1、第二节控制系统的基本组成和工作过程教材p104-p110问题思考 在很多公共场合都使用了声控灯，如进入楼道后只要发出一定的声响，电灯就会自动点亮;过一段时间电灯又会自动熄灭。这种灯的控制系统是由什么构成的?又是如何工作的?一、典型控制系统案例分析我们先来分析两个典型控制系统案例，旨在了解控制系统是怎样构成的，以及它们是怎样实现控制的。案例1自动门控制自动门的动作过程:当门口没有人时，门是关着的，即常关状态(图4-11);当有人来到门口时，门自动打开工作，即打开状态(图4-12);当人离开门口后一小段时间，门又自动关闭,返回常关状态。自动门的功能和技术要求如下:功能:(1)无人时，常关。(2)有
2、人时，打开。技术要求:(1)当来人距门1m(也可设为其他值)时，门即打开。(2)当传感器确认门附近无人后,延时10s(也可设为其他值)，门即关闭。门是怎样实现自动开、关的呢?来看一看自动门（实际上是自动门系统，简称自动门)的组成和工作过程。系统组成:门;电动机;控制器;传感器。工作过程：(1)当有人到达门前某一距离(如1m)时，传感器感知，并发出“有人”的信号。(2）控制器接到传感器传来的信号，经变换放大后传给电动机（这里的电动机称为执行器)。(3)电动机根据传来的开门信号转动，门被打开(这里的门称为被控对象，也称为控制对象，简称对象)。(4)在门附近无人的情形下，控制器保持开门信号延时(如1
3、0 s)后，自动发出关门信号，电动机反转,门又重新关闭。上述的系统组成与工作过程，可用图4-13表示。在图4-13 中，从左往右看:当门口有人时，即有输入，传感器感知并形成信号。信号先后经过控制器、电动机的变换与传递，直到把门打开，叫作有输出（门动作，打开)。没有人，则无输入，不发生信号传递，当然没有输出（门无动作，常关)。阅读材料：输入与输出 在自动门控制系统中，有人，就是有了一种信号。信号被传感器感知，通过传感器给系统以输入。这种输入信号、输入作用,简称输入。系统在输入的作用下，被控对象(这里指自动门)对输入产生相应的动作,即响应。如有人时,门就被打开。门打开，就是输出信号、输出作用，简称
4、输出。这里的输入与输出，实际上指的是状态，如有（无）人、门开（关)。问题思考 当有人一直站在门口时,自动门会怎样动作?为什么?讨论交流(1）安全意识在案例1的“技术要求”中是如何得到体现的?(2）传感器的安装与“技术要求”中的哪项要求有关?(3)门的质量不同，对系统的哪个部分有不同的要求?为什么?提示:要与性价比意识相联系。案例2水箱水位控制当水箱内的水没有达到设定的水位（水箱内的“”所示）时，水箱的水龙头打开，向水箱内放水;当水面达到设定位置,水龙头关闭。它有两种控制方式:一种是人工控制(图4-14);一种是自动控制（图4-15)。下面分别分析、研究这两种控制。问题思考 水箱水位控制系统中，
5、传感器、控制器、执行器和被控对象各对应什么装置?功能:当水面(位)达到设定的水位(高度)时，关闭进水阀门。控制方式:(1)人工。(2)自动。系统组成:(1)人工控制:水箱(包括水箱内的水);阀门;监控的人。(2)自动控制:水箱(包括水箱内的水);阀门;连杆机构;浮子(俗称水漂)。工作过程:(1)人工控制:当水面低于设定水位时，人打开阀门放水人水箱，人眼监视水面高度。当水面达到设定水位时，人关闭阀门。(2)自动控制:当水面低于设定水位时，浮子下落，阀门打开,进水;浮子跟随水面升降以监测水面高度。当水面达到设定的水位时，浮子浮升至设定水位，通过连杆机构，将阀门关闭。两种控制的对比:自动控制中的浮子
6、和连杆机构的作用,相当于人工控制中的人眼、人脑和人手的作用。两种控制方式的对比，如表4-1所示。在现实的生产或生活中，像水箱水位控制案例那样，人工控制可以由自动控制来代替的例子，不是比比皆是吗?图4-16为自动进水水箱水位控制系统的组成与工作过程框图。由图可见，当水位差（给定水位与实际水位之差）不为零时，此信号经连杆机构传递使阀门打开，放水入水箱;同时，浮子将实际水位的信号反馈给比较环节，从而形成水位差信号。当水位差为零时,阀门将关闭,不再进水。水位的高低可以用水面高度计量,因此，对于输入、输出就有了输入量、输出量的叫法。这里，实际水位为被控量，即输出量;阀门开度(开/关)为控制量。现在，来比
