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控制系統的設計與實施
一、 控制系統設計的一般思路
系統要達到的目標？
控制的對象？
被控對象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干擾因素？
怎樣的方案既達到目的、又經濟、易于實現？
如何選擇設備和元件？
控制系統的設計
實施控制系統所需的設備、元件等
系統的成本分析
控制系統調試、運行和評價
控制系統的方案選擇
分析被控對象的主要特征
明確控制的目的
確定被控量、控制量
分析主要的干擾因素
。。。 。。。
1、設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。
2、在控制系統設計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式(暗箱方法)；
3、一個控制系統中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統影響最大的干擾因素；
4、被控量與控制量的確定是控制方案的關鍵，對于簡單控制系統，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統穩定又明顯作用的量；
5、執行器、檢測器的選擇：一是要根據被控量和控制量的需求，二是要根據控制的條件進行。
一、 控制系統設計的一般思路
1、設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環
控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可
行性而定。
一、 控制系統設計的一般思路
開環控制系統的設計相對比較簡單，在明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統的方案。
開環控制系統的設計
例：普通電風扇控制系統的設計
被控對象——
被控量——
控制量——
電風扇
電風扇輸出的風速
電機的轉速
案例分析：電吹風控制系統的設計
設計要求：
電吹風能根據不同的檔位（如冷風檔、熱風檔）輸出不同種類的風。
設計分析：
被控對象：
被控量：
控制量：
干擾因素：
是電吹風裝置，
是風的速度和溫度，
是電機的電壓，
是房間溫度、電源電壓的波動等。
方案構思：
選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。
確定了電吹風控制系統的設計方案后，畫出必要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調試。
電吹風的控制工作過程：
電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。
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閉環控制系統的設計
不同的閉環控制系統用于實現不同的控制目的，要求往往也不一樣。對于簡單的閉環控制系統，有以下基本要求：
1、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
當干擾因素出現時，輸出量發生偏離，系統通過動態調整使被控量回到平衡狀態，系統的這種調整過程有可能使系統產生振蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨勢，能很快穩定下來，還屬于穩定系統，否則就是不穩定系統。
2、控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內。
3、閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。
案例分析
設計要求：
當水箱水位低于某一指定高度時，進水口立即進水。
當水箱水位達到某一指定高度時，進水口停止進水。
控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別要求。
抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
設計分析：
從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（進進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線形關系
主要干擾因素是水箱的出水流量。
方案構思：
采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低于水箱的某個高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際水位高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關閉。
水箱水位控制過程：
波動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，知道指定水位時，進水閥關閉。
抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
討論
在上述案例中，如果要節約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設計哪幾種方案？
水箱一次的沖水量實際上是隨水箱的橫截面積和水位設定高度而變化的，即：沖水量=水箱橫截面積×設定高度。
因此，要減少每次沖水量，應該從減少水箱橫截面積和設定高度入手。具體方案可以有：
（1）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關閉進水閥。
（4）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。
（3）控制出水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關閉出水閥。這相當于改變設定高度。
（2）在水箱中放入比水重的物體，起到減小水箱平均截面積的作用（減少水箱的實際蓄水量）
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二、 控制系統的設計與實施案例
升旗簡易控制裝置的設計
案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設計
設計要求：
在國歌播放的時間內，控制國旗運輸上升到旗桿的頂端。
選擇適當的控制方案實現控制；
選用成本低，易于獲取的元件、設備和材料的模型。
控制系統的設計與實施案例
陳劍負責學校每周兩次的升旗儀式。在學完《技術與設計2》模塊后，他決定利用所學知識設計一套能實現自動升旗的簡易控制裝置的模型。
設計分析：
采用開環控制系統，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動與停止（或速度）。
這一開環控制系統由計時裝置和控制升旗的裝置共同完成。
計時裝置和控制升旗裝置的實現可以有多種方案。例如，采用機械定時器和電動機實現；采用成品電子定時器和電動機實現，采用自制電子定時器和帶有可調速電路的電動機實現；采用音頻信號、觸發電路和電動機實現。
采用任何一種方案實現控制，都要經過若干次調試，直到符合設計要求為止。
設計準備：
機械定時器（或電子定時器、自制的電子定時器、CD唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機調速器，直流電源等。
機械定時器
555定時器
CD唱機
思考：
陳劍同學提出的四種方案各有什么特點？你認為哪種方案最容易實現？
各方案的特點：
方案A：
在控制上采用機械裝置，對電子知識要求不高，但升旗和唱國歌的啟動需要人工同步，定時裝置的精度不高，容易產生不協調現象。
方案B:
此方案同樣有啟動不容易同步的問題，但定時器的精度較高。
方案C：
可以增加學生的知識面，但需要補充電子線路的知識，比較費時，課時難以保證。
方案D:
升旗和唱國歌同步啟動，由于CD唱機比較普遍，器材準備較其他方案容易。
因此，方案D實現比較容易。
其實，對升旗來說，可以采用人工控制。由升旗手觀察國旗位置和唱國歌的快慢，經判斷后來調整升旗速度以保證唱國歌結束時國旗到頂。
綜合實踐
畫出“自行車——發電——電視機”這一過程的方框圖，分析其中的技術和原理。
自行車輪
摩擦輪
傳動機構
發電機
蓄能穩壓裝置
電視機
腳踏運動
該套裝置中，綜合運動了機械能轉化為電能及穩壓等技術原理，運用了蓄能、系統、穩壓和控制等多種技術。

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