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1、四、简单控制系统的设计与实施,1、控制系统设计的一般思路,1、设计要求：电吹风能根据不同的挡位（冷风挡、热风挡、强热风挡）输出不同的风。2、设计分析：对象：电吹风装置 目的：不同种类的风 手段：改变挡位 干扰：房间温度、电源电压波动 3、方案构思：开环控制系统方框图 4、电路图、器材、组装、调试,（1）开环控制系统：电吹风控制系统的设计,干扰因素：房间温度、电源电压波动,控 制电 路,电动机、风扇、电热丝,电吹风及空气,电吹风的挡位,风的速度和温度,转速、热量,基本要求：第一、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。第二、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
2、允许的范围之内。第三、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。,（2）闭环控制系统的设计,闭环控制系统抽水马桶,冲水量=水箱内横截面积高度变化,节约用水（减小冲水量）的方法 1、将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度变化上关闭进水阀；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；3、控制出水阀开启的时间，使其在水未放完前关闭出水阀；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。,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；3、控制出水阀开启的时间，使其在水未放完前关闭出水阀；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；5、改变浮球大小，改变杠杆长度
3、。,升国旗控制系统,滑轮半径怎么算？,由v=L/t,=v/r,=2 得 r=v/,干扰因素：滑轮摩擦、电压影响转速、定时器误差、启动与停下的反应时间,定时装置,电动机,滑轮、国 旗,设定时间,升旗速度,转速,定时装置,电动机,滑轮、国 旗,设定时间,升旗速度,转速,定时装置,手 动,定时器,CD唱机,CD唱机：唱国歌的时间里，国旗刚好从底端升到顶端。,机械定时器,电子定时器,机械定时器用力学的方法，消耗机械能,电子定时器用电学的方法，消耗电能,机械式定时器：以发条为原动力，用擒纵调速器控制走时精度，通过齿轮传动和凸轮，按时间控制机构预置的时段操纵执行机构动作。计时精度要求不高的定时器（如风扇定
4、时器、洗衣机定时器、厨房用定时器、照相暗房用定时器、电视机控制用定时器、电灯开关定时器），一般采用无固有振动周期的调速器。这些定时器都是在手动上发条的同时预置时限，定时精度不高，但结构简单,使用方便。计时精度要求高、定时范围在312小时的定时器，一般采用摆轮游丝调速器。,电子式定时器：利用石英振荡器或民用交流电的标准频率,经过分频计数组成时间累加器或数字钟,按照预置的时间编码输出控制信号。这种定时器走时精确，时间设定没有误差,定时精度高,控制程序多。其中长时段定时器最小控制时段一般为1分钟,配上微处理器后能精确地编制一年的时间程序，组成多路可编程序的定时器。电子式定时器在工业自动化控制系统中应
5、用广泛，它也是节约能源管理中一种有效的技术措施。电子定时器类的电子定时开关钟，可用于按高、平、低峰用电收取不同电费制度的场合，它将一天内的用电高峰、平峰、低谷时间在定时开关中设定,并分别接通3种电表进行计费。电子式定时器在科学实验中和在微波炉、电饭锅、洗衣机等电器中也有使用。,教材P123练习2设计并制作可伸缩的凉衣控制装置。(要求天晴移出，下雨时收回室内）,控制装置,电动机 和滑轮、皮带,凉衣杆和衣架,移进/移出,转速,手 动,控制装置,雨水感湿器,其 他,输入,干扰因素：杆子生锈、摩 擦雨感器不够灵敏,自攻螺丝：不需要预先打孔，能自己攻丝而拧入。,机械定时器,（一）控制系统概念比较与区别,
6、（1）输入量：控制系统的给定量；（2）输出量（被控量）：控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号；（3）控制量：执行器的输出信号；（4）控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件；（5）执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件；（6）被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。,（二）常见的装置或元件,（1）控制器：控制电路、控制装置、控制机构、定时器；（2）执行器：开关（阀门、继电器）、制冷装置（压缩机）、加热装置（加热器、压缩器）、电动机、水泵、活塞（3）被控对象：取决于控制目标（如游泳池、加热炉、国旗、水箱、自动门、货物、摄像头、喷泉、三轮车)（4）检测装置：传感器（
