資源簡介

(共16張PPT)
2023
第三節：簡單控制系統的設計
學習目標
技術意識：結合生活中的技術情境，收集生活中的技術案例并加以分析,形成正確的技術觀。
工程思維：通過所設計制作的控制項目進行控制系統方案的分析，理解其工作原理和特性，總結出控制系統的設計方法。
圖樣表達：能正確閱讀所設計的項目電路圖、元件圖，并形成良好的設計習慣。
創新設計：能根據設計的需求，面對技術情境，明確要解決的技術問題，并根據現有條件制訂解決技術問題的方案，形成一定的設計能力。
物化能力：能根據設計要求搭建一 個控制系統裝置，了解所用元件材料的性能，掌握基本工具的使用方法，能對所搭建的系統進行運行調試和綜合評價。
思考：觀察生活，能否設計/改善一個簡單的控制系統。
一、控制系統概論
控制系統設計的基本流程如下
第一步，確定控制的目的。如速度控制是為了達到一定的速度；溫度控制是為了獲得一個合適的溫度等。
第二步，確定系統的被控量。被控量就是為了達到控制目的，我們實際需要控制的量。一般情況下，系統的控制目的就是系統的被控量。如速度控制系統的被控量是速度；溫度控制系統的被控量是溫度。但有時控制目的和被控量也不是同一對象，如為了控制化學反應的速度，我們通過控制化學反應的溫度來實現；為了避免高速公路的交通事故，我們通過控制車速來實現。
第三步，明確被控量應達到的精度指標。如速度、溫度的精度指標等。
第四步，選定控制系統的結構。根據控制系統的各項指標（控制精度、造價等），確定控制的類型同時根據被控對象確定執行器。
給定值
控制器
執行器
被控對象
控制量
被控量
給定值
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
控制量
比較器
被控量
第五步，建立控制系統的各個環節。大型或復雜的控制系統要通過建立模型來分析。因此要建立控制器、被控對象、執行機構和反饋環節模型。
第六步，確定待調參數。找出能影響系統性能的一些參數作為調整對象，通過對他們的調整，使系統達到最佳性能
第七步，分析、測試控制系統的性能。若性能不能滿足設計規范要求，就要重新確定系統結構、部件性能等指標。若滿足規范要求，設計工作就可以結束。
控制系統的基本流程
開始
確定控制的目的
確定被控量
給定控制要求
確定系統結構
建立系統模型
確定待調參數
測試系統性能
是否滿足要求
結束
重新調整系統結構、指標參數等
否
是
二、設計實例：led數碼顯示器的設計
LED數碼管是由8個發光二級管封裝在一起組成8字形的器件，其中7個發光二極管組成“8”字形的每一段，1個發光二極管組成一個小數點。這8個發光二極管的組成如下圖所示，各段分別用字母A、B、C、D、E、F、GDP來表示。
1.明確設計的目的
一個使用的LED數碼顯示器通常由多位數碼管組成。但設計只用到一個數碼管，通過適當的設計，完成0-9的顯示。
2.確定被控量及設計指標
我們采用LED作為發光原件，顯示的數字是以光的形式顯現，所以該設計的被控量就是LED數碼管各段的亮度，且只有亮、滅兩種狀態
3.確定系統結構
通過上述步驟，我們就可以根據具體的要求來確定控制系統的結構。怎樣控制LED數管8個段的亮、滅是該設計的關鍵。控制系統有開環和閉環、手動和自動等形式，你決采取哪種形式呢
4.選擇實現方法
讓LED數碼管顯示特定數碼最簡單的方法就是采用機械開關進行手動控制。假設我們要顯示數字“3”，且采用圖4-30所示的共陽極數碼管，由數碼管各的排列分布可知顯示“3”應使AB、C、DG段發光，所以開關與LED數碼管的連接如圖所示。
5.部件模型及主要參數的確定
對一個復雜的控制系統，在確定了系統結構后，先要對系統中的各部分建立對應的數學模型，然后進行一些理論分析和仿真。當系統較為簡單時，我們可以先通過簡單的運算、得到一些必要的參數，然后用實驗的方法調試，校正系統的工作狀態，直到滿意為止。
6.驗證完成你的設計
確定了設計方案，并按選定的控制方法驗證了各部分的工作后，就可以將它們組裝起來。在《技術與設計1》中，我們學習了各種設計和交流的方法，應盡可能做到
（1）用計算機繪制各部分的原理圖及安裝圖。
（2）設計系統制作的工作流。
（3）協同工作，共同完成整個設計。
7.評估你的設計
完成設計后，為了測試系統設計是否達到預期目的，還需要從以下幾個方面進行評估。
（1）系統否安全、可靠 能否按設計的要求工作
（2）其他同學對你的設計有什么看法
（3）整個系統的造價是多少
（4）如果你有更多的時間，你會對其做哪些改進
（5）設計一份用說書。
8.優化你的設計
上面的設計對我們學習和理解LED數碼管的工作原理和工作方式很有意義，但由于一次連線只能顯示一個數字，實際的應用價值有限。我們怎樣將它做得更合理、更智能呢？這就要用到電子技術的一些知識，下圖是采用4511專用集成電路控制1位數碼管的原圖，這個電路可以通過4個開關的組合來控制數碼管的顯示，是不是比起前面的設計靈行性高了很多
課后練習：
1.試著設計一個路燈自動開關系統，使路燈能夠在黑夜自動打開，在白天自動關閉。
2.給自行車設計一個歷程計，寫出你希望達到的功能和合適的設計方案。
3.利用學過的控制及其設計知識，發揮自己的想象，設計一個有創意的，包含控制功能的物品。

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