高中通用技术地质版（2019）必修《技术与设计2》一 控制系统框图的绘制方法优质ppt课件

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系统框图是系统设计方案的图形描述，它能清楚地表述控制系统的设计方案。如果想准确实施声控灯的设计方案，需画出声控灯控制系统框图。一、控制系统框图的绘制方法控制系统框图是一种常用的技术语言，是描述控制系统的重要方法之一，也是学习控制及其设计要掌握的一个重要内容。前面已经出现了两个控制系统的框图。怎样才能读好和画好框图呢?现在来研究绘制框图的方法和技巧。
(一）绘制框图的方法(1)按下面的顺序确定系统的各个环节。a为被控对象;b为执行器;c为控制器;d为反馈环节(对闭环控制系统而言,以下同)。用方框和文字标识表示各环节。确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反馈量和偏差量。
(2）用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向,并将各环节顺序连接起来。(3)加上比较环节，用圆圈傲特别表示，构成闭环。一般闭环控制系统的框图如图4-18所示。
图中标注的“输人”“输出”是专指系统的输人、输出。实际上,框图中的每个框(包括)也都有各自的输入与输出。如控制对象的输出，即系统的输出，也称系统被控量。控制对象的输入是什么?怎样产生的?从该框图可知，偏差信息传输给控制器后即产生控制信息，并传输给执行器，经过执行器的放大、变换后即产生控制执行（也称驱动)信息，称为系统控制量，作用于被控对象上。实际上，可将控制器与执行器合在一起，视为广义控制器。广义控制器的输出，即控制量，就是被控对象的输入。由此表明,闭环控制的实质就是偏差控制。图中由两条虚线表示前向通道和反馈通道。闭环控制系统中的信息流分别沿着两个箭头方向流动着、传递着，构成闭环控制回路。闭环控制回路的存在，成为闭环控制与开环控制的本质区别。图中系统的各组成环节、各信息量对于确定的控制系统来说，均可建立数学模型并进行定量计算、特性分析、控制优化设计。关于建模、计算、分析、控制设计等内容，待以后再进行专业学习，步入控制科学技术之殿堂。
图4-18是闭环控制系统的一般性描述，而图4-16是一个具体闭环控制系统(水箱水位自动控制系统）的特定性描述。这两幅图都是对闭环控制系统的描述。试将图4-18与图4-16仔细对照,并讨论交流以下问题:(1)对比两图中各方框，说明图4-16中的连杆机构、阀门、水箱及浮子都分别对应图4-18中的哪个方框,并阐述它们在系统中的作用。(2）对比两图中的信息流传输，试说明信息流上的一些重要参量在两图中的对应名称，如图4-16中的水位差对应图4-18中的偏差(量）……并将被控量、控制量填写到图4-18中。(3）进一步将图4-15、图4-16与图4-18进行对照、研读，试体验浮子在系统中所起的反馈环节的作用,试理解偏差(案例2中的水位差)控制是闭环控制(案例2中的水位自动控制)的实质。建议:有条件的学校，要让学生亲手去移动(上下动）自动抽(进)水水箱里的浮子，以感受浮子所起到的水位反馈作用;不具备条件的学校可组织学生出去参观，或者创造条件购置自动抽水水箱作为教学设备。
(二）绘制框图的技巧人们看框图时，一般习惯于自左往右看。但是，绘制框图时，不一定要采取自左往右画的方法，而采用“绘制框图的方法”(前述3个步骤)，即自右往左画;先画被控对象,再画执行器,接着画控制器、反馈环节，最后画“”，连线闭环，并标注各量。这样做的好处在于:绘制的过程与系统组成的思路相吻合，便于理解，概念清晰。特别是对于初学者，通过这样绘制框图，有利于加深对控制系统的理解和把握。
(1）如果你来绘制控制系统的框图,你也这样做吗?(2)根据第二节的案例分析,理解图4-14水箱水位人工控制系统的工作原理，在图4-19未完成的框图中，做好所有该做的工作。(3）请画出声控灯的控制系统框图。
控制系统的框图绘制练习(分小组选做)图4-20表示的是一个角位置随动控制系统,即0,自动跟随0,的改变而变化。图中，虚线框1为被控对象;2为执行器;3为控制器;4为反馈环节;5为比较环节;6为输入设置。
二、控制系统框图中的通道与环节(一）通道框图中，信息流经的路径叫作通道。对于闭环控制系统来说，有两类基本通道，那就是前向通道和反馈通道(如图4-18中两条虚线所示)。前向通道中,信息流自系统输入(也称输入量)，经比较环节、控制器、执行器，直至被控对象。反馈通道中，信息流采自被控环节的输出（也称输出量)，流经反馈环节，再反馈到系统的输入端(比较环节)。两条通道构成闭合回路，即闭环,也称回路。
(二）环节控制系统是由多种环节有序构成的,它们各具不同功能,各负其责。传感器也称敏感器。在案例1中，传感器的输入（即系统的输人)是“有人到门口”的非电信号。传感器将此信号转换为“有人”的电信号,并传送给下一个环节——控制器。因此，传感器实质上是一个监测元件。在案例2中，浮子起着传感器的作用，它作为一个环节，时刻监测着“实际水位”(对系统来说，是输出量或被控量﹔而对浮子环节来说，是它的输入量)，形成反馈信号，传送给系统输入端。控制器在开环系统中根据传感器直接传送过来的信号，而在闭环系统中根据比较环节传送过来的信号，产生控制器输出信号并传送给下一个环节。在案例1中，传感器传送出来的电压信号很弱，而执行器(即电动机）需要的激励输入却是较大的电流信号。因此，这里的控制器，不仅要产生控制作用(如开门与否)信号，而且还要起到信号的变换与放大作用。
执行器是控制器输出信号的执行机构，也称执行元件。电动机就是常用的电类执行器之一。它根据控制器的输出信号产生旋转运动，从而驱动控制对象（如案例1中的门)做相应运动。从这个意义上说，执行器还称为驱动器。需要特别注意的是比较环节，它根据输入量与反馈量的大小与极性，产生偏差，再传给控制器。反馈是控制技术领域中极重要而特殊的概念与术语。闭环控制系统,为实现闭环(闭环控制可为系统带来诸多优越性能)，反馈环节是不可或缺的组成部分。在案例2中，浮子以一种感知水面高度的器件构成该闭环控制系统的反馈环节。
不同类型的闭环控制系统，将使用不同的手段，如敏感元件（或称测量元件、传感器)提取出被控量信息，用于构成反馈。特别说明:反馈有负反馈（系统框图中“区”下方的反馈标注“一”)和正反馈（系统框圈中“”下方的反馈标注“+”)之分。正反馈的作用是加剧原来的行为,起到加剧作用，如振荡电路、爆炸等。在本课中，我们学习、关注的是负反馈与负反馈控制系统。至于正反馈与正反馈控制系统，将在后续专业学习中学到。
技术实践根据案例1与案例2填写表4-2。