闭环电子控制系统的设计与应用
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。
闭环控制系统的稳定性分析
闭环控制系统的稳定性分析随着电子技术和自动化技术的发展，闭环控制系统在各个领域得到了广泛应用。
在设计和实现闭环控制系统时，关注其稳定性是十分重要的。
本文将对闭环控制系统的稳定性进行深入分析，并探讨常用的稳定性分析方法。
1. 闭环控制系统简介闭环控制系统是一种通过反馈机制来调节输出和参考输入之间误差的系统。
它由控制器、被控对象、传感器和执行器组成。
控制器根据传感器的反馈信号，计算出控制量，并通过执行器作用于被控对象，从而使输出与参考输入趋于一致。
2. 稳定性的定义与重要性稳定性是指闭环控制系统在受到扰动或参数变化的情况下，是否能够保持输出在可接受范围内的能力。
稳定的系统能够快速响应参考输入的变化，并且不会产生震荡或不稳定的行为。
保证系统的稳定性对于实现良好的控制性能至关重要。
3. 稳定性分析方法（1）特征方程法特征方程法是一种基于系统特征方程的分析方法。
通过分析特征方程的根的位置，可以确定系统的稳定性。
当特征方程的根都位于单位圆内时，系统是稳定的。
典型的稳定性判定方法包括Hurwitz判据、Routh-Hurwitz判据和Nyquist准则。
（2）频域分析法频域分析法是一种将信号在频域中进行分析的方法。
它利用频率响应函数来判断系统的稳定性。
常见的频域分析工具包括Bode图和Nyquist图。
在Bode图中，通过分析幅度曲线和相位曲线，可以判断系统的稳定性。
（3）根轨迹法根轨迹法是一种基于特征方程根运动轨迹的图形分析法。
通过绘制特征方程根随参数变化的轨迹，可以直观地判断系统的稳定性和响应特性。
根轨迹的形状、位置和数量可以提供有关系统性能和稳定性的重要信息。
4. 稳定性分析案例分析以PID控制器为例，进行稳定性分析。
PID控制器是闭环控制系统中常用的一种控制器类型。
它根据系统的误差、误差的积分和误差的微分来计算控制量。
在稳定性分析中，可以通过特征方程法来判断PID控制器的稳定性。
特征方程根据PID控制器的参数和被控对象的特性来确定。
《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。
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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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-
闭环控制系统的方框图
闭环控制系统
1、定义：能将控制的结果(即比较量)反馈回来与希望值 （即基准量）进行比较，并根据它们的误差及时的调整控制 作用的系统，称为闭环控制系统。
2、特征：与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个 由检测装置组成的环节，构成一条闭合回路。
例：保温电热杯 水位设定供水控制系统等
手摇扇
电风扇
空调器
风扇的风速控制过程中是由人直接参与的，属于手动控制。
控制的分类(2)(3)
按执行部件的不同分类：机械控制 气压控制 液压控制
电子控制……
按控制方式分类：开环控制 闭环控制
保
热 得 快
温 电 热
水
杯
工作过程分析:前者插电后加热,水温升高直至沸腾. 后者插电后加热,水温升高,达到沸腾温度时保险器自 动跳开,停止加热.当温度下降到一定温度时，电热水 杯继续加热，循环往复。
热得快----开环控制 电热水杯----闭环控制 开环控制和闭环控制差别主要看有没有反馈
第二节 控制系统的组成与描述
控制系统:任何一个控制的实现,都要通过若干个环节,
这些环节就构成了一个系统.称为控制系统.
几个概念
期望值（给定量）：是人们在控制过程中希望达到了目的。 控制器：控制命令（信号）的发出装置。 执行器：将控制器发出的信号转换成能影响被控对象的信号的装置。 被控对象：控制系统中所要求控制的装置和生产过程。
执行器：进水阀门
控制量：水流量
游
控制对象：游泳池 输出量：游泳池的水位
泳
给定水位
池
Hale Waihona Puke 水流量水控制器 进水阀门 游泳池 位
比较器
闭环控制系统的描述
闭环控制系统的描述
闭环控制系统是一种通过反馈机制对系统输出进行自动调节的控制系统。
在闭环控制系统中，系统的输出会被传感器或其他监测设备实时测量，并将测量结果反馈给控制器。
控制器根据反馈信息与设定目标进行比较，然后调整控制信号，使系统的输出逐渐接近或达到设定目标。
闭环控制系统的优点在于其具有较高的精度和稳定性，能够自动补偿系统内部和外部的干扰和变化，从而实现对被控对象的精确控制。
常见的闭环控制系统包括温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。
闭环控制系统通常由控制器、执行器、被控对象和传感器等组成。
控制器是闭环控制系统的核心部分，它接收传感器反馈的信息，并根据控制算法计算出控制信号，发送给执行器。
执行器根据控制信号对被控对象进行调节，使其输出达到设定目标。
传感器则用于实时测量被控对象的输出，并将测量结果反馈给控制器。
在实际应用中，闭环控制系统需要根据被控对象的特点和控制要求进行设计和调试，以确保系统的稳定性和可靠性。
同时，还需要考虑系统的安全性和可维护性等因素，以保障系统的正常运行和长期使用。
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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
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。
15.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。
16.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）。
17.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
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18~21题。
18.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。
19.在电路图中用铅笔补画继电器J-2的触头符号。
常开
20.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）
21.水塔顶部水池的水是从地上水池用水泵抽上来的。
如果地上水池没水了，水泵还在运作，会有什么后果？通过视频了解带有保护功能的水池水位控制系。
水泵将烧坏
~380V
R2 20kΩ塔顶水池。