4.4控制系统的设计与实施

设定电吹风的档位 （输入）
电机、风扇、 电热丝
风的速度和温度 （输出）
被控对象——电吹风； 被控量——风的速度和温度； 控制量——电机的电压； 干扰因素——房间温度、电源电压的波动；
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：
抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
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？
二，控制系统的设计实施案例
升旗简易控制装置的设计
控制系统的设计与实施案例
案例分析：自动升旗简易控制装置的设计
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。
第四单元 控制与设计
第四节 控制系统的设计与实施
1、控制系统设计的一般思路 2、控制系统的设计与实施的案例
学习目标
1.了解简单的被控对象的基本特性，能确定被 控量、控制量，画出控制系统的方框图，并 形成初步的控制系统设计的方案。 2.能根据开环控制系统的设计方法，制作一个 控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案 进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
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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。
闭环控制系统的设计
闭环控制系统的基本要求： 1，闭环控制系统必须是稳定的； 2，系统的输出量与给定值之差应控制在 允许的范围之内； 3，要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
练习：
1.设计并制作水车控制装置的模型。利用 流动的水冲击水车，以控制不同的机械装 置而产生动作
晾衣控制装置
2.设计并制作可伸缩晾衣控制装置。利用手 摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室 外，下雨时它整体收回室内。
画出“自行车——发电——电视机”这 一过程的方框图 分析其中的技术和原理
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。
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。
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实施控制系统所需 的设备、元件等
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。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；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；被控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又明显作用的 量；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。总之，能达到控制的目的， 采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少多环境的负 面影响等，是我们控制系统设计必须考虑的基本问题。 控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控 制电路设计或控制结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书 等。
方案D：
采用CD唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、 滑轮等元器件和设备。 测得国歌播放的时间和旗杆的长度，预估电动机的 转速。并选择适当的滑轮的直径。 从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发电 路）、直流电源和电动机串联在电路中。 初始状态使国旗在旗杆的底端。在国歌播放的同时 启动机械定时器，电动机开始转动，并带动滑轮运 动，使国旗匀速上升。当定时器计时停止时，断开 电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆 顶。如果升旗的速度与国旗的播放时间存在误差， 则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。 在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于 在出现故障时能升降旗帜。 这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频 信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
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பைடு நூலகம்器
CD唱机
方案A：
采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元器件实 现。其中，机械定时器相当于电动机的开关。 测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间 并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速， 选择滑轮的直径。 将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。 初始状态使国旗在旗杆的底端。在国歌播放的同时启动机械 定时器，电动机开始转动，并带动滑轮运动，使国旗匀速上 升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此 时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗的速度与国旗的播放时 间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。 为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中 并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关 直接控制电动机的转动与停止。 机械定时器靠手动旋转旋钮实现定时，定时器的精确度略低， 但只要细心操作是可以满足要求的。
方案B： 采用成品的电子定时器、直流电动机、直流 电源、滑轮等元器件实现。 用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参 照方案A。 电子定时器比机械定时器的定时精确度高， 所以对操作者的要求相对低一些。
方案C：
采用自制的定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑 轮等元器件实现。 测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并 预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选 择滑轮的直径。 将自制的电子定时器、直流电源和带有可调速电路的电动机串 联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室 现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制 作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停 止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。 在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升 降旗帜。 初始状态使国旗在旗杆的底端。在国歌播放的同时启动机械定 时器，电动机开始转动，并带动滑轮运动，使国旗匀速上升。 当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗 应该正好升至杆顶。如果升旗的速度与国旗的播放时间存在误 差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
开环控制系统的设计
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。例如，普通电风扇控制系统的设 计，被控对象是电风扇，被控量是电风 扇输出的风速，控制量是电机的转速； 如果是具有定时功能的电风扇控制系统 的设计，则只需在开关环节加一个定时 器就可以了。
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 小电风扇扩散出去。 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。
1，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——电风扇； 被控量——电风扇输出的风速； 控制量——电机的转速；
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： 电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置， 被控量是风的速度和温度，控制量是电机的电压， 干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。
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： 波动冲水旋钮，使出水阀打开， 水箱冲水。与此同时，进水阀打 开，水箱进水，知道指定水位时， 进水阀关闭。
• 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。 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。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
系统要达到的目标？ 控制的对象？ 被控对象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干扰因素？ 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？ 设备和元件？
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
控制系统的 方案选择
控制系统的调试、 运行和评价
控制系统的 设计
分析主要的 干扰因素
系统的成本分析
一，控制系统设计的一般思路
要设计好一个控制系统，应该明确这个系统 要达到的目的是什么，所要控制的对象是什么， 被控对象有哪些重要的特性，被控量和控制量分 别是什么，外界的主要干扰因素有哪些，选择怎 样的设计方案即能达到目的，又经济、易于实现， 如何选择设备和元件，等等。
一，控制系统设计的一般思路
设计要求： 当水箱中的水位低于某一指定高度时，进水口立 即进水。 当水箱的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 的要求。
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。