7、热、光、声、压力、距离）、浮球、热电偶,传感器,控 制装 置,电 机,支撑臂、磁头,预设磁头位置,比较器,实 际磁 道,读取数据时，需将磁头定位到某个磁道,检测信号与预期信号进行比较,双 金属 片,控 制装 置（控制电路）,发热元件,金属底板,设定温度,比较器,实际温度,与热量有关的执行器是发热元件（电阻丝）,控制循环水的温度,热电偶测出的温度与设定温度进行比较,3、功能模拟法P114,概念：以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法。,例1（行为相似）上海世博会上的引路机器人，该机器人能够模仿人体的功能进行引路；例2（功能相似）人造心脏与人类心脏大小相当，椐它的发明
8、者称可以完全替代人类心脏，从而挽救数千患者的生命。这种人造心脏的跳动与真正的心脏类似，上面覆盖有经过特殊处理的组织以避免引起人类免疫系统的排异反应，尤其是血栓的形成。该人类心脏的控制方法为 A、黑箱方法 B、功能模拟法 C、模拟实验法 D、虚拟实验法,4、黑箱方法,概念：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。,例：买西瓜、心脑电图、中医搭脉、按穴,控制系统,输入,输出,西瓜,看、听、拍,生/熟,案例：根据旋转速度怎样判断生熟鸡蛋？生鸡蛋里的蛋黄和蛋白是液体，当我们转动鸡蛋后，蛋壳开始旋转，而鸡蛋里面的液体由于惯性的作用，要保持原来的静止
9、状态，所以生鸡蛋旋转起来比较慢。因此旋转快的是熟鸡蛋，旋转慢的是生鸡蛋。,案例：中医中黑箱方法的运用中医中的“以象测脏”的方法就是原始的黑箱方法。象就是输入输出的信息；脏就是人体黑箱内部的规律性联系。中医看病主要通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断，开方抓药，有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察病人的反应，并随时增减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征入手，实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。其中人的气色、舌苔、脉搏等等都是人体内部付出的信息则人体是否健康的反映。中医应用黑箱方法推导人体内部规律时，主要采用了演绎推理和类比推理。,人
10、机关系设计要实现的目标：高效例：“科学管理之父”泰勒“铁锹作 业试验”。健康例：高跟靴、设计不合理的椅子舒适例：培土小工具手把处理安全如：安全帽、安全带、课桌角等,考虑到普通人群和特殊人群（例：要考虑到残疾人的需求、考虑不同人种的身体差异、色盲等，老人、小孩也是）考虑静态的人与动态的人的关系 满足人的心理需求和生理需求例：办公空间一般应以冷色调为主，空间处理要简洁明快，以求产生严谨、高效的工作氛围。信息的交互（例：电话机的液晶屏显示、可以视屏通话。电梯到达楼层）,系统的特性(1)整体性（全局、集合）：侧重于“部分影响整体”。是系统的最基本的特性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。系统是一个
11、整体，它不是各个要素（部分）的简单相加；系统的整体功能是各要素（部分）在孤立状态下所没有的；系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。(2)相关性（匹配、关联）：“部分与部分、部分与整体之间的关联和作用”构成系统的各元素之间或元素与整体之间是相互联系、相互作用、相互影响的，是彼此相关的。,(3)目的性（功能性）：任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这是区别不同系统的主要标志。(4)动态性（变化性）：物质都是不断变化，因此系统是一个动态的系统，处在运动变化和发展之中。(5)环境适应性（自适应）：外部环境变化时，系统不被破坏，仍能生存或正常工作；若破坏，能立即修复或替换，系统可以继续生
12、存或工作。,系统分析的主要原则：（1）整体性原则先分析整体，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一阶段；先看长远，再看当前。（2）科学性原则严格步骤，科学方法和数学计算（3）综合性原则多个目标，统筹兼顾，不顾此失彼,技术的基本性质：1、目的性、2、创新性、3、综合性多学科知识4、两面性有利有害（价格高、功能差、使用时间短都不是两面性）5、专利性。,1设计的一般原则：创新原则:从原理、结构、技术、材料、工艺 等方面创新 实用原则：实现基本功能（物理功能、生理功能、心理功能和社会功能）经济原则：以最低的费用（成本最小）取得最大的效益 美观原则：造型、比例、材料、色彩搭配、装饰图案道德
13、原则：污染环境、伪劣产品、有毒食品、抄袭成果等 技术规范原则：技术规范有强制性的（国家标准），也有推荐性的（某厂自己定的）可持续发展原则：既考虑当前，又考虑未来发展。长远发展，资源能源的合理使用（可再生资源和重 复 复使用），生态平衡等。,1设计的一般过程：a发现与明确问题，制定设计方案，制作模型或原型，测试、评估及优化，产品的使用和维护,制定方案的步骤,金工操作流程,1、无圆孔：划线 锯割 锉削2、有圆孔：划线 锯割 锉削 划圆孔中心线 钻孔3、钻螺纹孔：划线 锯割 锉削 划中心线 钻孔 倒角 攻丝,外螺纹：圆金属棒划线 锯割 锉削 倒角 套丝木工操作与金工的区别，木材 拿来不先划线，要先进
