5.2 闭环电子控制系统的设计与应用(1)
粤科版高中通用技术选修1：电子控制技术闭环电子控制系统
电饭锅温度控制器电路图
谢谢！
新课讲授：
闭环电子控制系统
在一个电子控制系统中，当被控量与给定量 存在的误差大于规定值时，控制系统能自动调整 控制状态，使被控量逼近或等于给定量，我们称 这个系统为闭环电子控制系统。
一、闭环控制系统的实例：电子控制的恒温箱
恒温箱工作的原理
应用范围
婴儿保温箱 大规模集成电路的生产车间 农村中的蔬菜大棚 现代化的孵化间等
二、闭环控制系统原理及结构图
闭环电子控制系统与开环电子控制系统不同， 它能对输出结果进行检测，并将检测信号反馈到控 制处理部分，从而对系统的控制产控制 输出 （处理）
反馈
被控对象 检测
闭环电子控制系统的组成方框图
常见的闭环电子控制系统有家用电冰箱、空调、 电热水器、智能电饭锅、现代化农业温室等等。
闭环电子控制系统
课堂导入：
请同学们分享上网查找对温度的稳定度 有较高要求的应用例子，并回答下面问题： （1）家用电冰箱的恒温控制系统 （2）家用空调的温度控制系统 （3）蔬菜大棚的恒温、恒湿控制系统 （4）孵化箱的恒温控制系统
问题：
1.上面的控制系统是否属于电子控制系统？ 2.当设定的温度（给定量）与实际（被控量） 存在误差时，上面的控制系统能否进行自动调整？ 3.以电冰箱为例，描述它的温度调整过程。
闭环电子控制系统（特点）
系统输出信号与测量元件之间存在反馈回 路。“闭环”这个术语的含义，就是将输出信 号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比 较、控制来减小系统误差。
温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、 气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在 许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重 要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着 数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历 史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
(完整版各学科)浙江省高中各学科目录全
必修一（江苏教育出版社）必修二第一章 走进技术世界第一单元 结构与设计一 技术的价值一 常见结构的认识二 技术的性质二 稳固结构的探析三 技术的未来三 简单结构的设计第二章 技术世界中的设计四 经典结构的欣赏一 技术与设计的关系第二单元 流程与设计二 设计中的人机关系一 生活和生产中的流程三 技术试验及其方法二 流程的设计第三章 设计过程 原则及评价三 流程的优化一 设计的一般过程第三单元 系统与设计二 设计的一般原则一 系统及其特性三 设计的评价二 系统的分析第四章 发现与明确问题三 系统的设计一 发现问题第四单元 控制与设计二 明确问题一 控制的手段与应用第五章 方案的构思及其方法二 控制系统的工作过程与方式一 方案的构思方法三 闭环控制系统的干扰与反馈二 常用的创造技发（选学)四 控制系统的设计与实施第六章 设计图像的绘制一 设计表现图二 常见的技术图样三 计算机辅助制图（选学）第七章 模型与原型制作一 模型二 工艺三 制作模型第八章 技术产品的使用和保养产品说明及其编写技术产品的应用 维护和保养选修一第一章 电子控制系统概述一 电子控制技术与电子控制系统二 电子控制系统的组成与闭环电子控制系统三 开环电子控制系统和闭环电子控制系统第二章 电子控制系统信息的获取与转换一 认识常见的传感器二 传感器的应用第三章 电子控制系统的信号处理一 数字信号二 逻辑门三 数字集成电路四 数字电路的应用第四章 电子控制系统的执行部件一 继电器的作用和类型二 直流电器继电器的构造 规格和工作原理三 晶闸管的构造和工作原理第五章 电子控制系统的设计及其应用一 开环电子控制系统的设计和应用二 闭环电子控制系统的设计和应用三 遥控电子控制系统的设计和应用。
《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。
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。
2023年高二通用技术教学计划_1
2023年高二通用技术教学计划2023年高二通用技术教学计划1一、教材分析本学期开设的课程是通用技术课程的必修模块“技术与设计2”，使用的是江苏教育出版社的教材。
“技术与设计2”模块是在“技术与设计1”的基础上设置的具有典型意义的专题性技术与设计的教学内容，是“技术与设计1”所学知识的应用和深化。
本模块由结构与设计、流程与设计、系统与设计、控制与设计四个主题组成，侧重于技术设计的思想和方法的领悟以及生活中具体技术问题的解决。
这些对于高中生的生活、学习具有重要意义。
二、教学目标通过本模块的学习，学生应该：1、理解结构、流程、系统和控制的基本概念，掌握结构设计、流程设计和系统设计的基本思想和方法，初步掌握简单控制设计的基本思想和方法；2、能使用常用的规范的技术语言表达设计方案；3、能结合生产和生活的实际形成设计方案并初步实施；4、学会从技术、环境、经济、文化等角度综合评价技术设计方案和实施的结果，增强革新意识。
三、实施措施1、在开学初将各班学生分为2-4人的技术小组，便于开展技术活动，每个小组的组长每周填写《技术课过程考核小组量化表》，便于更好地完成学分认定过程中的过程性评价和形成性评价。
2、紧扣通用技术课程的基本目标“提高学生的技术素养，促进学生全面而富有个性的发展”设计、组织和实施教学活动，避免教学过于专业化，防止陷入某项技能、技艺的教学。
3、教学中要体现新理念，不仅要注重学生对基础知识与基本技能的学习，还要注重学生对技术思想和方法的领悟与应用，注重学生对技术的人文因素的感悟与理解，注重学生在技术学习中的探究、试验和创造，注重学生情感态度价值观以及共通能力的发展。
4、教学中要紧密结合学生的生活实际，使学生通过技术试验，领悟技术设计的思想和方法，并能将它们迁移到日常生活中进行灵活运用，发展解决问题的能力。
5、教学中应选择与学生生活实际联系紧密的、能否反映时代的发展的教学案例，以激发学生兴趣，增强对技术及其文化的理解。
实验36-电力电子电路闭环控制(稳态分析)
C (s) G ( s) 1 G ( s) H ( s) = = R( s) 1 + G ( s) H ( s) H ( s) 1 + G ( s) H (s)
(36-3)
集学科优势
- 30-
求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心
