单元三 · 有了反馈更优化

第12课 闭环控制助稳定

任务场景
任务场景:闭环控制助稳定

一、学习目标

  • 能结合控制系统实例描述闭环控制的过程。
  • 了解闭环控制的特点和应用。
  • 了解反馈对控制系统的优化作用。

二、情境导入

上节课,我们已经设计了一个具有反馈的微波炉,并画出了它的工作过程示意图。

带反馈的那一段过程,像不像一个环形?那么与开环控制对应,这个微波炉是不是属于闭环控制呢?

三、核心讲解

本课学习路径:

1分析闭环控制的过程
2描述空调控制室内温度的过程
3了解闭环控制系统的主要特点及应用

1.分析闭环控制的过程

如果微波炉具备反馈,它的数据流会形成一个闭环,这时的微波炉就是一个「闭环控制系统」。

  • 输入:参考温度(阈值),例如 T₀=45℃
  • 计算:把检测到的温度 T 与 45℃ 比较,根据结果生成指令
  • 输出:微波炉加热
  • 检测反馈:把检测到的温度送回输入端

小试牛刀:

  • (1)设置初始目标温度 T₀(如 45℃)。
  • (2)检测食物温度,得到温度 T。
  • (3)把 T 与 45℃ 比较:若 T<45℃,说明还没加热好,输入端获得反馈,产生新输入,继续加热;若 T≥45℃,输出加热结束信号,微波炉停止工作。
闭环控制:(1)输出端与输入端之间存在反馈通路;(2)系统的输出结果对控制过程有影响;(3)输入和输出之间组成一个环形回路。

2.描述空调控制室内温度的过程

市场上未必买得到「带温度反馈」的微波炉,但空调调节室温就属于闭环控制。

夏天让空调把屋里温度控制在 26℃:

  • 输入:制冷 26℃(阈值)
  • 计算:把检测到的温度与设定阈值比较,根据结果生成指令
  • 输出:空调制冷
  • 检测反馈:检测到的当前温度

空调的温度检测器随时检测室内温度并与设定值比较;若有差值,就自动调节,产生新的反馈,使室内温度保持在 26℃ 相对稳定。

想一想(填空提示):设置参考温度 T₀=26℃;检测室内温度得 T;比较 T 与 T₀——若偏高则继续制冷,若已达到则停止降温。

3.了解闭环控制系统的主要特点及应用

优点:自我调节能力较好;抗干扰能力强;最终输出更接近预期目标。

代价:结构相对复杂;成本相对较高;反复检测、比较可能使反应速度相对较慢。

应用:恒温/恒湿环境控制、恒定水位控制等——如冰箱恒温储藏、空调恒定室温、温室大棚恒温种植。

弄清以上要点后,进入下方「教室温控」场景:切换开环/闭环,开窗干扰或开空调,观察温度能否稳定在目标。

四、动手体验 · 场景仿真

本课用教室温控场景体验开环与闭环:切换模式、开窗干扰、开空调,观察温度能否稳定在 24℃。

教室温控场景

开环:开空调后会一直制冷(按钮变色),不会自己停。闭环:对照 24℃ 自动启停;可开窗干扰对比。

五、课堂总结

  • 控制系统中如果存在反馈,它就属于闭环控制。
  • 闭环控制系统能对输出的结果进行自动检测,然后通过反馈通路回到输入端形成新的输入,再产生新的输出,促进系统的优化。
  • 闭环控制系统具备自动调节能力,具有较强的稳定性。
  • 闭环控制系统一般在需要保持恒定状态的环境中有着广泛的应用。
  • 例如,冰箱可以提供恒温的储藏环境、空调可提供恒定的室内温度、温室大棚能提供恒定温度的种植环境等。

六、拓展提升

  • 学校自动加热饮水机要保证能喝到温开水。小组探究:适宜饮用的水温是多少?接出水温是多少?影响加热效果的因素有哪些?
  • 饮水机通过温度传感器检测输出水温获得反馈;既要把水烧开,又要迅速降温到适宜温度——画出其「参考温度 → 加热/降温 → 检测反馈」闭环示意图。
  • 有干扰时,若没有反馈,可能得不到预定输出;反馈是一种有效的优化手段。

测评

对照本课学习目标作答(客观题练习);选出后点「检查」。答错会显示简短说明。

  1. 关于「闭环控制」,下列说法正确的是?

  2. 夏天空调把室温控制在 26℃。下列认识正确的是?

  3. 判断:闭环控制系统具备自动调节能力,具有较强的稳定性。

本节小结

回顾本课要点,完成动手体验与测评。记住:闭环控制助稳定。