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第三節(jié) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
高一—粵教版—通用技術(shù)—必修二第四章
學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)
1.技術(shù)意識(shí)：能夠結(jié)合具體案例進(jìn)行分析，養(yǎng)成撰寫簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的意識(shí)和能力。
2.工程思維：通過風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例的分析，理解簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程，領(lǐng)悟控制思想和方法在具體技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)中的運(yùn)用。
3.創(chuàng)新設(shè)計(jì)：能根據(jù)案例情境要求和現(xiàn)有條件限制，提出一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行簡(jiǎn)單的技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)。
一、課堂知識(shí)回顧
請(qǐng)同學(xué)們畫出從飲水機(jī)取熱水的控制系統(tǒng)框圖。
給定量
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
控制量
被控量
比較器
反饋環(huán)節(jié)
+
-
給定熱水水位
大 腦
雙 手
熱水開關(guān)
控制熱水開關(guān)時(shí)間
出熱水水位
比較器
眼 睛
-
+
盲人由于眼睛看不見，取熱水時(shí)，可能會(huì)被溢出的熱水燙傷手。請(qǐng)同學(xué)們提出一個(gè)方案幫他們解決這個(gè)問題。
工作原理：
（1）用內(nèi)杯裝水直至裝滿，產(chǎn)生重力壓縮彈簧，接通蜂鳴器電路。
（2）聲響即水滿，停止接水，取出內(nèi)杯，聲響便停止。
開 始
確定控制目的
確定被控量
明確系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)
確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
建立系統(tǒng)模型
確定待調(diào)參數(shù)
測(cè)試系統(tǒng)性能
是否滿足要求
結(jié) 束
重新調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指標(biāo)參數(shù)等
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要達(dá)到理想效果，必須遵循一定的方法和步驟。
我們以楊同學(xué)制訂的風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案作為示范案例，一起來學(xué)習(xí)。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
第一步，確定控制目的。
風(fēng)扇控制系統(tǒng)的目的：扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
控制的目的也可以理解為控制的作用。
設(shè)計(jì)者班級(jí) 設(shè)計(jì)者姓名
控制系統(tǒng)名稱 控制的目的 學(xué)校名稱
廣州市×××區(qū)×××學(xué)校
楊××
風(fēng)扇控制系統(tǒng)
扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度
一 2
高 （ ）班
第二步，確定系統(tǒng)的被控量。
風(fēng)扇系統(tǒng)的被控量：扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
即控制系統(tǒng)要控制什么，所以在明確控制目的的同時(shí)，要認(rèn)真分析為達(dá)到控制目的我們實(shí)際需要控制什么量，這就是被控量的確定。一般情況下，系統(tǒng)的控制目的就是系統(tǒng)的被控量，但是也有一些是例外的。
控制系統(tǒng)的 被控量 是否與控制目的相同 是 否
√
扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度
第三步，明確系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。
風(fēng)扇系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)：控制精度要求不高，我們選擇手動(dòng)控制，成本較低。
如控制的精度要求、控制的適應(yīng)性要求（涉及是自動(dòng)控制、手動(dòng)控制或者智能控制）、系統(tǒng)的造價(jià)等等。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
控制系統(tǒng)各項(xiàng) 指標(biāo) 控制精度 系統(tǒng)成本
手動(dòng)控制 自動(dòng)控制 智能控制 √
系統(tǒng)控制精度要求不高
系統(tǒng)成本低
第四步，確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
風(fēng)扇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：控制器：控制電路，執(zhí)行器：馬達(dá)，控制量：馬達(dá)轉(zhuǎn)速，被控對(duì)象：風(fēng)扇扇葉,采用開環(huán)控制。
給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
控制電路
馬 達(dá)
風(fēng)扇扇葉
馬達(dá)轉(zhuǎn)速
扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
1.確定控制器、執(zhí)行器、控制量、被控對(duì)象、反饋環(huán)節(jié)。
2.根據(jù)需要選擇開環(huán)控制或者閉環(huán)控制。
控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 控制器 執(zhí)行器 控制量 被控對(duì)象 反饋環(huán)節(jié)
開環(huán)控制 閉環(huán)控制 控 制 系 統(tǒng) 框 圖 控制電路
馬 達(dá)
馬達(dá)轉(zhuǎn)速
