第三节闭环控制系统

闭环控制系统的工作原理随着科技的不断发展，人们对于自动化控制的需求也越来越高。

而闭环控制系统便是其中一种常见的控制方式。

本文将从闭环控制系统的定义、基本组成部分、工作原理等方面进行详细阐述。

一、闭环控制系统的定义闭环控制系统是指通过对被控对象反馈信号的监测和处理，将控制器的输出信号与被控对象的实际输出值进行比较，从而调节控制器的输出信号，使得被控对象的输出值达到预定值的一种控制方式。

简单来说，闭环控制系统就是通过对被控对象的反馈信号进行监测和处理，来达到控制目标的一种控制方式。

与之相对的是开环控制系统，开环控制系统没有反馈信号的监测和处理，只能通过对被控对象的输入信号进行调节来达到控制目标。

二、闭环控制系统的基本组成部分闭环控制系统主要由四个基本组成部分组成，分别是被控对象、传感器、控制器和执行机构。

1.被控对象被控对象是指需要进行控制的物理系统，例如机器人、电机、温度等。

被控对象的输出信号是需要被监测和处理的反馈信号。

2.传感器传感器是用来监测被控对象输出信号的装置，将被控对象的输出信号转换成电信号，并送到控制器进行处理。

3.控制器控制器是对传感器采集到的信号进行处理的装置，将处理后的信号与设定值进行比较，从而调节控制器的输出信号，控制被控对象的输出信号。

4.执行机构执行机构是将控制器输出的信号转换成物理信号的装置，例如电机、气缸等，从而控制被控对象的输出信号。

三、闭环控制系统的工作原理1.控制器的输出信号控制器的输出信号是通过对传感器采集到的信号进行处理得到的，控制器将处理后的信号与设定值进行比较，从而得到控制器的输出信号。

例如，当控制器的设定值为20度，传感器采集到的信号为18度时，控制器会输出一个信号，使得被控对象的输出信号向20度靠近。

2.反馈信号的作用反馈信号是指被控对象的输出信号，通过传感器监测和处理得到的信号。

反馈信号的作用是使得控制器能够实时调节输出信号，使得被控对象的输出信号更加接近设定值。

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。

闭环控制系统工作原理
闭环控制系统是一种自动控制系统，可以通过对系统输出与期望输入之间差距的反馈进行调整，从而使系统的输出更加接近期望输入。

其工作原理可以归纳为以下几个步骤：
1. 设定期望输入：在闭环控制系统中，首先需要设置一个期望输入信号，即所需的系统输出。

2. 对比期望输入与实际输出：系统会将期望输入信号与系统实际输出信号进行对比，并计算其之间的差距。

3. 生成误差信号：根据期望输入与实际输出之间的差距，系统会生成一个误差信号，该信号用于指示系统是否达到期望输出。

4. 反馈控制调整：误差信号会被送回到系统的控制器中，控制器会根据该信号制定相应的控制策略。

控制策略可以是比例控制、积分控制、微分控制或者它们的组合，以调整系统的输出。

5. 输出调整：经过控制器调整后，系统会根据控制策略对输出信号进行调整，使其更接近期望输入。

6. 循环过程：上述步骤会不断循环进行，系统会不断根据反馈信号进行调整，以使系统输出逐渐接近期望输入。

通过以上循环过程，闭环控制系统可以不断地根据实际输出与期望输入之间的差距进行调整，以使系统的输出更加接近期望
输入。

这种反馈机制可以提高系统的可靠性、稳定性和精度，使系统能够更好地适应不确定性和扰动。

闭环控制系统的工作过程教材：普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2）章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的工作过程课时：第1课时一、核心素养目标(1)理解闭环控制系统的含义。

(2)通过实践体验，能分析闭环控制系统的基本组成和工作过程。

(3)通过案例分析简单的闭环控制系统，学会画闭环控制系统的方框图。

(4)能结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈在控制系统中的作用及其基本原理。

(5)能结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素。

二、教学重点学会分析闭环控制系统的基本组成及工作过程，并画出控制系统的方框图.三、教学难点掌握分析闭环控制系统的一般方法。

四、设计思想1. 教材分析本节课教学内容为苏教版《技术与设计2》第四单元“控制与设计”的第三节“闭环控制系统的工作过程”。

在本节的学习中，学生要经历恒温箱控制系统的技术试验和分析过程，要站在工程设计的高度，应用系统分析方法与控制原理，解决生活中的实际问题，促使学生的系统思考和工程思维能力提升。

