简单控制系统的设计
《简单控制系统的设计作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术粤科版》
《简单控制系统的设计》作业设计方案第一课时引言：本作业设计旨在帮助学生加深对简单控制系统的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。
通过设计一个简单的控制系统，学生将能够掌握控制系统的基本原理和实现方法，并在实践中培养解决问题的能力。
一、作业内容：1. 设计一个简单的温度控制系统，要求能够实现在设定温度范围内保持恒温。
2. 使用Arduino或Raspberry Pi等开源硬件平台进行搭建，并编写相应的控制程序。
3. 要求控制系统能够实时监测环境温度，并根据设定值分别启动加热或制冷设备。
4. 学生需要设计原理图、程序代码，并进行实际的硬件搭建和调试。
二、作业步骤：1. 硬件准备：准备Arduino或Raspberry Pi开发板、温度传感器、继电器模块、加热或制冷设备等硬件材料。
2. 硬件连接：将温度传感器和继电器模块连接到开发板上，并连接相应的加热或制冷设备。
3. 软件编写：学生需要编写相应的控制程序，实现对温度传感器数据的读取和对加热或制冷设备的控制。
4. 调试测试：学生需要对控制系统进行调试测试，验证系统的稳定性和准确性。
5. 报告撰写：学生需要撰写控制系统设计原理、程序代码、实验步骤和结果分析等内容的实验报告。
三、作业要求：1. 学生需要独立完成控制系统的设计和搭建，不能抄袭他人作品。
2. 学生需要按时提交实验报告，并参与实验结果的讨论和分享。
3. 学生需要积极思考控制系统设计过程中的问题，并提出改进意见。
4. 学生需要在实践中培养团队合作和创新意识，共同探讨解决方案。
结语：通过本次作业设计，相信学生将能够深入理解简单控制系统的设计原理和实现方法，提高实际操作能力和创新思维，为将来的科研和工程实践打下坚实基础。
希望学生们能够认真对待这次作业，并在实践中不断学习和成长。
第二课时一、设计背景本次设计方案是针对《简单控制系统的设计》这门课程的一项学生作业设计方案。
控制系统是现代工程领域中非常重要的一个概念，通过对控制系统的设计实践，可以帮助学生更好地理解控制系统的原理和应用。
PLC控制系统 设计 论文：PLC控制系统软件设计
PLC控制系统设计论文：PLC控制系统软件设计摘要: 由PLC为核心组成的自动控制系统,称为PLC控制系统,可编程控制器的结构和工作方式与单片机、工控机等不尽相同,与传统的继电器控制也有本质的区别。
这就决定了其控制系统的设计也不完全一样,其最大特点就是软、硬件可以分开设计。
本文就PLC控制系统的软件设计做一下介绍。
关键词:PLC;软件设计为了实现生产工艺的控制要求,以提高生产效率和产品质量,在设计PLC控制系统时要遵循以下原则:1、最大限度地满足被控对象的控制要求。
2、在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济,使用和维修方便。
3、保证控制系统的安全、可靠。
4、考虑到生产的发展和工艺的改进,应适当留有扩充余量。
PLC控制系统的软件设计就是针对生产工艺要求的控制程序的设计,也就是常说的用户程序设计。
用户程序的设计需要分析工艺过程,明确控制要求,列出输入输出分配表的基础上进行。
在实际的工作中,软件的实现方法有很多种,具体使用哪种方法,因人因控制对象而异,以下是几种常用的方法。
一、经验设计法在一些典型的控制环节和电路的基础上,根据被控制对象对控制系统的具体要求,凭经验进行选择、组合。
有时为了得到一个满意的设计结果,需要进行多次反复地调试和修改,增加一些辅助触点和中间编程元件。
这种设计方法没有一个普遍的规律可遵循,即具有一定的试探性和随意性,最后得到的结果也不是唯一的,设计所用的时间、设计的质量与设计者经验验多少有关。
经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计时比较有效的,可以收到快速、简单的效果。
但是,由于这种方法主要时依靠设计人员的经验进行设计,所以对设计人员的要求也比较高,特别时要求设计者有一定的实践经验,对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。
对于比较复杂的系统,经验法一般设计周期长,不易掌握,系统交付使用后,维护困难。
所以,经验法一般只适合于比较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。
PLC控制系统的设计（经典）
PLC控制系统的设计一、PLC控制系统设计原则与步骤1.PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统主要是实现被控对象的要求提高生产效率和产品质量其设计应遵循以下原则1 最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究搜集资料并拟定电气控制方案。
