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1、第四节 控制系统的设计与实施,一、控制系统设计的一般思路,控制系统的设计,实施控制系统所需的设备、元件等,系统的成本分析,控制系统调试、运行和评价,控制系统的方案选择,分析被控对象的主要特征,明确控制的目的,确定被控量、控制量,分析主要的干扰因素,。,1、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。2、在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式(暗箱方法)；3、一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；4、被控
2、量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量；5、执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。,明确目标，了解被控对象的基本特性,完成设计制作、检测、调试、优化、评价,确定被控量和控制量,确定控制方案,绘制控制系统框图,控制系统设计的基本过程,开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。,开环控制系统的设计,例：普通电风扇控制系统的设计被控对象被控量控制量,电风扇,电风扇输出的风速,电机的转速,
3、案例分析：电吹风控制系统的设计,设计要求：电吹风能根据不同的档位（如冷风档、热风档）输出不同种类的风。,设计分析：被控对象：被控量：控制量：干扰因素：,是电吹风装置，,是风的速度和温度，,是电机的电压，,是房间温度、电源电压的波动等。,方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。,电吹风的控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散
4、出去。,世界100大发明之一，生活必备，每天都要使用,闭环控制系统的设计,不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：,在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。,1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内
5、。3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。,案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计,设计要求：当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。,设计分析：从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系主要干扰因素是水箱的出水流量。,方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号
6、通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。,水箱水位控制过程：拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。,讨论：在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？,（1）将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀。,（4）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。,（3）控制出水阀开启的时间，使其在水未放完之前关闭出水阀。这相当于改变设定高度。,（2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用（减少水箱的实际蓄水量）,
7、二、控制系统的设计实施案例,升旗简易控制装置的设计,案例分析：自动升旗简易控制装置的设计,设计要求：在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升到旗杆的顶端。选择适当的控制方案实现控制；选用成本低，易于获取的元件、设备和材料的模型。,陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完技术与设计2模块后，他决定利用所学知识设计一套能实现自动升旗的简易控制装置的模型。,设计分析：采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）。这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同完成。计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案。例如，采用机械定时器和电动机实现；采用成品电子定时器和
8、电动机实现，采用自制电子定时器和带有可调速电路的电动机实现；采用音频信号、触发电路和电动机实现。采用任何一种方案实现控制，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。,设计准备：机械定时器（或电子定时器、自制的电子定时器、CD唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源等。,机械定时器,555定时器,CD唱机,思考：陈剑同学提出的四种方案各有什么特点？你认为哪种方案最容易实现？,各方案的特点：,方案A：,在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高，但升旗和唱国歌的启动需要人工同步，定时装置的精度不高，容易产生不协调现象。,方案B:,此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精度较高。,方案C：,可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的知识，比较费时，课时难以保证。,方案D:,升旗和唱国歌同步启动，由于CD唱机比较普遍，器材准备较其他方案容易。,因此，方案D实现比较容易。,其实，对升旗来说，可以采用人工控制。由升旗手观察国旗位置和唱国歌的快慢，经判断后来调整升旗速度以保证唱国歌结束时国旗到顶。,The end,