7、较案例1与案例2。从两个框图(图4-13、图4-16）的比较就可以发现，案例1的信息总是自输人端单向传至输出端，不存在信息的逆向流动;而案例2则不然,除上述过程外,还有将输出信息反传给输入端(比较环节),存在信息的逆向流动。这就是说，案例2比案例1多了一个信息反传的传递过程。案例2中，信息流经一个闭合环路，这类系统称为闭环控制系统。闭环控制系统中，将输出信息反传给比较环节，称为反馈。符号“”代表输入信号与反馈信号比较，称为比较环节。而案例1中，没有反馈，也就不存在闭环，这类系统称为开环控制系统。闭环控制系统与开环控制系统是两类不同的系统。从构成形式上看，两者的不同表现为有反馈或无反馈。从本质上
8、讲，两者的不同在丁信息流的传递方式不同。问题思考(1)水位自动控制比水位人工控制好在哪里?从比较中,你得到了哪些启示?什么叫自动控制?(2）如果水箱水位自动控制系统中的浮子坏了，更换的浮子比原来的小，会出现什么后果?(3）在第一节“调查研究”活动中，你收集到的使用控制技术的实例中，哪些是开环控制系统?哪些是闭环控制系统?创客坊 若要节约用水，减少水位自动控制水箱内水的容量，应该怎么办?将你的设想做一做。如果成功，试说明原理;如果失败，试找出原因。二、控制系统的基本组成和工作过程（一）控制系统的基本组成简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等
9、环节。对于闭环控制系统来说，还包括反馈环节和比较环节。(二）开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制系统的结构和原理比较简单，信息从输入端经控制器、执行器传到输出端,仅有一条开放路径。它的最大缺点是控制精度（精确度）不高。闭环控制系统的结构较为复杂，信息流经的路径为闭合的环路，信息流自输入端传至输出端，输出端信息又反传回输人端的比较环节，构成一个封闭的闭合回路。它可以有较高的控制精度和较强的抗干扰性能（有关干扰内容在本章第四节学习)。讨论交流 分组研讨开环控制系统与闭环控钊系统的结构特点与工作过程。技术实践走直线:开环控制系统与闭环控制系统的简单体验 说在前面:技术试验，是学习技术理论、掌握技
10、末本质的一种重要实践活动，一定要高度重视并认真参与。试验条件:选一块较宽闼的平地;布带一条;粉笔一支。试验做法:(1）在平地中央，用粉笔画一条标准直线，以直线的一端为起点，另一端为终点。起点与终点相距10步以上。(2）第一次，试验者自起点出发，沿直线走向终点。(3）第二次，在起点处用布带将同一个试验者的眼睛蒙好后，试验者凭自我感觉走向终点。记录下最终偏差。(4）换人，重复步骤（2)与(3）。讨论:(1)使用控制系统的概念和语言，解释两次走直线试验的不同结果（精度)。(2）人的眼晴相当于什么环节?根据是什么?提示:开环控制系统与闭环控制系统，在系统构成、工作机理、系统特性、控制效果等方面都有很大
11、不同。闭环控制系统具有跟随特性随动特性)，拥有较高的控制精度，开环控制系统则不然。在本活动中，对于同一个人(试险者)，两次“走直线”，却是对应着两类控制系统（闭环的与开环的)，有着本质区别，控制效果(“走直线”的偏差)也大不同!希望认真做好活动体验，仔细感悟，更希望努力提升对控制科学的理性认识。(三）怎样理解闭环控制系统的工作过程对于闭环控制系统来说，信号流程如下:(1）输入信号和反馈环节传回来的反馈信号相比较,产生偏差信号。(2)控制器根据偏差信号的大小和极性（正或负)，产生控制作用，传给执行器。(3）执行器将此信号放大、变换后,传到被控对象上。(4）被控对象受执行器传来的信号（称为控制信号
12、)的驱动，产生输出信号。(5)与此同时，反馈环节又将感知到的被控对象的输出信号,经变换后产生反馈信号。上述工作过程,是信息在闭环控制系统中的流动、变换与传递的过程。技术实践 学校认为安装声控灯能达到节约电的效果，决定在每个楼道都安装声控灯。查找资料，对声控灯的系统组成进行分析。声控灯是开环控制系统还是闭环控制系统?技术探究试分析某控制系统的工作过程 下列3题，可选做。(1)查阅电冰箱的资料，试说明电冰箱温度控制的工作过程。(2)试说明自行车、汽车或拖拉机行驶方向控制的工作过程。(3)试说明手动调压系统(图4-17)的工作过程。提示:E为电源;U1(t)为参考输入;I1(t)为控制量；G为被控对象，直流网磁发电机;U2(t)为翰出量(被控量）;I2(t)为输出端电流（t）为励磁磁通。这是个开环控制系统，负载需要的U2(t)是通过设定合适的U,U1(t)获得的。