2 在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
3 保证控制系统安全、可靠。
4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC的容量时应适当留有欲量。
N 满足要求Y N 满足要求2 .PLC控制系统设计的步骤PLC控制系统的设计过程如图所示1. 根据生产工艺过程分析控制要求分析控制要求确定人机接口设备PLC硬件系统设置分配I/O点设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试设计制作控制柜现场安装接线分析控制要求现场总调试交付使用这一步是系统设计的基础设计前应熟悉图样资料深入调查研究与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合共同讨论以解决设计中出现的问题。
应详细了解被控对象的全部功能例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁系统要求哪些工作方式例如手动、自动、半自动等设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系PLC与其他智能设备例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人之间的关系PLC是否需要通信联网需要显示哪些数据及显示的方式等等。
还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。
有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。
对于大型的复杂控制系统需要考虑将系统分解为几个独立的部分各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制并考虑它们之间的通信方式。
1. 选择和确定人机接口设备I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。
PLC本身的数字输入和数字显示功能较差可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示但是占用的I/O点多甚至还需要用户自制硬件。
国家开放大学-机电控制与可编程序控制器技术-专题报告
可编程控制器应用实训形考任务六实训报告交通信号灯PLC控制系统的实现一、实训目的：掌握PLC在实际生产中的典型应用，并能够独立进行简单控制系统的系统设计（系统配置及输入/输出继电器地址分配、系统的I/O接线图、系统的流程图、控制程序的设计、编程及调试）。
二、实训要求：1．选择社会生活或生产实践中某一种典型的PLC控制系统或产品，，并能够独立进行简单控制系统的系统设计（系统配置及输入/输出继电器地址分配、系统的I/O接线图、系统的流程图、控制程序的设计、编程及调试）；2．设计选用西门子S7－200系列PLC，对其I/O口进行分配，列出PLC控制程序（梯形图进行截图，语句表可直接拷贝）并对程序作出解释。
三、实训内容：应用PLC控制交通灯各灯按要求亮灭，并通过七段LED数码管对红灯点亮时间进行倒计时显示，并且可以重复循环。
按下起动按钮交通灯开始工作，南北向红灯亮起并维持10s，南北向红灯工作同时东西向绿灯亮4s，接着以1Hz频率闪烁3s最后熄灭，绿灯熄灭同时东西向黄灯亮并维持3s；黄灯熄灭时东西向红灯开始公主并维持10s，东西向红灯工作同时南北向绿灯亮4s闪3s以1Hz频率最后熄灭，绿灯熄灭同时南北向黄灯亮并维持3s，黄灯熄灭时南北向红灯再次亮起……循环反复。
交通灯工作同时一个七段LED数码管对红灯点亮时间进行倒计时显示，先对南北向红灯倒计时，显示9—8—7—6—5—4—3—2—1—0，然后对东西向红灯倒计时。
四、主要实训软件硬件（1）常用电工工具、万用表等。
（2）PC机（3）所需设备、材料见表1。
序标准代号器件名称型号规格数量备注号1PLC S7-200CN CPU226AC/DC/RLA16ES7216-28D23-0XB82SF1停止按钮LA10-2H1红色3SF2起动按钮LA10-2H1绿色4PG1-6指示灯24V直流电源指示灯6红黄绿5LED数码管LG23011AH6QB隔离开关DZ47LE-3P+N17UR电源DR-120-24124V直流电源8PPI通信电缆RS232-48519XT接线端子JX2-Y010若干表1设备、材料明细表五、实训步骤（一）硬件设计1.系统原理图按下停止按钮，交通灯控制系统停止工作。
第5章 简单控制系统的设计及参数调整方法
第五章 简单控制系统的设计
2. 控制参数的选择（重要选择）
依据过程特性对控制质量的影响，不难归纳选择控制参数的 一般原则：
K P越大越好 ， TP 适当小一些 ； （a）
（b） P 越小越好 ， P
/ TP 0.3
(c)K f 尽可能小， T f 尽可能大，尽可能多，尽可能将大的纯滞 后置于干扰通道，干扰进入系统的位置尽可能远离被控参数。
