电子控制系统设计及应用(开环)
《开环电子控制系统和闭环电子控制系统》核心素养目标教学设计、教材分析与教学反思-2023-2024学
《开环电子控制系统和闭环电子控制系统》教学分析在电子控制系统领域，开环电子控制系统和闭环电子控制系统是两种常见的控制方式。
本文将对这两种控制系统进行详细的教学分析，帮助读者更好地理解它们的原理和应用。
一、开环电子控制系统开环电子控制系统是一种简单的控制系统，它通过输入指令直接控制执行器的动作，而不思量输出结果对系统的影响。
开环系统中没有反馈回路，无法自动调节输出来纠正误差，因此对系统的稳定性和鲁棒性要求较高。
开环系统通常用于对控制要求不高的场合，如家用电器、玩具等。
开环电子控制系统的特点包括：1. 简单直观：只需输入指令，系统即可执行相应动作，操作简单直观。
2. 精度低：由于没有反馈回路，系统无法自动调节输出，容易受到外部干扰影响，精度较低。
3. 稳定性差：系统稳定性差，容易出现误差累积，影响系统的性能。
二、闭环电子控制系统闭环电子控制系统是一种相对复杂的控制系统，它通过测量输出并与期望输出进行比较，通过反馈回路来调节控制器的输出，以实现系统的稳定性和精度要求。
闭环系统具有自动调节功能，能够根据实际输出情况来调节控制器的输出，使系统更加稳定和精确。
闭环电子控制系统的特点包括：1. 精度高：通过反馈回路调节输出，能够实时纠正误差，提高系统的精度。
2. 稳定性好：系统稳定性高，能够自动调节输出以保持系统稳定。
3. 复杂性高：闭环系统相对开环系统更加复杂，需要精确的传感器和控制器来实现反馈控制。
在实际应用中，开环电子控制系统和闭环电子控制系统各有优缺点，需要根据具体的控制要求来选择合适的控制方式。
开环系统适用于对控制要求不高的场合，闭环系统适用于对精度和稳定性要求较高的场合。
通过本文的教学分析，读者可以更深入地了解开环电子控制系统和闭环电子控制系统的原理和特点，帮助他们在实际工程应用中选择合适的控制方式，提高系统的性能和稳定性。
教学设计方案（第一课时）一、教学目标：1. 了解开环电子控制系统和闭环电子控制系统的基本观点和原理；2. 能够区分开环电子控制系统和闭环电子控制系统的特点和应用途景；3. 能够分析和设计简单的开环电子控制系统和闭环电子控制系统。
1.3开环和闭环电子控制系统-苏教版高中通用技术选修一课件(共33张PPT)
讨论： 请分析音乐喷泉控制系统的工作特点？
有音乐输 入主机
有喷泉输出
无音乐输 入主机
无喷泉输出
喷泉的输出会不会反过来影响到主机？
思考：
音乐喷泉控制系统的工作过程有没有反馈?
答：由于输出的喷泉对系统的控制状态并 不产生影响，所以此系统也不存在反馈。
一、什么是开环电子控制系统
电子门铃的工作过程有没有反馈?
答：输出的音乐声的变化对系统的 控制状态并不产生影响，
即不存在反馈。
分析下列电子控制系统：
电子控制系统 电子音乐门铃 系统 路灯自动控制 系统
电子锁
被控对象 被控量 扬声器 音乐声
控制器
音乐集成电路
路灯
锁舌
光的变化 电子电路 锁舌的运动 集成电路
自动门
门
门的开关 集成电路
开环电子控制系统： 电熨斗、电子门铃、电子调光台灯、电子手表、 程序控制洗衣机
闭环电子控制系统： 电热水器、空调、电冰箱、智能电饭煲、 现代化农业温室
闭环电子控制系统与开环电子控制 系统相比有什么优点？
闭环电子控制系统具有监测和反馈功能， 可以提高控制的精度，而且能实现控制的自 动化。
现在常用的家用电冰箱由压缩机、冷却器、散热器、
闭环电子控制系统的组成方框图如下：
输入
控制 （处理）
输出
被控对象
反馈
检测
思考：
生活中那种产品的工作过程有反馈环节?
