第五節(jié)控制系統(tǒng)方案的初步設計教材p120-p128技術設計的一般過程可歸納為:發(fā)現(xiàn)與明確問題、制訂設計方案、制作模型或原型、優(yōu)化設計方案等。對于控制系統(tǒng)設計來說，有它的特殊性，即有許多具體的問題需要在方案設計之前弄清楚。因此，本節(jié)圍繞著如何形成控制系統(tǒng)設計方案這個中心問題，通過案例分析把握控制系統(tǒng)方案初步設計的思路和方法。一、如何形成初步的控制系統(tǒng)設計方案案例1聲控燈系統(tǒng)聲控燈是一個簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)。它的組成如圖4-27所示。由圖可見,聲控燈與常規(guī)電燈相比，去掉了常規(guī)的手操開關，增設了聲傳感器、控制器和常開(斷開）觸點。其中，聲傳感器的靈敏度可設置為不同等級，以適應不同場合使用的需要。這樣的聲控燈系統(tǒng)是怎樣設計出來的呢?分析1:解析被控對象的基本特性照明用的電燈,具有兩個工作狀態(tài)，即點亮狀態(tài)與熄滅狀態(tài)。點亮與熄滅，實際上是供電電路的接通(有電流通過)與斷開（無電流通過)。也就是說，這兩個工作狀態(tài)的實質區(qū)別是有電流或無電流。而有電流或無電流,是通過電路中的開關來操縱的。電燈中電流與開關操作之間的關系,如圖4-28所示。由此可見,對于聲控燈來說,聲響是輸人,電流是輸出,有（無)前者,便有（無)后者。這是輸出與輸入之間的關系———種簡單的邏輯關系。如果供電電網的電壓或頻率由于某種原因出現(xiàn)波動，將會給電路造成影響。這可以視為一種干擾，即電網參數(shù)的波動，直接影響聲控燈的輸出——電流波動、燈光閃爍。這是輸出與干擾的關系。以上分析的是被控對象在正常工作狀態(tài)下，輸出與輸入之間的關系，輸出與干擾之間的關系，稱為被控對象的基本特性。問題思考為避免意外聲響對聲控燈的干擾，你有什么好辦法?分析2:確定被控量與控制量上面的基本特性分析已經明確:被控對象是燈泡，被控量實質上是電流——流過電燈的電流。輸出量就是被控量。那么，什么是控制量呢?也就是說，通過改變什么參數(shù)來實現(xiàn)對被控量的控制呢?由圖4-27可見:控制器以及常開觸點，根據(jù)聲音傳感器傳送過來的電信號(有或無)及觸點的觸頭動作（動或不動)，對電路實現(xiàn)控制（接通或斷開),從而決定是否產生電流。因此，觸點的通與不通，就是控制量。只是這種控制量僅表現(xiàn)為兩種狀態(tài)而已。聲響是輸入信號,簡稱輸入。聲響強,輸入（信號）量大;聲響弱,輸入（信號）量小。聲傳感器將聲信號轉換成電信號，控制器根據(jù)它立即使觸點工作，接通電路供電，并延時At。時間△t的設置，保證了人在樓道里走過時所需要的亮燈持續(xù)時間。分析3:確定控制系統(tǒng)構成方案開環(huán)控制與閉環(huán)控制的根本區(qū)別在于:閉環(huán)控制系統(tǒng)應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差，即以反饋量與輸入量比較產生偏差量（如本章第二節(jié)中的水位差,本章第四節(jié)中的溫度差、角偏差等)，用偏差量作為控制器的輸入去實現(xiàn)控制，就是所謂的偏差控制。因此，閉環(huán)控制利用反饋作用，可以使被控量的誤差做到很小。聲控燈系統(tǒng)，只有亮與滅兩種運行狀態(tài)，不存在被控量在量上的誤差。因此，聲控燈選用開環(huán)控制方案就能很好地完成控制任務。系統(tǒng)的具體構成包括:聲傳感器、控制器及常開觸點。分析4:繪制系統(tǒng)框圖參照前述的控制系統(tǒng)框圖的繪制方法，繪制出聲控燈系統(tǒng)框圖，如圖4-29所示。系統(tǒng)框圖是系統(tǒng)設計方案的圖形描述。它清楚地表述了聲控燈系統(tǒng)的設計方案:采用開環(huán)控制;系統(tǒng)構成的各環(huán)節(jié);輸入量(聲響)、輸出量（被控量)控制量（接通/斷開);信息傳遞途徑。以上四點分析，便是以聲控燈為例的控制系統(tǒng)設計的思想與方法、過程與結果。討論交流白天，樓道里有足夠光亮的情況下，從節(jié)電的角度出發(fā)，應當如何改進上述設計?大家一起來想辦法,并盡量具體化。提示:(1)利用感知光強的傳感器（常稱為光敏器件)。(2）查詢并學習邏輯電路中有關與門的資料。