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解析闭环控制系统工作过程

通用技术（必修）技术与设计2第四章第三节

第1课

一、教学目标

通过实践体验，分析闭环控制系统的基本组成和工作过程，学会画闭环控制

系统的方框图。

二、教学重点、难点

通过实践体验，分析闭环控制系统的基本组成和工作过程，学会画闭环控制

系统的方框图。

三、教学方法

讲授法，演示法，实验体验法，任务引导法

四、教学过程

1.情境导入

陈晨家阳台上种植了两种植物——虎皮兰和绿萝。虎皮兰喜热、耐干旱，绿

萝则喜阴湿、忌干燥。这两种植物不能采用同一定时浇水方式，应该如何改进自

动浇灌装置呢?

2.新课学习

技术体验：

搭建土壤湿度控制系统

体验目的：

通过搭建土壤湿度控制系统，感受闭环控制系统的工作过程。

情境展示：

不同的植物需要的水量不同，喜干和喜湿的植物不能采用同一定时浇水方式。

为解决这一问题，陈晨打算设计一个可以根据不同植物的土壤湿度值来决定是否

浇水和浇多少水量的自动控制装置。

问题分析:

相对于定时浇灌，根据土壤湿度调节浇水量的方式，在方案设计上阀门和电

磁阀有什么不同?

活动准备:

材料:控制器、土壤湿度传感器、电磁阀、集水箱、花洒、阀门、继电器、

支架等。

工具:钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀、胶枪等。

主要过程:

1.如图4-25所示，根据控制系统示意图进行搭建。

2.利用Linkboy开源编程软件进行电路的连接和控制系统程序的编程。

3.实际电路和制作。

4.用湿度传感器检测土壤湿度，与控制器连接，从而控制电磁阀的开与关，

为植物输送浇水。

5.调试并观察过程，填写下表:

土壤湿度情况电磁阀的状态花洒的状态

当湿度传感器检测到花盆

内土壤湿度不够时

当湿度传感器检测到花盆

内土壤湿度达到要求时

思考:

电磁阀的开启与关闭取决于来自什么装置的信号?

闭环控制系统

在上述土壤湿度控制系统中，输入信号是设定的土壤湿度。湿度传感器检测

到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置(比

较器)，与给定湿度值作比较。当实际湿度比设定湿度低时，控制器控制电磁阀

打开，给植物浇水；当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出信号关

闭电磁阀，停止浇水。

该浇水自动控制系统的方框图如图4—26所示：

从这一控制系统方框图中可以看出，在系统的输入端和输出端之间，除了有

从设定湿度到实际土壤湿度的信息传递，还有从输出端返回到输入端的信息传递，

即把输出量返回到输入端，与给定值进行比较，构成一条闭合回路。我们把系统

的输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。

简单闭环控制系统的方框图如图4-27所示:

⊗

图中，检测装置测量出被控量并返回到系统的输人端；是比较器，它将给

定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处

理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被

控量稳定在给定的范围内。与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测

装置组成的反馈通道。

马上行动

判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，并画出方框图。

控制系统是否属于闭环控制系统方框图

光控窗帘控制系统

电冰箱的温度控制系统

声光楼道灯控制系统

花房的恒温自动控制系统

案例分析

（一）离心式调速器对蒸汽机转速的控制

离心式调速器的原理是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴上装有一

个四连杆机构，连杆带有两个重球。当蒸汽机转动加快超过某一限定值时，竖轴

也转动加快，两个重球随之升高，这时与重球连接的调节杠杆便将蒸汽阀门关小，

从而使蒸汽机的转速降低一些。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动过慢，

重球的位置也下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。