14、行表面处理。因此，操作为：下料 刨削 画线 锯割 凿孔 打磨 油漆,技术实验 我们通常将技术活动中为了某种目的所进行的尝试、检验、优化等探索性实践活动称为技术实验。（例：技术试验卫星）重要性：技术试验是技术活动中的一项重要内容；技术试验不仅是对技术成功与否的验证，更是发现问题、探究规律、优化技术的关键；技术试验是技术研究不可缺少的基本方法和手段，对技术应用的实现起到了有力的保障作用；技术试验可以使设计得以改进和完善，将设计的风险和失误降到最低。（例：阿什塔比拉河桥的垮塌、青霉素皮试试验）,2技术试验的常用方法：a优选试验法：例：不同品种水稻的对比试验等。模拟试验法：例：汽车碰撞试验；大坝水利试
15、验等。虚拟试验法：例：计算机虚拟火星探测器模拟登陆动画等。强化试验法：例：砖块等施工材料的抗压试验、耐火试验移植试验法：如：橘子从长江以南移植到长江以北的种植试验。许多生物领域的试验。,3简单的技术试验：c技术试验的实施与报告的写作技术试验的实施步骤：制定试验计划、抽取样本、进行试验、分析数据、得出结论技术试验试验报告：试验项目、试验目的、试验准备、试验步骤、试验记录、试验总结,稳定性试验用极限法 特征词：平稳、翻倒、晃动 如，电脑托架（或电脑桌）脚调到最高、桌面倾角调到最小或最大，放上一台电脑，左右前后稍用力推一下，看是否晃动或不倒。书架最上层左侧或右侧放上书，下面不放书，左右方向施推力，看
16、是否不倒。,试验名称：电脑桌稳定性测试实验目的：检验电脑桌的稳定性,强度试验用加重法特征词：牢固、明显形变、破损电脑托架试验：在电脑托架上放35倍电脑重力，看是否无明显形变、破损。,木材：用钉接、榫接、铆接、黏合、合页连接，不能焊接 塑料：铆接、黏合，不能钉接、榫接 钢、铁：焊、铆、黏、螺栓螺母连 接，不能榫接 铝：不能焊接、榫接。,榫接用于木材之间的连接，焊接用于金属之间，但是金属铝不能用焊接，可用铆接。松铆连接（活动铆接）是铰链接，如剪刀、钳子。紧铆连接（固定铆接）是刚连接，如锅体手柄。,影响结构强度的主要因素：（1）结构的形状（外部形状和截面形状）（2）使用的材料、粗细（3）连接方式,影
17、响结构稳定性的主要因素：（1）重心位置的高低（2）支撑面大小(不是接触面）（3）结构的形状（三角形稳定性，平行四边形可变性）,开环还是闭环控制系统的 三种判定方法：从概念角度看：看输出量是否对系统的控制产生影响，有影响的是闭环，无影响的是开环控制。从控制过程看：看控制过程中有无反馈环节，有反馈环节的是闭环控制，无反馈环节的是开环控制。从输入量（给定量）与输出量（被控量）的关系看：开环控制系统输入量与输出量不一定是同类型的量；闭环控制系统给定量与被控量一定是同类型量。,控制器,执行器,被控对象,设定量,被控量/输出量,控制量,1、开环控制系统,2、闭环控制系统,反馈检测 装置,控制器,执行器,被
18、控对象,设定量,被控量/实际量,控制量,比较器,开环控制系统，信号的传递是单向的。,（1）控制器：控制电路、控制装置、控制机构、定时器；（2）执行器：开关（电磁阀门、继电器）、制冷装置（压缩机）、加热装置（加热器、压缩器）、电动机、水泵、活塞（3）被控对象：取决于控制目标（如游泳池、加热炉、国旗、水箱、自动门、货物、摄像头、喷泉、三轮车)（4）检测装置：传感器（热、光、声、压力、距离）、浮球、热电偶,设计题(画设计图）的思路和方法 1、紧固 2、折叠 3、伸缩 4、旋转 5、翻转,1、紧 固榫接、焊接、胶结、螺栓螺母连接,2、折 叠,3、伸 缩（套管连接）,4、旋 转,5、翻转(转动铰连接）,
19、2014年7月19日游黄山,同学们像是早晨五点钟的太阳，我愿做旭日东升的助推器。祝同学们前程似锦！,同学们像是早晨五点钟的太阳，我愿做旭日东升的助推器。祝同学们前程似锦！,方案1,将需要展示的画面（广告）连在一起，然后卷在两根轴上，当同时转动两根转轴时，画面就可以依次显示。,手动控制 自动控制,实例：自动换画灯箱,内部结构包括照明、机械传动、微电脑控制系统。机械传动系统为微电脑控制驱动下的高性能电机，驱动上下,（或左右）卷画轴旋转，从而使卷绕在卷画轴上的画面有规律的往复运动；,方案2,三棱柱的每一面对应一幅画的一部分，当所有三棱柱同时转动时，可将三幅图像顺序显示出来。,这类广告牌拥有三个版面，
20、是由电脑控制，在固定的时间旋转。广告商只要在广告牌上打广告，就可以看到三个不同的画面出现在同一个广告牌上。,实例：三面翻转广告,三面翻转广告原理示意图,想一想：有没有其它方案？,确定设计方案：选择方案1中的自动控制系统,三、选择实现方法,1、电动机转速快，需减速。,设计减速装置,使用定时控制器、继电器,2、准确控制电动机转动、停止的时间，使电动机停止期间，画面显示完整。,控制系统的设计框图,定 时控制器,继电器电动机减速器,广告牌,给定值,转动/停止,转速,四、完成设计,1.找材料；2.加工处理；3.组装。,五、评估,1.是否到达预期效果；2.其他人的评价；3.如何改进。,拓展例子：遥控防盗栓,小结,简单控制系统的设计过程：,一、明确设计目的,二、确定设计方案,三、选择实现方法,四、完成设计,五、评估,