由此可见，时间常数越错开，K 0 越大，对系统稳定性越有 利，在保持一定稳定性的条件下，对保持质量越有利。
小结
控制通道的K P 越大越好，TP适当减小， P 越小越好，多个 时间常数的大小越错开越好。
第五章 简单控制系统的设计
（三）控制方案的确定
1、系统被控参数选取的一般原则 （a）应选取对产品的产量、质量、安全生产、经济运行、环 境保护有决定性作用、又可直接进行测量的工艺参数作为被 控参数（直接参数）； （b）选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被 控参数； （c）间接参数对产品质量应有足够的灵敏性； （d）应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等； 特别说明：被控参数一般由工艺工程师确定，控制工程师无 多大选择余地。
第五章 简单控制系统的设计
c）按下表计算出P、I、D调节器的参数
（2）优缺点：
a）该法可直接在闭环状态下进行，且无需测试过程的动态特性； b）方法简单，使用方便；
第五章 简单控制系统的设计
第五章 简单控制系统的设计
（2）P调节对系统质量的影响：
a）比例调节是一种有差调节？ b）比例调节系统的静差随比例带的增大而增大？比例带 的减少，意味着系统稳定性降低？ c）比例调节不适合给定值随时间变化的情况；
d）增大 K C（即减小比例带），可以减少系统的静差，加 快系统的响应速度？这是因为： KP KC KC K P TP s 1 C (s) K KP R( s) TP s 1 K C K P Ts 1 1 KC TP s 1 KC K P TP K ,T (惯性减小） 1 KC K P 1 KC K P
自动控制课程设计简单
自动控制课程设计简单一、课程目标知识目标：1. 理解自动控制的基本概念，掌握自动控制系统的数学模型及特性。
2. 学会分析自动控制系统的性能，了解系统稳定性、快速性和准确性的评价标准。
3. 掌握典型自动控制系统的结构及其工作原理。
技能目标：1. 能够运用数学模型对自动控制系统进行描述，并绘制系统方框图。
2. 学会使用控制原理分析自动控制系统的性能，并提出相应的优化方案。
3. 能够运用所学知识，设计简单的自动控制实验，并完成实验报告。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣，激发学生探索未知领域的热情。
2. 培养学生严谨的科学态度，强调实验数据的真实性，提高学生的实践能力。
3. 增强学生的团队协作意识，培养学生在合作中解决问题、分享成果的能力。
本课程针对高中年级学生，结合学科特点和教学要求，注重理论与实践相结合，旨在提高学生对自动控制技术的理解和应用能力。
通过本课程的学习，使学生能够掌握自动控制的基本原理，具备分析、设计和优化自动控制系统的能力，并培养他们积极探索、严谨求实、团结协作的精神风貌。
二、教学内容1. 自动控制基本概念：控制系统定义、分类及性能指标（对应教材第1章）。
- 控制系统的数学模型及特性- 控制系统的方框图表示2. 自动控制系统分析方法：稳定性、快速性、准确性分析（对应教材第2章）。
- 控制系统的传递函数- 控制系统的稳定性判断- 控制系统的性能分析3. 典型自动控制系统：比例、积分、微分控制（对应教材第3章）。
- PID控制原理及参数调整- 典型控制系统实例分析4. 自动控制实验设计：实验原理、实验步骤及实验报告撰写（对应教材第4章）。
- 实验方案设计- 实验数据采集与处理- 实验报告撰写要求教学内容安排与进度：第1周：自动控制基本概念及数学模型第2周：控制系统稳定性、快速性、准确性分析第3周：典型自动控制系统原理与实例第4周：自动控制实验设计及实践教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节组织，确保学生能够循序渐进地掌握自动控制相关知识。
《简单控制系统的设计作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术粤科版》
《简单控制系统的设计》作业设计方案一、课程背景及目标《简单控制系统的设计》是一门专业课程，旨在帮助学生掌握控制系统的基本原理和设计方法，培养学生的工程实践能力和创新思维。
通过本课程的进修，学生将能够掌握控制系统的基本观点、数学模型、稳定性分析、控制器设计等内容，为将来从事相关领域的工作做好基础准备。
二、作业设计内容本次作业设计旨在让学生通过实际操作，深入理解控制系统的设计过程，掌握控制系统的基本原理和方法。
具体内容如下：1. 选择一个简单的物理系统，如水箱液位控制系统、温度控制系统等，建立其数学模型；2. 进行系统的稳定性分析，包括判断系统的稳定性条件；3. 设计一个合适的控制器，使系统能够实现指定的性能指标，如快速响应、稳定性等；4. 应用Simulink等仿真软件对系统进行仿真，验证控制器设计的有效性；5. 撰写实验报告，总结控制系统设计的过程和结果。