信号与控制综合实验指导书
其等效变换前后的闭环系统方框图如图 36-2 和图 36-3 所示。从图中可以看出，等 效变换是将一个实际系统的控制电路给定值 R(s)变成了等效单位反馈系统中的等效给定 值 R(s)/H(s)，实际系统中的给定 R(s)是低压信号，而等效变换后的给定 R(s)/H(s)由于反 馈系数 H 很小（降压比大） ，而成为高压信号，与系统的实际输出幅度相对应。我们知 道，改变给定是可以控制输出的幅值的，在负反馈系统中输出依据反馈的原理要跟踪输 入信号， 因此， 改变反馈系数 H （即反馈传递函数 H(s)的增益） ， 就可以改变等效输入 （给 定） ，相应改变输出。这在设计中也是一种常见的思路，因为通常采用改变给定的方法来 调节输出会影响到控制精度 （尤其在输出值调节到比较低的时候） ， 而改变反馈增益却不 会影响控制精度。设计反馈回路时考虑设置一个可调电阻，在需要时调节输出幅值，是 很有必要的。
三、实验内容
1. 设计一个电力电子变换电路及控制系统，内容根据实验装置条件自选。 （注：本实 验装置上可以完成实验的变换器电路模块有：DC/DC-Buck，Boost，Cuk 电路；DC/DC 单端正激变换电路；DC/DC 软开关电路；三相桥电路模块） 2. 采用实验装置各种模块（电力电子变换模块、滤波模块、传感器模块、各种检测仪 器和负载）和面包板（或控制电路板） ，构建所设计的电力电子控制系统，针对被控对象 （电力电子变换电路）进行闭环控制，控制器设计方案自选。系统构建方案尽可能简单、 可靠。要求稳态误差小、系统稳定。 3. 实现以上设计方案：用 PWM 控制芯片及外围电路实现；或采用数字控制器，应用 单片机或 DSP 实现。 - 32-
5.2 开环电子控制系统的设计和应用 教学设计
教学设计
设计目的：利用学生绘制的电路图，在仿真工具上进行仿真，检测电路中的问题，为在面包板上搭接电路提供保障。
【学习任务三】路灯模型搭接与展示：在面包板上利用选好的元器件搭接光控灯电路。
设计目的：通过前面的分析与仿真，学生实际体验搭接并演示电路的基本功能，锻炼动手能力的同时提升技术学习兴趣。
三、项目优化
【教师活动】提出问题：夜晚车灯照到路灯，路灯熄灭了。
请利用电容为路灯增加延时功能。
设计目的：通过分析生活实际，提出问题，并提示学生利用已经学习过的知识解决问题。
【学习任务四】路灯模型优化：在原来的电路图上增加延时电路。
设计目的：增加延时电路，在解决问题的同时体会电容的作用，为解决共性问题打下基础。
【教师活动】虚拟电路仿真
设计目的：利用学生修改的电路图，在仿真工具上进行仿真，检测电路中是否存在问题。
【学习任务四】路灯模型优化搭接与展示：在原来的面包板光控电路上增加延时电路，演示延时电路的功能。
设计目的：将生活中的实际现象通过层层递进的方式展现，提升技术学习的实践性与目的性。
四、总结
五、课后习题
1、将555芯片作为光控路灯的控制核心，在作业练习中进行连线。
2、试分析电路的工作过程。
3、利用面包板搭接该电路。
备注：教学设计应至少含教学目标、教学内容、教学过程等三个部分，如有其它内容，可自行补充增加。
《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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如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。
1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。
2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。
3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ）
A.二极管V6内部断路
B.三极管V3内部击穿（短路）
C.电阻R4与三极管V3基极虚焊
D.继电器线圈内部短路
如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。
4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。
上限
V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V
5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。
6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ）
A.集成运放2脚与3脚接反
B.二极管V4接反
C.电阻R2断路
D.三极管V3损坏
如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。
7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。
8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。
9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。
出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏
C.二极管V3接反
D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图，
(第4~6题)
(第7~9题)
R4 10k
ΩR5 4.7k R3 4.7k
根据该原理图完成10~11题。
10.该电路作为控制系统检测装置的是水位探头A 、B 、C 。
当水箱水位处于图中所示的水位时，集成CB7555的输入端2脚是高电平，6脚是高电平；如果这时电动机转动带动水泵运作，水位处于上升过程中，集成CB7555的输出端3脚是高电平；如果这时电动机关闭，水泵停止运作，水位处于下降过程中，集成CB7555的输出端3脚是低电平。
11.调试时发现，该控制系统能将水位控制在a 点与c 点之间，说明水位探头C 在水箱中放置的高度高于水位探头B 的位置。
当水缸内的热敏电阻（负温度系数）检测出水温低于设定水温时，水缸内的加热丝就加热，使水温稳定在一定范围内。
根据该原理图完成12~14题。
12.该电路中作为控制系统控制（处理）部分的是555集成电路，水温低时，集成芯片555输入端2、6脚电位很低，输出端3脚为高电平，继电器J 吸合，电热丝通电加热。
13.如果要调高设定水温，应将电位器Rp1阻值调大或将电位器Rp2阻值调小。
14.将热敏电阻Rt 放入设定水温的水中，不管怎么调电位器Rp1和Rp2，电热丝都不通电加热，不可能的原因是（ C ） A.二极管V 接反了 B.
