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第四節 控制系統的設計與實施
任務一 探究控制系統的設計要素
設計一個控制系統，應該明確這個系統要達到的目的是什么，所要控制的對象是什么，被控對象有哪些重要的特性，被控量和控制量分別是什么，外界的主要干擾因素有哪些，選擇怎樣的設計方案既能達到目的，又經濟、易于實現，如何選擇設備和元件，等等。
一、控制系統設計要求
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、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有明顯作用的量；
4、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；
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。
總之，能達到控制的目的，采用易于實現的控制方式，降低控制成本，減少對環境的負面影響等，是進行控制系統設計必須考慮的基本問題。
控制系統的設計方案，還包括畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統結構設計）和實施圖紙、撰寫設計說明書等。
明確目標，了解被控對象的基本特性
完成設計制作、檢測、調試、優化、評價
確定被控量和控制量
確定控制方案
繪制控制系統框圖
控制系統設計的基本過程
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。
一、開環控制系統的設計
舉例：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
舉例：普通電風扇控制系統。
設定的檔位
（輸入量）
電風扇
風速（輸出量）
電動機
電機轉速
控制電路
控制量
控制器
執行器
被控對象
如果是具有定時功能的電風扇控制系統的設計，則只需在開關環節加一個定時器就可以了。
舉例：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。
被控對象：
被控量：
控制量：
干擾因素：
電吹風
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。
舉例：電吹風控制系統
設定的檔位
（輸入量）
電吹風
風速、溫度（輸出量）
風扇、
電熱絲
電機電壓
控制電路
控制量
控制器
執行器
被控對象
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。
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。
各方案的特點是：
方案A:主要采用機械裝置進行控制，控制精度不高，需要人工同步啟動，容易產生不協調現象。
方案B：控制器的精度提高，但仍需人工同步啟動，容易產生不協調現象。
方案C：采用電子計時器和可調速電機，克服了方案A與方案B中滑輪和旗桿高度要配合的問題，但仍需人工同步啟動，容易產生不協調現象。
方案D:采用音樂控制升旗，克服了前三種方案的缺點。
因此，方案D最容易實現。
任務二 設計與實施雨水收集池水位控制系統
二、閉環控制系統的設計
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：
第一，一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。如輸出量發生偏離，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。
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。
第二，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范圍之內。
第三，閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
目前的情況下，采用一個傳感器來實現該控制目的一般無法實現，因為同一傳感器無法同時檢測兩個點。
舉例：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
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。
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：
撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
浮球
連桿
機構
進水
閥門
水箱
設定水位
進水量
比較器
舉例：抽水馬桶水箱的自動控制系統
水箱內水位
干擾
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=水箱的橫截面積×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）將浮球的位置向下移，使浮球在較小的高度上關閉進水閥。
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。
3）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。

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