三、作业设计步骤1. 确定物理系统：学生可以选择水箱液位控制系统作为案例，建立其数学模型；2. 稳定性分析：根据系统的数学模型，进行稳定性分析，判断系统的稳定性条件；3. 控制器设计：根据系统的性能指标，设计一个合适的控制器，如PID控制器；4. 系统仿真：应用Simulink等仿真软件，对系统进行仿真，验证控制器设计的有效性；5. 撰写实验报告：总结控制系统设计的过程和结果，分析实验中遇到的问题和解决方法。
四、作业评分标准1. 系统建模的准确性和完备性；2. 稳定性分析的逻辑性和正确性；3. 控制器设计的合理性和有效性；4. 系统仿真的准确性和可靠性；5. 实验报告的撰写规范性和内容丰富性。
五、作业提交要求1. 作业提交时间：XX年XX月XX日；2. 作业提交形式：电子版实验报告；3. 作业提交邮箱：*****************。
六、总结通过本次作业设计，学生将能够深入理解控制系统的设计过程，掌握控制系统的基本原理和方法，提高工程实践能力和创新思维。
《简单控制系统的设计》教案
《简单控制系统的设计》教案一、教学目标1. 让学生了解控制系统的基本概念和分类。
2. 使学生掌握简单控制系统的设计方法和步骤。
3. 培养学生运用控制系统理论知识解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 控制系统的基本概念和分类2. 简单控制系统的设计方法3. 控制系统设计实例三、教学方法1. 讲授法：讲解控制系统的基本概念、分类和设计方法。
2. 案例分析法：分析控制系统设计实例，让学生参与讨论。
3. 实践操作法：让学生动手设计简单的控制系统。
四、教学准备1. 教学PPT：包含控制系统的基本概念、分类、设计方法和实例。
2. 控制系统设计软件：如MATLAB、Simulink等。
3. 计算机和投影仪。
五、教学过程1. 引入：讲解控制系统在工程中的应用，激发学生的兴趣。
2. 讲解控制系统的基本概念和分类：介绍控制系统的定义、目标、类型和性能指标。
3. 讲解简单控制系统的设计方法：包括系统建模、控制器设计、系统仿真和优化。
4. 分析控制系统设计实例：以实际工程案例为例，讲解设计过程和方法。
5. 实践操作：让学生利用控制系统设计软件，动手设计一个简单的控制系统。
7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂问答：通过提问了解学生对控制系统基本概念和分类的掌握情况。
2. 练习题：评估学生对简单控制系统设计方法的掌握程度。
3. 小组讨论：观察学生在案例分析中的参与度和协作能力。
4. 设计报告：评估学生对控制系统设计实例的理解和应用能力。
七、教学拓展1. 控制系统在其他领域的应用：介绍控制系统在工业、农业、医疗等领域的应用实例。
2. 先进控制系统：讲解现代控制系统技术，如智能控制、自适应控制等。
3. 控制系统设计软件的使用：教授学生如何运用MATLAB、Simulink等软件进行控制系统设计。
八、教学反馈1. 课堂反馈：课后收集学生对课堂教学的反馈，了解教学效果。
2. 作业反馈：对学生的练习题进行批改，提供个性化的反馈意见。
简单控制系统设计
根据前面的讨论，图可以8标－出5各方框的作用方向。
图8－5 控制系统方框图
假设执行器也是正作用
假设执行器也是正作用，此时，来确定 控制器的作用方向。
如果h受到扰动而增加，则有：
扰动→h↑→Y↑→e↓
（5）比例积分微分
微分作用对于克服容量滞后有显著效果， 对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的 基础上增加微分作用能提高系统的稳定性，
如再加上积分作用消除余差，又有 ，TI ，
TD三个参数可调，因此可以使得系统获得较 高的控制质量，它适合容量滞后大、负荷变 化大、控制质量要求高的场合，如反应器、 聚合釜的温度控制。
比例控制作用于控制通道滞后较小、时 间常数不太大、扰动幅度较小、负荷变化不 大、控制质量要求不高、允许有余差的场合。 如储灌液位、塔釜液位的控制和不太重要的 蒸汽压力的控制等。
（3）比例积分控制
引入积分作用能够消除余差，因此比例积分 控制是使用最多、应用最广泛的控制规律，但是， 加入积分作用后要保持系统原有的稳定性，必须加 大比例度（削弱比例作用），导致控制质量有所下 降，如最大偏差和振荡周期相应增大，过渡时间加 长。
1、控制规律选择
控制规律主要根据过程特性和要求来选： （1）位式控制
常见的位式控制有双位和三位两种。一般 适用于滞后较小，负荷变化不大也不剧烈，控 制质量要求不高，允许被控变量在一定范围内 波动的场合。如恒温箱、电阻炉等的温度控制 等。
（2）比例控制
是最基本的控制规律，当负荷变化时， 克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程 时间短，但过渡过程结束时存在余差，且负 荷变化越大余差也越大。
过程控制工程3
4、复杂控制系统
负荷变化大，纯滞后大，采用PID达不到要求时采用。
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第三节 控制器的选型
五、控制器正、反作用的选择
原则：使整个单回路构成负反馈系统---乘积为负。
