資源簡介

(共18張PPT)
5.3閉環電子控制系統的設計和應用（2~3課時）
任務一 設計浴室熱水溫度自動控制系統
任務二 改進浴室熱水溫度自動控制系統
學習目標
1.能應用功能電路設計閉環電子控制系統，并進行安裝、調試和改進。
2.通過對簡單閉環電子控制系統的設計和應用，體驗較為復雜的電子控制系統的構成和各部分的工作過程。
走進情境
學校正進行燃煤鍋爐“煤改電”工程，孫軍同學提議∶為學校浴室設計熱水溫度自動控制器。于是大家通過上網、翻閱圖書資料、走訪同學，總結出所在地區人體適宜的洗浴熱水溫度為37℃～40℃之間。接下來，需要設計一個熱水溫度自動控制系統，使同學們洗浴時的水溫控制在上述溫度范圍內。
任務一 設計浴室熱水溫度自動控制系統
溫度自動電子控制系統屬于閉環電子控制系統。閉環電子控制系統也稱反饋電子控制系統。在閉環電子控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差，從而實現自動控制。電冰箱、空調、恒溫箱、智能洗衣機、水位監控設備等大都采用閉環電子控制系統。
案例分析：單一溫度熱水自動控制系統
設計要求∶
1.設計一個電熱供水的浴室熱水溫度自動控制系統。
2.要求溫度控制在某一溫度值（37℃~40℃范圍內）。
設計分析∶
1.根據設計要求，確定溫度是被控量。
2.由于對水的溫度控制嚴格地規定了某一溫度值，所以必須使用閉環電子控制系統。通過對被控量的檢測和反饋，以實現較高精度的溫度控制。
3.按照閉環電子控制系統的方框圖，確定預置溫度值，選擇控制（處理）電路的元器件、輸出部件和檢測溫度的傳感器，通過查找資料將各部分用接口電路連接起來，組成一個閉環電子溫度控制系統。
4.分析系統受到的干擾因素，并考慮減少干擾影響的措施。
浴室熱水溫度控制器方框圖
設計電路圖
工作過程
當溫度低于預設溫度時，輸出電壓為高電平，VD點亮，晶體三極管VT導通，繼電器觸點J-1吸合，電熱器通電，對水加熱當溫度超過預設溫度時，輸出電壓為低電平，VD點亮，晶體三極管VT截止，繼電器釋放，觸點J-1斷開，電熱器停止加熱。
設定工作狀態
（1）將R-放入盛水的燒杯中，并插入溫度計，加入熱水使水溫達到40℃。
（2）調節R4，使電壓U=U，此時，VD、VD均不發光。
任務二 改進浴室熱水溫度自動控制系統
任務一設計的熱水溫度自動控制系統由于只對單一溫度進行溫度控制，所以繼電器觸點開閉頻繁，溫度控制受到較大干擾，繼電器容易損壞，需要改進。
案例分析：熱水溫度自動控制系統
設計要求∶
1.設計一個電熱供水的浴室熱水溫度自動控制系統。
2.要求溫度控制在37℃～40℃范圍內。
設計分析∶
1.根據設計要求，確定溫度是被控量，水是被控對象。
2.由于對水的溫度控制嚴格地規定了溫度允許變化的范圍，所以必須使用閉環電子控制系統。將上限溫度和下限溫度作為被控量，對被控量進行檢測和反饋，由于溫度控制范圍高于常溫，當反饋的溫度低于下限溫度時，開始加熱；當反饋的溫度達到上限溫度時，停止加熱。這樣循環工作，從而實現一定范圍內的溫度控制。
3.按照閉環電子控制系統的方框圖，確定預置溫度范圍，選擇控制（處理）電路的元器件、輸出部件和檢測溫度的傳感器，通過查找資料將各部分用接口電路連接起來，組成一個閉環電子溫度控制系統。
4.分析本系統受到的干擾因素，并考慮減少干擾影響的措施。
設計方案A電路圖（應用NE555集成電路）
調試
（1）把熱敏電阻RT1放入盛有37℃水的燒杯中，調節可變電阻RP1和RP2，點亮VD1，繼電器觸點J-1閉合，電熱器開始加熱。
（2）當溫度上升至40℃時，把熱敏電阻RT2放入燒杯中，調節可變電阻RP2，點亮VD2，繼電器J-1斷開，電熱器停止加熱。
設計方案B電路圖（應用JN6201集成電路）
設計方案B電路板圖
工作過程（討論系統的干擾因素）
（1）預先設置上限溫度t上（40℃）、下限溫度t下（37℃），確定水的溫度控制范圍（37℃～40℃），并將上限溫度t上和下限溫度t下作為控制（處理）器的觸發信號。
（2）把由上、下限電阻RT2和RT1組成的溫度傳感器放置在水中，用于檢測被控量溫度，并將檢測到的溫度變化隨時反饋至比較器。
（3）比較器將反饋的水溫和預置的上、下限溫度進行比較。
當反饋的溫度低于下限溫度時，控制（處理）器受到觸發后發出接通電加熱器電路的指令，指令信號經接口電路推動電磁繼電器動作，閉合電加熱器電路，電加熱器對水加溫。
當反饋的溫度達到上限溫度時，控制（處理）器受到觸發后立即發出斷開電加熱器電路的指令，電磁繼電器斷開電加熱器電路。
當電加熱器停止加熱后，水溫會逐漸下降，當下降至下限溫度時，通過反饋和比較后控制（處理）器又發出指令，繼電器接通電加熱器電路，電加熱器對水重新加熱，溫度又開始回升，直至達到上限溫度。
這樣循環工作，水溫便控制在一個預置的溫度范圍內。
設計和安裝閉環電子控制系統的一般步驟總結
（1）按照設計要求，確定被控量和被控對象。
（2）如果對控制量控制的精確度要求較高，應利用有反饋的閉環電子控制系統對被控量實施控制。
（3）根據閉環電子控制系統的方框圖，選擇控制（處理）部分的電子電路、輸出部分的執行器、檢測部分中的傳感器，并參照有關資料，通過接口電路將各個部分緊密地連接成一個完整的控制系統。
（4）按照電路圖安裝電路。
（5）將系統各部分進行整體安裝和調試。在調試過程中，輸入預置控制量，根據被控量的變化進行監控。認真分析干擾因素對被控量的干擾，并通過調整預置控制量等各種方法把干擾的影響減至最低。
（6）通過制作、試驗，發現設計存在的問題，對方案進行改進或優化。

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