技術實踐試根據(jù)聲控燈設計方案，搭建出聲控燈的實物電路。案例2棚室溫度控制系統(tǒng)棚室采暖需求:棚室采暖，是棚室環(huán)境需求——光、溫、水分、氣體中的一個重要方面。采暖按熱媒的不同可分為:熱風式、熱水式、蒸汽式、電熱式。其中，熱水采暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，是目前最常用的采暖方式。閱讀材料采暖加溫幾種方式的比較棚室溫度控制系統(tǒng)是怎樣設計出來的呢?圖4-30為棚室溫度控制系統(tǒng)設計的一個實例。分析1:解析對象基本特性系統(tǒng)的輸出參數(shù)是棚室室溫,記作c(t)。系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)是按要求設定的室溫值,記作r(t)。系統(tǒng)的主要干擾參數(shù)是室外冷環(huán)境的影響,如通過棚頂、墻或開門造成室內溫度下降，記作f(t)。c(t)與r(t)、f(t)之間存在一定的關系。比如，當設置r(t)為某值時,若棚室內容積較小,在棚頂與棚墻的絕熱性較好、供給的熱水溫度較高的條件下，c(t)用較短時間就能達到期望值;同時，f)將影響溫控效果。實際上,c(t)的變化并不能立即跟上r(t)的變化,總要落后一段時間(如上面說到的“較短時間”)，這就是所謂的對象的熱慣性表現(xiàn)。熱慣性，是對象的一種基本特性，它反映了輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)間的特定關系。慣性在很多系統(tǒng)中都有所表現(xiàn)。技術探究c(t)與r(t)、f(t)一種溫度控制系統(tǒng)的響應特性及簡易測試法圖4-31中的曲線,表示c(t)跟蹤r(t)的過程,稱為響應特性。首先，看的r(t)的

變化:在t1時刻，)從原來的某一值(如圖中的溫度T1),躍變?yōu)榱硪粋€新值(如圖中的T2)，如圖中黑色折線。接著，看c(t)的變化:c(t)自t1時刻并沒能立即跟上r(t)做躍變，而是逐漸上升;經過一段時間(t2-t1)之后,接近r(t)的新值，即期望的溫度值，稱為穩(wěn)態(tài)值。響應特性表明,c(t)跟上r(t)達到穩(wěn)態(tài)值，需經歷一段時間(t2-t1)。從達到穩(wěn)態(tài)的角度看,c(t)落后于r(t)。這就是被控對象具有熱慣性的體現(xiàn)。(t2-t1)值越大，熱慣性就越大，c(t)跟上r(t)就越慢。這樣的響應特性可以通過實驗的方法測得，而不需用很多的儀器。測試的具體方法是:（1)在溫度為某一穩(wěn)態(tài)值(如T1）時，設定r(t)的新值(如T2)。讓供水閥門以某一開度供熱水，并以此作為t1時刻。(2）每隔一小段時間△t，用秒表計時，并用溫度計測量室溫c(t)，得到一個又一個的響應點。如此做下去,待到c(t)趨近于新的穩(wěn)態(tài)值時為止,即對應t時刻。(3）在T-t坐標紙上，點出記錄的各響應點（如圖4-31中的藍色小點);連接各點，便得到響應特性曲線。創(chuàng)客坊空調室內的溫度特性測試試驗結合本章第一節(jié)實例3(空調機制冷/制熱的控制)，進行室溫的實際測試試驗，記錄并繪制出溫度控制響應特性曲線。要求:(1)設置兩種室溫，分別進行測試。(2）對獲取的溫度特性試做分析，闡述該特性曲線具有哪些特點以及空調機對室溫調節(jié)（控制)的效果。分析2:確定被控量、控制量由圖4-30可知:室溫是系統(tǒng)的被控量。電磁閥的閥門開度,記作x(O)，是系統(tǒng)的控制量。假定采暖鍋爐供給的熱水水溫一定。當x(1)最大(相當于閥門全打開)時，熱水管及散熱器向室內供應最大熱量﹔當x(t)為零(相當于閥門全部關閉)時，熱水進不來，不向室內供應熱量。這是閥門工作形式的一種，即全開或全關，稱為雙位調節(jié)。分析3:確定控制方案在圖4-30中,感溫元件監(jiān)測室內實際溫度,起著反饋作用;與設定的rt)形成溫度偏差，繼電器動作，接通供電電路，電磁閥打開，熱水進入水管供熱。顯然，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。為什么要采用閉環(huán)控制呢?棚室溫度控制,對被控效果要有較嚴格的控制,如精度（精確度),因此選用閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)，以其反饋作用，利用偏差，通過控制器的合適控制，可以獲得較高的精度。