1、控制阀：气开式为“＋”，气关式为“-”； 2、控制器：正作用为“＋”，反作用为“-”；
3、被控对象：物料或能量增加时，被控参数随之增加为“＋”，
3.时间常数匹配对控制质量影响
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第二节 单回路控制系统方案设计
(四).选择控制参数的一般原则
1.控制量应具有可控性，工艺操作的合理性和经济性 2.控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一 些；纯滞后时间0越小越好，0与T0之比应小于1. 2.扰动通道的放大系数Kf应尽可能小；时间常数Tf要大；扰动引入 系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量滞后愈大， 愈有利于控制。 3.如果有N个干扰同时作用于控制系统,由于由检测元件处进入干 扰时被控制量的影响最严重,因此在选择时,应尽力使干扰远离 被控量而诹执行器近些。 4.如果广义对象由几个时间常数环节串联而成，选择控制量时应 尽可能避免几个T相等或相近的状况，越错开越好。
Kf Wf (s) Tf s 1
Ko Wo (s) To s 1
则在定值控制下输出对干扰的闭环传递函数为
Wf (s ) Y(s ) F( s ) 1 Wc (s )Wo (s ) K f (To s 1) ......... (To s 1)(Tf s 1) K c K o (Tf s 1)
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第二节 单回路控制系统方案设计
(五).实例讨论
例：喷雾式乳粉干燥设备的控制。
1.工艺流程：参见图 2.控制要求：干燥后的产品含水 量波动要小。 3.被控参数选择：干燥器里的 温度
简单控制系统的教学设计
简单控制系统的教学设计一、教学目标：1.理解什么是控制系统，掌握控制系统的基本原理和组成部分。
2.掌握控制系统的设计方法，能够根据实际情况设计简单控制系统。
3.培养学生的动手能力和解决问题的能力。
二、教学内容：1.控制系统的定义和基本原理。
2.控制系统的组成部分，包括传感器、执行器、控制器和控制对象。
3.控制系统的设计方法，包括开环控制和闭环控制。
三、教学过程：1.导入（10分钟）通过展示一个简单的控制系统实例引导学生思考什么是控制系统，并简要介绍控制系统的定义和基本原理。
2.理论讲解（30分钟）（1）控制系统的组成部分：传感器、执行器、控制器和控制对象。
分别介绍它们的作用和常见的类型。
（2）控制系统的设计方法：开环控制和闭环控制。
分别介绍它们的原理、特点和适用场景。
3.实例分析（30分钟）选择一个简单的实际问题，例如温度调节系统。
通过分析问题要求和系统的组成部分，引导学生思考如何设计一个控制系统来实现温度调节。
鼓励学生积极参与，提出自己的思路和解决方案。
4.设计实践（40分钟）组织学生分成小组，每个小组选择一个实际问题进行控制系统的设计。
鼓励学生自己动手搭建系统，并运行实验，观察系统的控制效果。
教师及助教在一旁指导和解答学生提出的问题。
5.总结（10分钟）学生小组之间进行互相展示，分享各自的设计思路和实验结果。
教师总结控制系统的设计方法和注意事项，再次强调控制系统的重要性和应用领域。
四、教学资源：1.课件：包括控制系统的定义、组成部分和设计方法的介绍。
2.实验设备：可提前准备一些基础的传感器、执行器和控制器，供学生使用。
3.实验材料：例如温度调节系统所需的温度传感器、加热器等。
4.辅助工具：例如计算器、螺丝刀等。
五、教学评价：1.实验报告：要求学生写出自己设计的控制系统的详细方案和实验结果。
2.分组展示：根据学生的展示内容、设计思路和实验结果进行评价。
3.课堂讨论：根据学生的问题和参与度进行评价。
《简单控制系统的设计作业设计方案-2023-2024学年高中通用技术粤科版》
《简单控制系统的设计》作业设计方案## 一、引言控制系统是摩登工程领域中的重要组成部分，其在自动化、机器人、航空航天等领域都有着广泛的应用。
本作业设计旨在通过设计一个简单的控制系统，让学生了解控制系统的基本原理和设计方法，培养学生的实践能力和创新认识。
## 二、作业目标1. 理解控制系统的基本观点和原理。
2. 掌握控制系统的设计方法和流程。
3. 培养学生的动手能力和解决问题的能力。
## 三、作业内容### 1. 系统设计学生需要设计一个简单的控制系统，可以选择以下其中一个项目：- 温度控制系统：通过传感器检测环境温度，并通过控制执行器（如风扇、加热器）来调节温度。
- 水位控制系统：通过传感器检测水位，并通过控制执行器（如水泵）来控制水位。
- 车辆避障系统：通过超声波传感器检测前方障碍物，并通过控制执行器（如电机）来避开障碍物。
### 2. 硬件搭建学生需要根据设计的系统，选购相应的传感器、执行器和控制器，并进行硬件搭建和毗连。
### 3. 程序编写学生需要编写控制系统的程序，包括数据采集、数据处理和控制执行器等部分。
### 4. 调试测试学生需要对设计的控制系统进行调试测试，验证系统的功能和稳定性，并对系统进行优化改进。
## 四、作业要求1. 作业需以小组形式完成，每组2-3人。
2. 需提交包括系统设计方案、硬件搭建图纸、程序代码和调试测试报告在内的完备文档。