电冰箱就是一个实例。
家用电冰箱的恒温控制：
家用电冰箱的工作原理:
现在常见的家用电冰箱由电动机、压缩机、 冷却器和散热器组成。它们之间用一根管道相连 接，管道里装着一种沸点很低的制冷剂。管道的 底部安装着压缩机，使制冷剂不断地在管道里循 环。由于管道中有一小段十分铗窄的毛细管，从 而限制了管道内制冷剂的流动速度，并使气态的 制冷剂受到强大的压力，使之由气态变成液态， 对外释放热量。当液态制冷剂通过毛细管进入电 冰箱的内部由较粗管组成的冷却器时，由于压力 突然降低，达到制冷的效果。
开环电子控制系统的结构方框图
04
开环电子控制系统的性能指标
稳定性
稳定系统
开环电子控制系统在受到外部干扰或 内部参数变化时，能够保持稳定运行 ，不出现振荡、失控等现象。
稳定性分析
通过系统稳定性分析，确定系统是否 稳定，并采取相应措施提高系统的稳 定性。
快速性
响应速度
开环电子控制系统在接收到输入信号后，能够快速响应并输出相应的控制信号， 以满足控制要求。
可靠性设计
通过可靠性设计，提高系统的抗干扰能力和故障恢复 能力，确保系统可靠运行。
05
开环电子控制系统的应用领域
工业自动化
自动化生产线控制
开环电子控制系统广泛应用于自动化生产线控制，如 机械臂、传送带、包装机等设备的协同工作，提高生 产效率。
工业机器人
开环电子控制系统为工业机器人提供精确的运动控制， 实现复杂动作的快速、准确执行。
简化控制系统设计
开环电子控制系统结构简单，设计相对容易。通过合理选择控制算法和 参数，可以快速构建出满足特定需求的控制系统。
03
降低能耗和资源消耗
开环电子控制系统能够实现精确控制，有效降低能耗和资源消耗。在能
源、环保等领域，开环控制系统的应用有助于实现节能减排和可持续发
展。
开环电子控制系统的历史与发展
执行机构的动作与控制
总结词
执行机构的动作是开环电子控制系统的关键 环节，主要任务是根据控制信号调节被控对 象的参数。
详细描述
执行机构通常由电动机、电磁阀、调节阀等 组成，根据接收到的控制信号调节被控对象 的参数，如温度、压力、流量等。执行机构 的动作直接影响被控对象的性能，因此需要
保证其稳定性和可靠性。
执行部分
总结词
驱动与调节
2020高考通用技术攻略浙江专用大二轮 讲义：专题十 电子控制系统的概述、设计及其应用
【考纲标准】1.(2017·11月浙江省选考)如图所示的光控电路，当光线暗到一定程度时，继电器J吸合，V1亮。
555集成电路6脚电位升至电源电压的三分之二时，3脚输出低电平；2脚电位降至电源电压的三分之一时，3脚输出高电平。
调试中发出V1始终不亮，下列故障原因分析中合理的是()A.R p虚焊B.R g与R p位置接反了C.R1阻值偏小D.继电器J额定电压偏大解析R p虚焊，2、6脚为高电平，3脚为低电平，V1不亮。
答案 A2.(2018·4月浙江省选考)如图所示是小明设计的泥土湿度检测电路。
把两探头插入花盆的泥土中，当泥土潮湿时，两探头间的电阻值较小；泥土干燥时，两探头间的电阻值较大。
泥土非常潮湿和非常干燥时，V4和V5中只有一个发光。
下列分析中不恰当的是()A.泥土非常潮湿时，V4发光、V5不发光B.调节R p1，可以改变V4、V5发光状态变化时的湿度设定值C.泥土非常干燥时，V1、V2的Uce都约为3 VD.当V4、V5都发光时，V1工作在放大状态解析泥土非常干燥时，V1的Uce都约为0.7 V。
答案 C3.(2019·4月浙江省选考)【加试题】如图所示的温控电路，用Rp设定555芯片5脚的电位Vct。
当温度超过60 ℃时散热风扇电机启动。
下列分析中不正确．．．的是()A.Rt应采用负温度系数的热敏电阻B.调大R h的阻值，电机启动时的温度低于60 ℃C.Rp的滑动触点向下移，电机启动时的温度高于60 ℃D.温度从60 ℃以上降低到60 ℃以下，电机就立即断电答案 D4.(2018·4月浙江省选考)如图所示是小明设计的暗室报警电路。
当暗室门被打开，光线强度达到一定时，蜂鸣器发出报警声。
请根据描述和电路图完成下列任务：(1)当光线由弱变强时，光敏电阻R g的阻值(在A.增大；B.减小；C.不变中选择合适的选项，将序号填入“”处)；(2)继电器J-2触点闭合时的作用是(在A.使二极管V1反向截止；B.使555集成电路3脚保持高电平输出；C.使蜂鸣器在暗室门关闭后继续报警中选择合适的选项，将序号填入“”处)；(3)小明搭建了测试电路，发现蜂鸣器始终不响。
