普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）

技术与设计2

教师教学用书

高中一年级下册

河南省基础教育教学研究室组编

河南科学技术出版社

郑 州

第四章 控制及其设计

第二节 控制系统的组成及工作过程

一、学习目标

（1）理解控制系统的含义。

（2）熟悉简单开环、闭环控制系统的组成及工作过程，理解其中控制器、执行器、检测装置等的作用。

（3）能用方框图表达控制系统的工作过程。

二、教材分析

（一）教学内容分析

本课时使用的是豫科版教材《技术与设计2》第四章“控制及其设计”的第二节“控制系统的组成及工作过程”，计划安排2个课时。

（1）控制系统的概念：控制系统是指实现对某个事物进行控制所需的一整套装置的统称。

实际上，控制系统的概念有两层意思：一个是对某个被控对象的所有被控量进行控制的控制系统的统称；另一个是指被控对象是某一个被控量的完整控制系统。比如，厢式电梯的控制系统控制着呼叫电梯、选层、到达、开关门，还有运行速度控制、安全控制等多个被控量；有许多的传感器、执行器；由一个可编程控制器进行控制，构成了一个复杂的控制系统。而声控灯、空调、自动门、厕所水箱的控制系统所控制的只是单一的被控量。复杂控制系统可以看作是单一被控量控制系统的组合。

（2）典型的控制系统有开环控制系统、闭环控制系统。控制系统的组成是指构成控制系统的功能模块和控制对象。最基本的控制系统有三个基本组成：控制对象、控制装置和执行机构，如果是闭环控制则还有检测装置。

（3）用框图法表达控制系统的组成、连接关系、控制流程。控制系统方框图就是用带有文字的图框代表控制系统中的控制装置、检测装置、执行装置、被控对象，按照控制顺序用箭头连接起来，表达控制系统各组成装置之间的控制关系。控制系统方框图把控制系统中的组成部分抽象出来，按照控制顺序排列连接，便于对控制系统进行分析。特别是复杂的控制系统，更需要利用框图进行分析。

（4）常用的控制器件。了解控制器件的作用可以帮助学生理解控制系统的工作原理和控制过程，把抽象的控制概念与实际应用联系起来。也可以为控制系统的设计打下一定的基础。

（二）教学重点与难点

1．教学重点

建立控制系统、控制装置、执行机构、被控对象、被控量、设定量的概念。

2．教学难点

被控量、设定量的判别。

3．学习分析

（1）本节重点是建立控制系统、控制装置、执行机构、被控对象、被控量、设定量的概念。熟悉控制系统的组成和各个组成部分的作用；掌握控制系统框图绘制方法，会借助控制系统框图分析控制系统的功能；了解常用控制器件的种类和功能。

（2）本节难点是被控量、设定量的判别；如何把控制系统抽象成控制系统框图；借助控制系统框图分析控制系统的功能。

（3）本节的内容比较抽象，不太容易理解。为了能帮助学生理解，可以引用生活中常见的例子介绍控制系统及其组成。

如向水箱里注水，要求达到一定的水位，可以采用什么控制方法？

1）手动控制注水：用手打开水龙头开始向水箱注水，用眼睛观察水位的变化，当水箱水位到达要求的水位时关闭水龙头。

2）开环控制注水：测量计算水箱的容积、测量水龙头的出水量、计算注水所需的时间，用定时控制的水龙头，设定好时间后开始向水箱注水，到达设定时间停止注水。

3）闭环控制注水：用水泵向水箱注水，用浮力开关测量水位，在水位未到达要求的水位时，阀门持续注水；当水位到达要求水位时浮力开关触发继电器，切断水泵电源，停止注水。

手动控制注水时，手是执行器、眼睛是测量装置、大脑是控制器、控制对象是水箱、被控量和设定量是水位。

开环控制注水时，控制对象还是水箱、定时器是控制器，被控量是水位，设定量是时间（原来的设定量是水位，经过测量计算转换成了时间）。

闭环控制注水时，继电器是控制装置、水泵是执行器、浮力开关是测量装置、控制对象是水箱、被控量和设定量是水位。

画出控制框图如图4.9所示：

开环控制时，如果水流量发生变化、定时器产生误差、水流量和水箱测量误差，都会导致水位控制不准确。手动控制和闭环控制是以设定水位为参照量，直接控制水位的（被控量就是水位），因此控制精度高。即使出现了干扰，控制系统也能进行调整，使水箱水位准确达到要求的水位。例如由于水压降低使得水流量减小，手动控制和闭环控制会延长注水时间，直到实际水位到达设定水位才停止注水。

（4）在讲解控制系统组成时，要注意帮助学生按照功能分析控制系统的组成。

分析一下自动门控制系统。如果是人工开门，服务员看到有人过来，把门打开；人走了把门关上。从功能分析看，首先要检测是否有人要经过；然后是开门、关门。这就需要检测装置（眼睛）和执行机构（手），还需要控制装置（大脑）把检测装置检测到的信号转换成控制执行机构的指令，检测装置检测到的信号通常比较微弱，需要控制装置进行放大，然后驱动执行机构实现控制。自动门控制系统采用红外移动传感器代替人的眼睛作为检测装置；用电动机和传动机构代替人手作为执行机构；采用控制电路代替大脑作为控制装置。

a.手动控制    b.开环控制    c.闭环控制

图4.9 水箱注水控制框图

绘制自动门控制框图如图4.10所示。

图4.10 自动门控制框图

这是个开环控制系统。虽然有检测装置，但是检测的信息不是控制对象反馈回来的，没有形成一个闭环控制回路。如果电动机发生故障或者门被卡住了，门没有打开，控制系统也不会采取措施把门打开。这与手动控制的情况有一些差别。与此类似的还有声控灯、自动感应洗手水龙头、公共厕所的烘手器、地铁闸机等。

在分析控制系统的组成时需要注意：有时，一个部件同时具有两种或多种控制功能，这会对学生的分析造成影响。比如双金属温控开关，既是感知温度的传感器，也是开关执行器。

在绘制控制系统框图时，有些学生感到困难。可以让学生记住几种典型控制系统的框图。在分析某个控制系统时，可以像填空一样，把相应的功能模块填入框图中。

我们对于控制器件的内部结构、工作原理不做详细介绍，也不做学习上的要求。但是对于一些机构简单、工作原理清晰的控制器件做一些介绍，可以引起学生的兴趣，帮助学生建立常用控制器件的感性认识，有助于学生更好地理解控制系统的作用，也为以后的控制系统设计课程打下基础。可以作为课后作业布置，让学生结合学过的物理、化学等课程的知识分析控制器件的工作原理、性能特点。

（三）课堂练习

分析表4.3中所列设备的控制方式。

表4.3 所列设备的控制方式