3. 鼓励学生在设计中加入创新元素，提升系统性能和用户体验。
4. 作业评分将思量系统功能完备性、程序设计规范性、调试测试结果等因素。
## 五、参考资料1. 《控制系统工程导论》，朱自强，清华大学出版社。
2. 《控制工程基础》，王小川，高等教育出版社。
3. 相关网络资源和教学视频。
通过本作业设计，学生将深入了解控制系统的基本原理和设计方法，提升动手能力和解决问题的能力，为将来从事相关工程领域打下良好的基础。
洗衣机的简易控制电路设计
2008—2009学年第二学期《数字电子技术课程设计》设计报告专业班级电气07-1姓名学号开课系室电工电子学教学中心设计日期 2009年7月4日～7日洗衣机的简易控制电路设计一、设计任务及要求：洗衣机是家庭常用电器，一般可以有多种工作模式可供选择。
在此要求设计具有两种工作模式的简易洗衣机控制电路，具有复位、模式设置、洗衣时间预置、启动、暂停功能，并能显示洗衣机的工作状态（如洗涤时间倒计时，电动机的正反转、暂停）。
（一）具体要求：1、设置为复位开关S0，开关状态S0＝1时，对系统状态进行复位，计数器清零。
S0＝0时，进入模式选择。
2、设置模式选择开关S1。
开关状态S1＝0时，执行洗衣模式一，控制洗衣机的电机按照图1的规律循环运转；S1＝1执行洗衣模式二，控制洗衣机的电机按照图2规律循环运转。
图1 洗衣模式一图2 洗衣模式二3、洗衣时间预置键K1和K2。
当S1＝0，S2＝0时，预置模式一的洗衣时间；当S1＝1，S2＝0时，预置模式二的洗衣时间。
在时间预置功能下，按一下K1按键洗衣时间增加1分钟（一个洗衣循环），按一下K2按键洗衣时间减少1分钟（一个洗衣循环），预置时间范围为0－9分钟。
4、设置启动开关S2。
洗衣模式设定后，开关状态S2＝1时，按照设定的洗衣模式启动电机运转。
在洗衣过程中分别用3个LED灯来显示电动机的正转、翻转，间歇等状态。
5、设置暂停开关S3。
当开关状态S3＝1时，洗衣暂停，计数器状态、显示均保持，并点亮LED灯显示暂停状态。
S3＝0时正常运转。
（二）输入输出资源说明：1、输入信号：四个控制开关S0、S1、S2、S3（开关拨下时S ＝0，开关拨上时S ＝1），两个按键K1和K2（按下时K=1，松开时K=0）。
2、外部输入脉冲信号时钟源CP （10Hz ），经适当分频后供计数器使用。
3、输出3组显示译码信号（每组7个输出端），分别接到外部的三个七段数码管M1、M2，M3上（共阴极接法）。
可编程控制器应用实训形考任务六
可编程控制器应用实训形考任务六实训目的：掌握PLC在实际生产中的典型应用，并能够独立进行简单控制系统的系统设计，包括系统配置、输入/输出继电器地址分配、I/O接线图、流程图、控制程序的设计、编程和调试。
实训要求：选择社会生活或生产实践中某一种典型的PLC控制系统或产品，并在指导教师的指导下独立进行简单控制系统的系统设计。
实训内容：本文设计了一款自动饮料机，可售卖汽水和啤酒。
传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，但PLC具有可靠性高、编程简单、功能强、能耗低、调试方便等优点。
售货过程为：顾客按下商品选择开关，硬币经过光传感器感应和硬币识别传感器识别，数码管显示投入硬币的面值和剩余值，由两个电磁阀控制放入杯中的饮料品种的饮料出口。
控制要求包括记录已售出货品的总钱数和各种货品的数量，并将各种货品的数量显示在数码管上；实现投入硬币的总值等于或超过1.2元时，汽水按钮指示灯亮；等于或超过1.5元时，汽水和啤酒按钮指示灯亮；按汽水按钮，汽水排出7s后自动停止，同时汽水按钮指示灯闪烁7s；按啤酒按钮，啤酒排出7s后自动停止，同时啤酒按钮指示灯闪烁7s；若投入硬币的总值超过按钮所需钱数时，找钱指示灯亮，同时进行找钱动作。
设计内容：确定控制对象和控制范围，绘制工作时序图，选型PLC。
硬件部分的设计包括I/O配置、操作面板布置和接线图。
程序设计则包括流程图、梯形图、上机调试和完成指令表。
在系统配置中，需要进行输入/输出继电器地址的分配，其中I/O 口分配表如下：名称。
输入点编号名称。
输出点编号1角投币按钮。
X0.Y15角投币按钮。
X1.Y21元投币按钮。
X2.Y2汽水按钮。
X3.Y4啤酒按钮。
X4.Y4退币控制按钮。
X5.Y2自动售货机的硬件机构设计包括金额显示屏、选择商品按键、商品展示窗、投币口、退币口和取货口。
商品样品展示窗由透明有机板窗、样品展示架、商品价格标签、选购按钮和照明灯组成。
商品驱动机构可以采用“螺旋移动”等动作移到取货口。
过程控制第5章简单控制系统设计
3、干扰通道动态特性的影响
干扰通道传函：
W f (s)
Kf Tf s 1
e
f s
干扰通道时间常数 Tf ？ Tf越大越好，干扰对被控变量的影响越缓慢，越 有利于改善控制质量 干扰通道滞后时间τ
f
无纯滞后 有纯滞后
?