2. 教学策略设计（1）创设情境：以技术体验“搭建恒温箱控制系统”，引出课题。

（2）引导学生分析案例，概括出闭环控制系统工作过程，学会用方框图描述其控制过程。

（3）通过案例分析，认识反馈和干扰因素，能结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。

（4）通过巩固练习，引导学生总结、梳理重点。

五、教学准备1. 课件2.技术体验装置;恒温箱控制系统序号教学步骤教师活动学生活动1 情景导入走进情境：陈晨家住在北京，阳台上种植了许多植物。

冬天室外寒冷，陈晨想要设计一款恒温箱让阳台上的植物安全过冬。

创设情境，引出课题２任务一：解析闭环控制系统工作过程1. 搭建恒温箱控制系统技术体验：搭建恒温箱控制系统思考：恒温箱控制电路的工作状态取决于来自什么装置的信号？用方框图表示恒温箱控制系统的工作过程：设定→控制电路→制热或制冷模块→恒温器→实际温度温度检测装置在系统的输入量和输出量之间，除了从输入端到输出端之间，除了有从设定温度到实际温度的信息传递，还有一条从输出端返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路。

1、自动化控制按照控制理论可分为两部分：经典控制理论和现代控制理论。

2、反馈定义：将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端并与输入信号共同作用于系统的过程。

3、闭环控制系统的组成：给定元件，反馈元件，比较元件，放大元件，执行元件，和校正元件等单元组成。

4、给定元件的作用：主要用于产生给定信号或输入信号。

5、偏差的定义：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。

6、按系统中传递信号的性质把系统分为：连续控制系统和离散控制系统两大类。

7、控制系统的基本要求：稳定性、准确性、快速性。

8、数学模型；数学模型是描述系统输入输出变量以及内部各变量之间相互关系的数学表达式。

9、工程上常用的数学模型：微分方程、传递函数、和状态方程。

10、传递函数的定义：传递函数是线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。

11、比例环节：输出量以一定的比例复现输入量，不失真不滞后的环节，称为比例环节。

表达式为：K U U G s i S S ==)()(0)( 12、系统框图：系统中各个元件功能和信号流向的图解表示。

13、梅逊公式的作用；可以直接求得输入量到输出量的系统传递函数。

14、时域分析;就是根据系统的微分方程，采用拉普拉斯变换法直接解出系统的时间响应，再根据时间响应的表达式和时间响应曲线来分析系统的稳定性、准确性、快速性。

15、系统时间响应的组成；瞬态响应和稳定响应。

16、根据阻尼系统判断二介系统：①当0<ξ<1时 二阶系统称为欠阻尼系统 ②当ξ=1时 二阶系统称临界阻尼系统 ③当ξ>1时 二阶系统称为过阻尼系统 ④当ξ=0时 二阶系统称为零阻尼系统17、稳态误差；系统进入稳态后其实际输出量与期望输出量之间的相差程度。

18、系统的类型是根据闭环系统的开环传递函数来定义的。

19、频率响应;系统对正弦输入的稳态响应。

20、最小相位系统；系统传递函数)(S G 的所有零点和极点均在[s]平面的左半平面则该系统为最小相位系统。

闭环控制系统的工作原理
闭环控制系统是一种通过不断检测和修正输出与期望输出之间的差异来实现控制目标的系统。

它包括四个主要组成部分：传感器、控制器、执行器和反馈回路。

首先，传感器用于实时地检测被控对象的状态或输出参数，并将检测到的信息转化为电信号或其他形式的信号输出。

其次，控制器接收来自传感器的信号，并与预设的期望参考值进行比较。

通过对比两者的差异，控制器能够判断被控对象是否需要进行调整。

然后，控制器根据差异的大小和方向，计算出相应的控制信号并发送给执行器。

执行器将控制信号转化为能够控制被控对象的物理量或作用力，从而使被控对象实现所需的控制效果。

最后，反馈回路将执行器的输出值传递回传感器，形成一个闭合的反馈环路。

传感器通过检测反馈信号，并将其与预设值进行比较，继续向控制器提供差异信息。

控制器根据反馈信号的信息再次进行计算和调整，以实现对被控对象的实时控制。

通过不断地循环检测、比较和调整，闭环控制系统能够实时地跟踪和调整被控对象的状态，使其尽可能接近预设值，达到所需的控制效果。

闭环控制系统具有自我校正和适应性强的特点，能够应对外界环境变化和被控对象的非线性特性。