠杆比较
进水阀门
水箱
水位
浮球
+
-
控制过程方框图
二、控制系统的设计实施案例
升旗简易控制装置的设计
设计要求：
在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升到旗杆的顶端。
选择适当的控制方案实现控制；选用成本低，易于获取的元件、设备和材料的模型。
采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）。
这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同完成。
计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案。例如，采用机械定时器和电动机实现；采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带有可调速电路的电动机实现；采用音频信号、触发电路和电动机实现。
采用任何一种方案实现控制，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。
设计分析
机械定时器(或电子定时器、自制的电子定时器、CD唱机)，旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源等。
机械定时器
555定时器
设计准备
设计方案A
1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。
方案B
采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。
电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。
方案C
1.采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。
4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
方案D
1.采用CD唱机(含有触发电路)、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机(含有触发电路)、电动机、直流电源串联在电路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
1.明确控制的目的
2.分析被控对象的主要特性，确定被控量、控制量
(1)该控制系统被控对象是什么？被控量是什么？
(2)窗户的开关通常有哪几种方式？采用哪种开关方式，怎样控制比较合理？
设计项目：雨天自动关窗系统
是否下雨
传感器
控制电路
电动机
开
关
窗户
3.画出控制系统方框图
1.窗户的运动方式：平移、转动
2.电机与窗户连接方式：
a.齿轮与齿条连接
b.共轴连接
c.滑轮绳子连接
3.湿度检测电路：湿敏电阻、自制湿度传感器
结构安装
1.控制调试
(1)调试机械联接是否稳固
(2)调试窗户移动（开关）是否到位
(3)调试湿度检测是否灵敏
2.评估自己的方案
3.优化改进自己的方案
(1)如何增加湿度检测的灵敏度和准确度
(2)如何实现自动控制和人式控制两种方式并存，使控制有更大的适应性
(3)如何克服窗户移动距离可能存在的误差
调试改进
谢 谢
控制系统的设计与实施
设计项目：衣柜自控灯的设计
设计要求：开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
被控对象是什么？
控制的目的是什么？
这种灯用在什么地方？环境怎样？
这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？
有什么其他因素会干扰灯的正常工作？
依据你的判断，能提出一种设计方案吗？
一、控制系统设计的一般思路
控制系统
设计
明确控制的目的
确定被控量、控制量
分析被控对象
的主要特性
控制系统的调试
运行和评价
分析主要的干扰因素
控制系统方案的选择
系统的成本分析
……
实施控制系统所需的设备、元件等
衣柜自控灯设计分析
自控灯的控制工作过程：
灯安装在衣柜内，开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
自控灯
开门——有电流，灯亮
关门——无电流，灯灭
通过改变什么，实现灯的亮与灭？
2.方案构思
选择开环控制系统实现自控灯的控制要求。
确定了控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
3.方案的呈现
根据给定的材料，呈现小组方案。
4.分组实践
根据设计方案和已给材料(各种电子开关、灯泡、双金属片等)，组装衣柜自控灯模型。
5.展示与点评
展示部分小组作品并调试。
6.拓展与延伸：
这类控制设计方案，除了用在衣橱上，还可以用在哪里？
开关
灯泡
门的
开关
灯亮
灭
思考
如果把被控对象换成电铃，那么它又可做成什么？
如果把执行器开关换成声控开关的话，它又可做成什么？
如果把执行器开关换成光控开关的话，它又可做成什么？
案例：抽水马桶
观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。提出下列问题：
(1)被控对象是什么？
(2)控制目的是什么？
(3)被控量是什么？控制量是什么？
(4)为什么采用闭环控制方式？
(5)被控量与控制量之间是如何实现反馈的？
(6)如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设计要求：
1.当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立即进水。
2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立即停止进水。
3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析
1.从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
2.被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量(即进水量)，水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。
3.主要干扰因素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差(给定的水位高度与实际高度之差)，这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位的控制过程
拨动冲水旋扭，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
给定水位
杠杆比较
进水阀门
水箱
水位
浮球
+
-
控制过程方框图
二、控制系统的设计实施案例
升旗简易控制装置的设计
设计要求：
在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升到旗杆的顶端。
选择适当的控制方案实现控制；选用成本低，易于获取的元件、设备和材料的模型。
采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）。
这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同完成。
计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案。例如，采用机械定时器和电动机实现；采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带有可调速电路的电动机实现；采用音频信号、触发电路和电动机实现。
采用任何一种方案实现控制，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。
设计分析
机械定时器(或电子定时器、自制的电子定时器、CD唱机)，旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源等。
机械定时器
555定时器
设计准备
设计方案A
1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。
方案B
采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。
电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。
方案C
1.采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。
4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
方案D
1.采用CD唱机(含有触发电路)、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机(含有触发电路)、电动机、直流电源串联在电路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
1.明确控制的目的
2.分析被控对象的主要特性，确定被控量、控制量
(1)该控制系统被控对象是什么？被控量是什么？
(2)窗户的开关通常有哪几种方式？采用哪种开关方式，怎样控制比较合理？
设计项目：雨天自动关窗系统
是否下雨
传感器
控制电路
电动机
开
关
窗户
3.画出控制系统方框图
1.窗户的运动方式：平移、转动
2.电机与窗户连接方式：
a.齿轮与齿条连接
b.共轴连接
c.滑轮绳子连接
3.湿度检测电路：湿敏电阻、自制湿度传感器
结构安装
1.控制调试
(1)调试机械联接是否稳固
(2)调试窗户移动（开关）是否到位
(3)调试湿度检测是否灵敏
2.评估自己的方案
3.优化改进自己的方案
(1)如何增加湿度检测的灵敏度和准确度
(2)如何实现自动控制和人式控制两种方式并存，使控制有更大的适应性
(3)如何克服窗户移动距离可能存在的误差
调试改进
谢 谢