控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)施第一頁，共二十頁，2022年，8月28日一、控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)施控制系統(tǒng)所需的設(shè)備、元件等系統(tǒng)的成本分析控制系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行和評價控制系統(tǒng)的方案選擇分析被控對象的主要特征明確控制的目的確定被控量、控制量分析主要的干擾因素。。。。。。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日1、設(shè)計一個控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可行性而定。2、在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關(guān)系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運(yùn)算方式(暗箱方法)；3、一個控制系統(tǒng)中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統(tǒng)影響最大的干擾因素；4、被控量與控制量的確定是控制方案的關(guān)鍵，對于簡單控制系統(tǒng)，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應(yīng)選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定有明顯作用的量；5、執(zhí)行器、檢測器的選擇：一是要根據(jù)被控量和控制量的需求，二是要根據(jù)控制的條件進(jìn)行。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日明確目標(biāo)，了解被控對象的基本特性完成設(shè)計制作、檢測、調(diào)試、優(yōu)化、評價確定被控量和控制量確定控制方案繪制控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)設(shè)計的基本過程第四頁，共二十頁，2022年，8月28日開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計相對比較簡單，在明確設(shè)計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計例：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計被控對象——被控量——控制量——

電風(fēng)扇電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速第五頁，共二十頁，2022年，8月28日第六頁，共二十頁，2022年，8月28日案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計要求：

電吹風(fēng)能根據(jù)不同的檔位（如冷風(fēng)檔、熱風(fēng)檔）輸出不同種類的風(fēng)。設(shè)計分析：被控對象：被控量：控制量：干擾因素：是電吹風(fēng)裝置，是風(fēng)的速度和溫度，是電機(jī)的電壓，是房間溫度、電源電壓的波動等。第七頁，共二十頁，2022年，8月28日方案構(gòu)思：

選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。設(shè)定風(fēng)的檔位就設(shè)定了電機(jī)的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機(jī)帶動一個小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的風(fēng)通過電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對應(yīng)的風(fēng)。確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案后，畫出必要的電器線路圖，選擇適當(dāng)型號的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。電吹風(fēng)的控制工作過程：

電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。第八頁，共二十頁，2022年，8月28日世界100大發(fā)明之一，生活必備，每天都要使用第九頁，共二十頁，2022年，8月28日閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)不同的控制目的，要求往往也不一樣。對于簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有以下基本要求：在進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計時，幾項(xiàng)控制要求之間往往會產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問題全面解決或有所側(cè)重地解決。1、一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。

當(dāng)干擾因素出現(xiàn)時，輸出量發(fā)生偏離，系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整使被控量回到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的這種調(diào)整過程有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨勢，能很快穩(wěn)定下來，還屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，否則就是不穩(wěn)定系統(tǒng)。2、控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。3、閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。第十頁，共二十頁，2022年，8月28日案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計要求：當(dāng)水箱水位低于某一指定高度時，進(jìn)水口立即進(jìn)水。當(dāng)水箱水位達(dá)到某一指定高度時，進(jìn)水口停止進(jìn)水。控制系統(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別要求。第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日設(shè)計分析：從設(shè)計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進(jìn)水管的水流量（進(jìn)進(jìn)水量），水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線形關(guān)系主要干擾因素是水箱的出水流量。第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日方案構(gòu)思：采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當(dāng)水箱的水位低于水箱的某個高度時，出現(xiàn)了水位差（給定的水位高度與實(shí)際水位高度之差），這個信號通過浮球、連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開，從而水箱進(jìn)水；當(dāng)水箱水位達(dá)到水箱的某個高度時，水位差為零，進(jìn)水閥關(guān)閉。水箱水位控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進(jìn)水閥打開，水箱進(jìn)水，直到指定水位時，進(jìn)水閥關(guān)閉。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日討論：

在上述案例中，如果要節(jié)約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設(shè)計哪幾種方案？（1）將杠桿支點(diǎn)右移，使浮球在較小的高度上關(guān)閉進(jìn)水閥。（4）設(shè)計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。（3）控制出水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關(guān)閉出水閥。這相當(dāng)于改變設(shè)定高度。（2）在水箱中放入比水重的物體，起到減小水箱平均截面積的作用（減少水箱的實(shí)際蓄水量）第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日二、控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)施案例升旗簡易控制裝置的設(shè)計第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設(shè)計設(shè)計要求：在國歌播放的時間內(nèi)，控制國旗運(yùn)輸上升到旗桿的頂端。選擇適當(dāng)?shù)目刂品桨笇?shí)現(xiàn)控制；選用成本低，易于獲取的元件、設(shè)備和材料的模型。陳劍負(fù)責(zé)學(xué)校每周兩次的升旗儀式。在學(xué)完《技術(shù)與設(shè)計2》模塊后，他決定利用所學(xué)知識設(shè)計一套能實(shí)現(xiàn)自動升旗的簡易控制裝置的模型。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日設(shè)計分析：采用開環(huán)控制系統(tǒng)，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止（或速度）。這一開環(huán)控制系統(tǒng)由計時裝置和控制升旗的裝置共同完成。計時裝置和控制升旗裝置的實(shí)現(xiàn)可以有多種方案。例如，采用機(jī)械定時器和電動機(jī)實(shí)現(xiàn)；采用成品電子定時器和電動機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用自制電子定時器和帶有可調(diào)速電路的電動機(jī)實(shí)現(xiàn)；采用音頻信號、觸發(fā)電路和電動機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用任何一種方案實(shí)現(xiàn)控制，都要經(jīng)過若干次調(diào)試，直到符合設(shè)計要求為止。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日設(shè)計準(zhǔn)備：機(jī)械定時器（或電子定時器、自制的電子定時器、CD唱機(jī)），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機(jī)調(diào)速器，直流電源等。機(jī)械定時器555定時器CD唱機(jī)第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日思考：

陳劍同學(xué)提出的四種方案各有什么特點(diǎn)？你認(rèn)為哪種方案最容易實(shí)現(xiàn)？各方案的特點(diǎn)：方案A：

在控制上采用機(jī)械裝置，對電子知識要求不高，但升旗和唱國歌的啟動需要人工同步，定時裝置的精度不高，容易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。方案B:此方案同樣有啟動不容易同步的問題，但定時器的精度較高。第十九頁，共二十頁，2022年，8月28日方案C：

可以增加學(xué)生的知識面，但需要補(bǔ)充電子線路的知識，比較費(fèi)時，課時難以