开环、闭环、磁通门电流具体的应用
开环、闭环、磁通门电流具体的应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于MATLAB的开环与闭环控制系统实验设计
110自动化控制Automatic Control电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering1 引言《自动控制原理》是自动控制学科的基础理论，是讨论和研究控制系统一般规律的课程。
大多数高校理工科专业都开设了该课程，其内容主要涉及经典控制理论，用到的数学工具主要是微分方程和传递函数，内容抽象乏味，学生学习积极性一直不是很高。
在第一章绪论部分，很多任课教师都会介绍自动控制系统的概念和分类；自动控制系统的分类方式有很多，最常见的是将其分为开环控制系统与闭环控制系统。
在课堂教学中，任课教师大多只是简单介绍一下开环与闭环控制的概念以及优缺点，而大多数学生对该知识点的理解也仅仅停留在概念上，死记硬背其特点及优缺点，并没有很好地理解清楚开环控制与闭环控制的作用，甚至有些学生到最后期末考试了，还分不清楚什么是开环控制，什么是闭环控制。
为了解决这个问题，本文设计了基于MATLAB 的电阻炉温度控制系统实验。
设计采用阶跃信号作为开环和闭环控制系统的输入，通过其过渡过程来分析系统的暂态与稳态性能指标；系统达到稳态时，给系统一个干扰信号来研究系统的抗干扰能力。
学生做实验时可以把这两种情况分别进行仿真和比较，学生可以直观地看到两种控制方式的不同效果，使学生可以更好地理解与掌握自动控制系统开环与闭环控制的特点及优缺点。
通过做实验可以提高学生的学习效率，增加学习兴趣。
2 被控对象的数学模型很多学生对自动控制原理课程的印象是抽象的公式和复杂的数学模型，以至于有些学生快结课了，也还没有弄明白自己学了什么，有什么用，他们不知道如何将自己学到的理论知识和工程实践相结合。
因此本实验设计以某工厂实际使用的电阻炉为被控对象，其示意图如图1所示，被控对象是由电炉容器、电阻丝和热电偶组成。
热电偶是传感器，电阻丝是执行器，做实验时学生只需要设计控制方式和控制器即可。
方便让学生理解，提高学习效率，可以把被控对象的数学模型抽象为，其传递函数由惯性环节和纯迟延环节组成。
开环控制和闭环控制的概念
开环控制和闭环控制的概念一、引言控制系统是指通过对被控对象施加某种干扰，使其在规定的时间内达到预定要求的系统。
控制系统主要分为开环控制和闭环控制两种。
二、开环控制1. 定义开环控制是指在不考虑被控对象反馈信号的情况下，根据输入信号直接输出干扰信号，从而使被控对象达到预期状态的一种控制方式。
2. 特点（1）简单易行：开环控制器结构简单，易于设计和实现。
（2）适用范围窄：由于不考虑被控对象反馈信号，因此只适用于对被控对象有足够了解且稳定性较高的场合。
（3）误差大：由于不考虑被控对象反馈信号，因此无法及时调整干扰信号，容易产生误差。
三、闭环控制1. 定义闭环控制是指通过对被控对象反馈信号进行测量和分析，并根据分析结果调整输出干扰信号，使其达到预期状态的一种控制方式。
2. 特点（1）精度高：由于能够及时调整干扰信号，因此能够减小误差，提高控制精度。
（2）适用范围广：由于能够根据被控对象反馈信号进行调整，因此适用范围较广。
（3）结构复杂：闭环控制器结构复杂，设计和实现难度较大。
四、开环控制与闭环控制的比较1. 总体比较开环控制器和闭环控制器都是常见的控制方式。
相对而言，开环控制器结构简单，易于设计和实现；而闭环控制器精度高、适用范围广，但结构复杂。
2. 误差比较由于开环控制器不考虑被控对象反馈信号，容易产生误差；而闭环控制器能够及时调整干扰信号，减小误差。
3. 适用范围比较由于开环控制器不考虑被控对象反馈信号，只适用于对被控对象有足够了解且稳定性较高的场合；而闭环控制器能够根据被控对象反馈信号进行调整，适用范围更广。
五、结论开环控制器和闭环控制器都有各自的优点和缺点，应根据具体情况选择合适的控制方式。
在实际应用中，一般采用闭环控制器，以提高控制精度和适用范围。
《开环电子控制系统和闭环电子控制系统核心素养目标教学设计、教材分析与教学反思-2023-2024学年