干扰通道的纯滞后τ f仅使干扰对被控变量的 影响推迟了时间τ f ，不会影响控制质量
5.1 简单控制系统的构成
PC 101
压力控制系统
压力控制系统流程图
被控变量：水泵出口压力。 控制变量：旁路流量。
5.1.2 控制系统的工程表示及方框图
工艺控制流程图： 管道、仪表流程图 在工艺设计 给出的流程 图上，按流 程顺序标注 出相应的测 量点、控制 点、控制系 统及自动信 号。
(1)图形符号
GP(S)
蒸 汽
fP
1 100S+1
1 100S+1
e-3S
e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1)
T1
乳化物干燥系统示意图
乳化物干燥系统被控对象对象方块图
fQ
fW 1 100S+1 e-3S e-2S (8.5S+1)(8.5S+1)(8.5S+1) T1
控制方案：
fQ
fP
1 100S+1
Y(S) Km TmS+1 Z(S) U(S) (TdS+1)
测量、变送装置与微分器连接示意图
U ( s) 若Td Tm时 : Km Y ( s)
但是，微分环节会放大测量、变送回路的高频噪声，使得系统稳定 性变差，因此，要合理使用。
2. 测量信号的处理
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
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简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
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简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
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简单控制系统示例
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一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
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设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
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六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
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二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
《简单控制系统的设计作业设计方案》
《简单控制系统的设计》作业设计方案一、作业目标：本次作业旨在让学生通过设计一个简单的控制系统，加深对控制系统原理和设计方法的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。
二、作业要求：1. 设计一个包含传感器、执行器和控制器的简单控制系统，实现对某一物理量的监测和控制。
2. 确定控制系统的输入和输出信号，设计传感器和执行器的接口电路。
3. 编写控制器的程序，实现对传感器采集数据的处理和对执行器的控制。
4. 调试控制系统，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告，详细记录设计过程、实验结果和分析结论。
三、作业步骤：1. 确定控制系统的功能和结构：起首确定控制系统要监测和控制的物理量，例如温度、湿度等，然后确定控制系统的结构，包括传感器、执行器和控制器的选择和毗连方式。
2. 设计传感器和执行器的接口电路：根据控制系统的需求，设计传感器和执行器的接口电路，确保信号的稳定和可靠传输。
3. 编写控制器的程序：根据传感器采集的数据和控制系统的逻辑干系，编写控制器的程序，实现对执行器的控制。
4. 调试控制系统：毗连各个部件，进行控制系统的调试，验证设计的正确性和稳定性。
5. 撰写实验报告：详细记录设计过程、实验结果和分析结论，总结经验和教训，提出改进建议。
四、作业评分标准：1. 设计的控制系统功能完备，结构合理，实现对物理量的准确监测和控制。
2. 传感器和执行器的接口电路设计合理，信号传输稳定可靠。
3. 控制器程序编写规范，逻辑清晰，实现对传感器数据的有效处理和对执行器的精确控制。
4. 调试过程详细，结果准确，实验报告内容完备、结构清晰、表达流畅。
5. 学生在实验过程中表现积极主动，动手能力强，创新认识突出。
五、参考资料：1. 《控制系统工程导论》，刘宗林，机械工业出版社，2018年。
2. 《自动控制原理与设计》，张三，电子工业出版社，2019年。
3. 《控制系统设计与实践》，李四，清华大学出版社，2020年。
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6.1简单控制系统的结构与组成 指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一 个对象所构成的单闭环控制系统。
控制系统工艺流程图
LT
LC
载热介质
冷物料
热交换器
TC TT 热物料
第1位字母表示被控参数 后续字母表示仪表功能
TC 仪表符号标准
206 后续数字表示仪表序号 第1位数字表示工段号
如图将苯—甲苯混合液 进行分离。
苯—甲苯
苯 甲苯
苯—甲苯
该精馏塔的工艺要 求是要使塔顶（或塔底） 馏出物达到规定的纯度。 按照被控变量的选择原则1， 塔顶（或塔底）馏出物的 苯 组分应作为被控变量。
但是，没有合适的仪 表在线检测馏出物的纯度， 则不能直接作为被控变量。
甲苯
苯—甲苯
只好在与馏出物的纯
LT
LC
h
例2 换热器出口温度控制系统
工艺要求出口温度为定值。那么设计的控制系统就应 以出口温度为被控变量。
载热介质
冷物料
热交换器
TC TT 热物料