風(fēng)扇扇葉
√
給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
控制電路
馬 達(dá)
風(fēng)扇扇葉
馬達(dá)轉(zhuǎn)速
扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度
第四步，確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
第五步，建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型。
模擬建立風(fēng)扇系統(tǒng)的模型需要用到的元器件：電源、電路主控板、檔位開關(guān)、扇葉、馬達(dá)、導(dǎo)線。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
大型、復(fù)雜的控制系統(tǒng)分析和仿真都依賴于模型的建立，對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)可直接通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能。
建立控制系統(tǒng)模型 序號(hào) 1 2 3 4 5 6
元器件
實(shí)驗(yàn)器件
單價(jià)/元
數(shù)量
序號(hào) 7 8 實(shí)驗(yàn)增加器材 元器件 名稱 數(shù)量 單價(jià)（元） 目的 實(shí)驗(yàn)器件 單價(jià)/元 數(shù)量 電源
電路主控板
檔位開關(guān)
扇 葉
馬 達(dá)
導(dǎo) 線
LCD顯示屏
顯示測(cè)試數(shù)據(jù)
充電寶
電子控制模塊
觸控按鈕
電機(jī)帶扇葉模塊
杜邦線
1
3
1
1
1
1
25
20
8
2
10
10
第五步，建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模型。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
第六步，確定待調(diào)參數(shù)
風(fēng)扇控制系統(tǒng)的待調(diào)參數(shù)：各檔位對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
找出最能影響系統(tǒng)性能的一些參數(shù)作為仿真或?qū)嶒?yàn)時(shí)的觀察調(diào)整對(duì)象，通過對(duì)它們的調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能。
確定待調(diào) 參數(shù)
各檔位對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
第七步，測(cè)試系統(tǒng)的性能。
1.確定風(fēng)扇控制系統(tǒng)的期望性能：當(dāng)檔位為0時(shí)，風(fēng)扇扇葉停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)檔位是1、2、3時(shí)，風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，并且隨著檔位數(shù)字的增加扇葉的轉(zhuǎn)速增加。
通過調(diào)節(jié)待調(diào)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到了期望的性能，設(shè)計(jì)工作結(jié)束；否則，就要修改設(shè)計(jì)，包括改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)甚至放寬指標(biāo)要求等。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
第七步，測(cè)試系統(tǒng)的性能。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
2.調(diào)節(jié)待調(diào)參數(shù)，風(fēng)扇控制系統(tǒng)待調(diào)參數(shù)是各檔位對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度。因此要根據(jù)期望值調(diào)整和確定每個(gè)檔位扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
比如：通過電子控制模塊的調(diào)整，當(dāng)檔位為0時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0%；檔位為1時(shí)扇葉轉(zhuǎn)速為40%左右；檔位為2時(shí)，扇葉轉(zhuǎn)速為75%左右；檔位為3時(shí)，扇葉轉(zhuǎn)速為100%。
3.啟動(dòng)裝置，測(cè)試是否達(dá)到期望性能。
第七步，測(cè)試系統(tǒng)的性能。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
測(cè)試系統(tǒng) 的性能 期望值 是否達(dá)到期望值 （打√選擇） 是 否
當(dāng)檔位為0時(shí)，風(fēng)扇扇葉停止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)檔位是1、2、3時(shí)，風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，并且隨著檔位數(shù)的增加風(fēng)扇扇葉的轉(zhuǎn)速增加。
√
第七步，測(cè)試系統(tǒng)的性能。
二、控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 概 論
三、課堂練習(xí)
制訂輔助盲人取水杯的水位提醒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
四、課堂練習(xí)
課堂小結(jié)
課
后
實(shí)
踐
水塔是一種常見的儲(chǔ)存水的裝置，如右圖所示，當(dāng)水位到達(dá)下止點(diǎn)的時(shí)候，啟動(dòng)抽水裝置，往水塔里面加水；當(dāng)水位到達(dá)上止點(diǎn)的時(shí)候停止抽水裝置，保持水塔里面的水量，以便在停水的時(shí)候使用。
任務(wù):
請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)水塔原理，完成水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
水塔
上止點(diǎn)
下止點(diǎn)
溢水口
出水口
抽水裝置

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