输出端3脚与继电器线圈虚焊
C.热敏电阻断路
D.继电器J 线圈内部断路
15.现在给该电路设计一格发光二极管指示电路。
当电热丝加热时，红色发光二极管亮；当电热丝停止加热时，绿色二极管亮。
现有1.5V 的发光二极管（红色和绿色各一个），限流电阻2个，请用以上原件，在虚线框中补全电路图。
如图所示是温室大棚湿度电子控制电路，当温室大棚内的湿度低于设定值时，通过该电路电动机转动带动水泵运作，大棚上方的喷头喷出水雾以提高湿度。
根据该原理图完成15~17题。
16.该电路作为控制系统检测装置的是湿度传感器，当温室大棚内湿度高于设定值时，三极管V1处于饱和状态，三极管V3处于截止状态，继电器释放，电动机停转水泵不运作。
17.要降低温室大棚内的湿度设定值，应该要减小R1或调高R2（调节R2
或增大其他电阻）。
18.该电路使用时，发现温室大棚内的湿度已经低于设定值了，水泵还不运作，发生该故障现象可能的原因是（ BD ） A.电阻R1一端虚焊 B.电阻R1短路
C.三极管V1内部断开
D.三极管V2内部断开
19.安装该电路时，发现三极管V1只有PNP型的。
请你用原图中的元件设计控制电路，使其功能与原控制电路相同，并在虚线框中补全电路。
B点时，电动机M转动带动水泵运作，水位上升；当塔顶水位到达A点时，电动机M关闭水泵不运作。
根据该原理图完成20~22题。
20.该电路中作为控制系统控制（处理）部分的是VD1~VD4、三极管V。
当水位上升达到A点时，三极管V处于饱和状态，直流继电器J处于吸合状态，交流接触器KM处于释放状态，电动机M停转。
20.该电路中作为控制系统输入部分的是三个水位探头A、B、C。
当水
位上升达到A 点时，三极管V 处于饱和导通状态，直流继电器J 处于吸合状态，交流接触器KM 处于释放状态，电动机M 停转。
21.该电路在使用时，发现水从水塔上不断溢出，发生该故障现象的原因不可能是（ D ）
A.电阻R2短路 （截止）
B.三极管V 内部断路（一直抽水）
C.继电器J 损坏
D.三极管V 内部短路（继电器吸合，不能抽水）
22.水塔顶部水池的水是从地上水池用水泵抽上来的。
如果蓄水池没水了，电动机还在运作，电动机将会烧坏。
为了保护电动机，在蓄水池中安装了两个如图所示的水位探头D 、E 。
当蓄水池中有足够水时，D 、E 相通，G 点高电平，不影响电路控制过程。
当蓄水池中没有足够的水，D 、E 不通，G 点低电平，不管水塔水位处于任何位置，电动机将停转，水泵不运作，从而保护电动机。
（通过视频连接带有保护功能的水塔水位控制系统）根据以上条件，分析H 、G 、Y 三点的逻辑关系（高电平为1，低电平为0），填写真值表。
~380V VD3~VD6
23.根据真值表，用基本门电路在虚线框内补全电路。
~380V VD3~VD6 蓄水池缺水→不抽；塔顶水池水满→不抽；蓄水池有水且塔顶水池缺水→抽水
J-2常闭开关，J-1常开开关
D1E0G0Y 1 C1A1H1Y 1
D1E1G1；C1A0H0；Y 0 蓄水池缺水→不抽；塔顶水池水满→不抽；蓄水池有水且塔顶水池缺水→抽水
变换：J-2常开开关，J-1常闭开关
D1E1G1；C1A0H0；Y 1
C1A1H1Y 0
D1E0G0Y 0。