2、当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与 直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。
例3 化工的精馏物纯度 控制系统
精馏工艺是利用被分离 物中各组分的挥发温度不同， 将各组分分离。
其中控制方案设计是控制系统设计的核心。
3. 过程控制系统设计的步骤 1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求 2）建立被控过程的数学模型 3）确定控制方案
包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制 系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证
6.2.2被控参数与控制变量的选择 6.2.2.1被控参数的选择
ex
()
1
1 K0Kc
;ef
()
Kf 1 K0Kc
❖ K0越大，控制作用越强，稳态误差越小；
❖ K0越大，被调参数对控制作用的反应越灵敏，系统的闭
环稳定性越低。
❖ Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。
故应选放大系数大的变量作为控制变量。
2．过程（通道）动态特性对控制品质的影响 1）干扰通道动态特性对控制品质的影响
在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影 响显著且便于控制的变量，作为控制变量；
其它未被选中的因素则视为系统的干扰。
影响变量
被控变量
对象特性对控制品质影响的分析： 1．过程（通道）静态特性对控制品质的影响 如图所示为单回路控制系统的等效框图。
X(s)
＋－
Gc(s)
Go(s)
F(s) Gf(s)
3、被控变量必须有足够大的灵敏度
被控变量必须灵敏，容易被测量。
4、选择被控变量时，必须考虑工艺合理性
上例中，选择塔内温度作被控变量，就是考虑了工艺 上，塔内压力是最佳分离效率控制系统的被控变量。
上例中，若塔顶、塔底的产品纯度都分别设置温控系 统，会相互干扰，存在关联。因此，若采用简单控制系统， 只能设置一个温控系统，保证塔顶或塔底一端的产品质量。
＋ ＋
Go
(s)
Ko Tos 1
Y(s) Gc (s) Kc
G
f
(s)
K Tf s
f
1
Gc(s) —控制器的传递函数； Go(s) —广义控制通道（包括执行器和变送器）的传递函数； Gf(s) —扰动通道的传递函数。
被控参数y(t)受到设定信号x(t)和干扰信号f(t)的共
同影响：
干扰通道
Y (s) G0 (s)Gc (s) X(s) Gf (s) F (s)
6.2.2.2控制变量选择
把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的 变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的 流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。
TT
LC
h
控制变量的确定
被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影 响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是 不可控的。
Yf
(s)
1
Gf (s) Gc (s)Go
1 G0 (s)Gc (s)
1 G0 (s)Gc (s)
控制通道
X(s)
＋－
Gc(s)
F(s)
Gf(s)
＋
Go(s) ＋
Y(s)
将 Y (s) G0 (s)Gc (s) X(s)
Gf s)Gc (s)
1 G0 (s)Gc (s)
代入系统偏差公式中：
E(s) X(s) Y (s)
被控变量—生产过程中希望借助自动控制保持恒定值 （或按一定规律变化）的变量。
合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操 作、保证质量、保证安全等目的。
被控变量的选择依据： 1、根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作 为被控变量
例1 储槽液位控制系统
工艺要求储槽液位稳定。那么设计的控制系统就应以 储槽液位为被控变量。
度有单值关系的工艺参数中，
找出合适的变量作为被控变
量，进行间接参数控制。
苯
经工艺分析发现，塔
内压力和塔内温度都对馏出
物纯度有影响。需要对二者
进行比较试验，选出一个合
适的变量。
甲苯
间接控制参数的确定
经试验得出，塔顶馏出物苯的浓度分别与压力和温度 有单值对应关系。（塔底馏出物甲苯也一样）从工艺合理性 考虑，选择温度作为被控变量。
K
To s Kc
o
1
Ex (s) =
1 X (s) =
1 + Gc (s)Go ( s)
To s + 1 (To s + 1) + K o K c
X (s)
E
f
(
s)
=
-
1
+
Gf Gc (
(s) s)Go
(s)
F
(s)
=
-
K f (To s + 1)
F(s)
(Tos + 1)(Tf s + 1) + Ko Kc (Tf s + 1)
控制系统原理方框图
给定值
控制器 ＋－
操作量
执行器
干扰 被控变量
对象
测量变送器
fi
x
u
y
Gc(s)
Gv(s)
Go(s)
Gm(s)
6.2简单控制系统设计 1. 过程控制系统方案设计的基本要求
生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、 稳定性和经济性三个方面。 2. 过程控制系统设计的主要内容
过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设 计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。
E(s)
=
1
+
Gc
1 ( s )G o
(s)
X
(s)1
+
Gf (s) Gc (s)Go
(s)
F
(s)
=
Ex
(s)
+
Ef
(s)
可见，控制通道偏差和干扰通道偏差的传函分母
是一样的。将GGoc((ss)、) Gc ( s )
Go(s)K代o入：
To s Kc
1
G
o
(
Gf (s)
Kf
Gc (
s s
) )