《开环电子控制系统和闭环电子控制系统》导学案一、导入电子控制系统是摩登工业中常见的控制系统，它通过电子设备和计算机技术实现对设备、机器或系统的控制和监测。
在电子控制系统中，开环控制和闭环控制是两种常见的控制方式。
本次导学案将重点介绍开环电子控制系统和闭环电子控制系统的观点、原理和应用。
二、观点诠释1. 开环电子控制系统：开环电子控制系统是指在控制过程中，控制器输出的控制信号不受被控对象状态的影响，即控制器输出的信号直接作用于被控对象，而不思量被控对象的实际状态反馈信息。
2. 闭环电子控制系统：闭环电子控制系统是指在控制过程中，控制器输出的控制信号受到被控对象状态的反馈影响，通过传感器获取被控对象的实际状态信息，再经过比较和调节后输出控制信号，实现对被控对象状态的准确控制。
三、原理分析1. 开环电子控制系统的原理：在开环控制系统中，控制器输出的信号直接作用于被控对象，不思量被控对象的实际状态反馈信息。
这种控制方式简单直接，但缺乏对被控对象状态的准确监测和调节，容易受到外部环境和干扰的影响。
2. 闭环电子控制系统的原理：在闭环控制系统中，通过传感器获取被控对象的实际状态信息，并与期望状态进行比较，再经过控制器调节输出控制信号，实现对被控对象状态的准确控制。
闭环控制系统具有较高的控制精度和稳定性，能够有效抑止外部干扰和变化。
四、应用实例1. 开环电子控制系统应用：开环控制系统适用于一些简单的控制场景，如家用电器、照明系统等，因为这些系统对控制精度要求不高，且受到外部干扰较小。
2. 闭环电子控制系统应用：闭环控制系统广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域，因为这些系统对控制精度和稳定性要求较高，需要实时监测和调节被控对象的状态。
五、知识拓展1. 开环与闭环控制系统的比较：开环控制系统简单直接，但稳定性和控制精度较差；闭环控制系统精度高、稳定性好，但设计和调试难度较大。
2. 控制系统的发展趋势：随着科技的发展，控制系统将向着智能化、自适应化方向发展，结合人工智能、大数据等技术，实现更高效、智能的控制和监测。
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加试
开环电子控制系统的设计和应用
1.简单实用电路的安装与调试 简单的开环电子控制系统
2.开环电子控制系统的设计与安装
倘若电子控制系统的输出结果对系统的控制没有影 响，也就是被控量的变化不会引起控制量的改变，即没 有反馈，这种电子控制系统叫做开环电子控制系统。
开环电子控制系统的基本方框图
信息
输入
控制（处理）
小试验
试验目的： 调试JN6201集成音乐电路。 试验准备： JN6201音乐集成电路板1块，晶体三极管3DG130A 1只， 240kΩ电阻1只，电池2节，按钮开关4只。 试验过程： （1）对元器件逐一进行质量检测。 （2）按左图中电路原理图和印制电路板正确插装元件 进行焊接。 （3）检查无虚焊和搭焊后，装入电池。 （4）接通电源，分别按动SW1、SW2、SW3、SW4， 分辨扬声器中播放的乐曲及其播放的程序。 （5）分别按动SW1、SW2、SW3、SW4，分辨扬声器 中播放的乐曲及其播放的程序。 （6）自己设计一个按动按钮的程序，验证乐曲播放的 规律。
+ -
+
K2 IC 9300 -
IC 9300
+
-
设计方案B
（1）根据前面小试验中的“安装和调试一个多谐振荡器”，在输出端接上无源 蜂鸣器，即可成为门铃电路。
（2）选择两组不同的R和C的值，制作能发出不同声音的门铃。 （3）同方案A（3）
设计方案C
使用本节中JN6201音乐集成电路，在输入端I1和输入端I2接两只按钮开关，输出 端O1接一个晶体三极管后再接一个扬声器，如下图所示:
简易电子闹钟的电路
二、开环电子控制系统的设计与安装
开环电子控制系统的基本方框图
信息
输入
控制（处理）
输出
被控对象
光信号 控制电路 继电器 电机 转动
JN6201集成电路调试
• JN6201音乐集成电路内部有微处理器和多个多谐振 荡器，这些多谐 振荡器有不同的频率，通过程序控 制，JN6201音乐集成电路可以产生四首不同的乐曲。
设计方案
设计方案A