此外，當干擾作用較強時，閉環(huán)控制又可以起到抑制干擾影響的作用，這也是選用閉環(huán)控制的考慮因素之一。分析4:繪制系統(tǒng)框圖(圖4-32)閱讀材料對溫室自動控制系統(tǒng)的基本要求溫室控制(調節(jié))系統(tǒng)的工作品質,直接影響著產品的產量、,品質和效益。因此，對控制系統(tǒng)的基本要求有:1.可靠性由于溫室內高溫、高濕和存在腐蝕性氣體，所以控制裝置是處于一個十分不利的環(huán)境下長期工作的、為此要求配套的設施和器材具有較高的可靠性。為了提高其可靠性，在具體裝置中可采用光電隔離、電磁屏蔽、電源濾波、可靠接地等抗干擾措施，以及采用適當?shù)姆莱?、防腐蝕等工程措施，保證控制設施長期安全、正常地工作。2．調控精度在溫室生產中，影響生物體生長發(fā)育的環(huán)境因素，如光照、溫度、濕度、CO,濃度等，在生物體不同的生長發(fā)育階段都有較嚴格的范圍，因此，為保證生物體優(yōu)質和高產、穩(wěn)產，控制系統(tǒng)的精確度至關重要。這里要指出的是:在生物環(huán)境工程中，對某一被調參數(shù)的控制精度并不像電子和機械工程中那么高，如西紅柿種子發(fā)芽的適宜溫度為20℃~30℃(上限為35℃，下限為10℃)，開花溫度在15℃以上，均有一個適宜的溫度范圍，即要求控制系統(tǒng)的控制精度只要在該適宜范圍內即可。3.適應性現(xiàn)代的自動化溫室造價很高，因此，不能單生產某一種作物品種。要根據(jù)作物品種不同和在各個不同的生長發(fā)育階段對環(huán)境的要求，靈活方便地調整各被控環(huán)境因子，以滿足作物生長發(fā)育的需求，獲得高產和優(yōu)質的成果。問題思考對溫室自動控制系統(tǒng)的基本要求，可以給溫室自動控制系統(tǒng)設計工作提供哪些啟示?二、控制系統(tǒng)方案初步設計方法的討論問題思考討論之前的思考通過對“聲控燈系統(tǒng)”和“棚室溫度控制系統(tǒng)”兩個案例的分析和研究，你對控制系統(tǒng)方案設計的思路與方法是怎樣認識的呢?歸納整理一下，把自己認識的要點記在學習筆記本上。本部分的討論,采用“引導問題”和“設計方法要點”并行的方式展開,給出的“要點”僅供參考，不是答案或答案的全部。如果你有什么好主意，也可以穿插進來。引導問題:(1)面對控制系統(tǒng)方案設計任務時,從哪兒入手?(2）控制系統(tǒng)中，一般由許多環(huán)節(jié)組成，你首要關注的是什么?(3）需要了解對象的基本特性嗎?(4)控制系統(tǒng)中有許多變量,做假設時，首先要確定其中哪些變量呢?(5）選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制的考慮根據(jù)是什么?(6）繪制控制系統(tǒng)框圖，要注意表達哪些內容?設計方法要點:從分析入手，解析對象特性。首先關注:傳感器/控制器/執(zhí)行器/對象/反饋諸環(huán)節(jié)。(注:“”表示“或者”的意思，以下相同。確定:輸入量/控制量/被控量、輸出量/反饋量/偏差量。選用:越簡單好用越好;控制精度/抗干擾性/經濟性……的考慮。注意:系統(tǒng)構成的類型/組成環(huán)節(jié)之間的關系/各種量間的關系/信息流通。技術實踐在方案設計中長才智——原理性控制方案初步設計的練習命題亮度可調臺燈的原理性電控初步方案設計設計目的:應用調壓原理，采用簡單的原理性電路，使燈泡亮度可調。設計內容及要求:(1）解析對象基本特性。指亮度可調臺燈在正常工作時，對象的輸出信號和輸入信號間的關系;與主要干擾參數(shù)間的關系。(2）確定被控量、控制量。(3）選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制。注意:要簡述選用的根據(jù)。(4)繪制控制系統(tǒng)框圖。設計的提示:(1)考慮到僅是原理性設計，電路要盡可能簡單。比如，采用可變電阻，通過改變電阻的大小調節(jié)燈泡的亮度。(2）選擇電路元件，包括燈泡、可變電阻等，進行必要的電路計算。(3）分析這種簡單的原理性方案，可能會出現(xiàn)什么問題，原因是什么。創(chuàng)客坊亮度可調臺燈的實用性電控初步方案的設計設計目的:應用調壓原理，采用簡單的電路，使燈泡亮度可調。設計內容及要求:與上面的原理性方案設計內容與要求相同。設計的提示:(1)這個實用方案設計會帶