（1）挑选两个发出不同声音的音乐集成电路作为控制（处理）部分 （2）根据本书第一章第一节练习中“电子控制报警器模型”，将干簧管改为按钮开 关，即可成为门铃电路 （3）安装两组电子门铃控制系统，并根据大小和小孩不同的身高和手的长度，在门 框的适当位置安装两只按钮开关
K1
IC 9300
张大伯的邻居李斌同学得知这一情况后，根据所学的电子控 制的相关知识，围绕帮助解决大人和小孩都能使用方便的电子门 铃这一问题展开了设计及应用活动
【设计要求】 (1)一个电子门铃控制系统。 (2)人和小孩都能方便地使用， (3)能辨別是大人还记小孩在按动门铃。 【设计分析】 （1）可选开环电子控制系统,它的被控量是“声音”,被控对象 是扬声器。 （2）设置两个输人端.安装两个按钮开关，这样可以分别供身 高不同的大人和小孩方便使用。 （3）控制(处理〉部分可以使用电子电路作为控制核心。
多谐振荡器：能自动产生周期性脉冲的自激振荡器，常用 来作为脉冲信号源。脉冲的周期由电路中的电容C和电阻R 确定。
存储器：由触发器或其他存储元件构成 的存储阵列，用 来存放数据和指令。
计数器：能统计时间脉冲数的组件，在电子控制系统中 可用来实现顺序控制、定时或延时等。
小试验
试验目的： 安装和调试一个多谐振荡器 试验准备： 5V电源，电阻4只（共2种电阻值，大小在300~800 Ω之间）， 电容4只（2种电容量，大小在0.1~10 μ F之间），开关，示波 器，无源蜂鸣器，电路试验板，CT74LS00 1只。 试验过程： （1）安装电路 ①R1=R2,C1=C2. CT74LS00的引脚图参照第三章第三节小资 料。 ②检测各个元器件的质量 ③按照左图所示在电路试验板上搭接电路 （2）调试电路 ①在输出端A接示波器，观察并记录波形和周期。 ②在输出端A接无源蜂鸣器，听声音。 ③更换两只电阻，重复前两个步骤① ②。 ④更换两只电容，重复前两个步骤① ②。 试验记录： 记录1____________________ 记录2____________________ 试验总结： 试验过程中你所听到的声音有无变化？为什么？
注意：不可同时按两个或两个以上的开关，输入的触发 电压不能低于1.2V。 试验记录： （1）JN6201集成电路内存放了__首不同的乐曲。 （2）先后按动不同的按钮，从__输出口输出__乐曲。 试验总结
案例分析：电子门铃的设计及其应用
张大伯有一个刚上小学一年级的小孙子明明,每次回家时总要 敲门，有时大伯大妈在屋里面没听见，常常急得他在门外啼哭。
具有不同频率的多谐振荡器的组合可发出音乐声，如由555集成定时器组成 的简易电子琴。
555集成定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,555定 时器含有两个电压比较器C1和C2,一个由"与非"门组成的基本R-S触发器,一个放 电晶体管T以及由三个5KΩ电阻组成的分压器.
555除了可以用于组成多谐振荡器外,还可以组成单稳态触发器和定时器等,用 途比较广泛.
课标要求：
1.能用数字集成电路等安装简单的实用电路，并 进行调试 2.能应用实用电路设计和安装开环电子控制系统
教学要求：
1.理解简单开环电子控制系统的工作原理 2.能设计、安装简单的开环电子控制系统，并进行调试 3.会分析和解决安装过程中出现的常见问题
考试要求：
考试内容
考核要求 考试属性
开环电子控制系统的设计和应用 （1）简单开环电子控制系统的工作原 b 理 （2）简单的开环电子控制系统设计、 c 安装与调试 （3）安装过程中常见问题的分析和解 c 决
安装调试 对三个方案进行比较，由于方案C电路简单， 只要一个控制（处理）部分和一个扬声器， 所以选用方案C。 （1）按照电路图准备元器件，并检测各个 元器件的质量。 （2）根据电路图安装电路。 （3）检查焊接中是否有虚假焊点。 （4）接通电路，检查电子门铃控制系统是 否正常工作。 （5）根据设计要求，在门框的不同高度处 安装控对象
输入量
控制器
执行器
被控对象 输出量
开、闭环控制系统
VCC 5.0V
R3 2.2kΩ R1 5kΩ
R4 10kΩ
R2 5kΩ 0 % Key=A
Q1 2N2222A
K1 EDR201A05
R5 510Ω
LED1
+ V1 5V
-
一、简单实用电路的安装与调试
常见的实用电路有： 多谐振荡电路、触发电路、存储器和计数器等。