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(共15張PPT)
多技術(shù)交叉綜合應(yīng)用實(shí)踐
教材p134-p138
一、實(shí)踐主題
多元控制多技術(shù)交叉綜合應(yīng)用——簡易觀賞魚魚缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
二、實(shí)踐背景在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)與控制技術(shù)之后，以綜合應(yīng)用實(shí)踐的方式，來鞏固并提升學(xué)習(xí)效果,強(qiáng)化技術(shù)意識、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)及圖樣表達(dá)、物化能力等技術(shù)核心素養(yǎng);同時(shí)，營造優(yōu)美的生活環(huán)境,享受學(xué)技術(shù)、習(xí)實(shí)踐之樂趣,豐富未來生活。
三、項(xiàng)目實(shí)施
（一）總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),首先明確系統(tǒng)總體功能的要求，進(jìn)行系統(tǒng)基本特性分析;接著進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，確定各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)與要求。
簡易觀賞魚魚缸系統(tǒng)，以下簡稱魚缸系統(tǒng),是一個(gè)較大系統(tǒng)的總稱,主要由三個(gè)分系統(tǒng)組成,分別是缸體系統(tǒng)、缸架系統(tǒng)和缸內(nèi)環(huán)境系統(tǒng),如圖1所示。
缸體外尺寸設(shè)為1200 mm x400 mm x 560 mm（長×寬×高);缸體置于缸架之上;缸架高度設(shè)為630 mm ;缸內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)置于缸體之上。
(二）缸體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.缸體系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
缸體系統(tǒng)的功能是裝水養(yǎng)魚,前后左右透明,水可以裝到缸體高度的60%~80%，保持長久不滲不漏，結(jié)實(shí)不變形。
2.缸體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
參考方案缸體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
缸體框架用4號輕型角鋼焊接而成，其外形尺寸見總體設(shè)計(jì);缸底采用5~8 mm厚玻璃;四周采用5 mm厚玻璃;玻璃面與玻璃面之間的粘接與密封(共8條)采用白水泥或其他黏合材料。
缸體系統(tǒng)制作流程如圖3所示。
(三）缸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.缸架系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
缸架系統(tǒng)的主要功能是承載裝滿水的缸體系統(tǒng)(包括置于缸體上方的環(huán)境系統(tǒng)的裝置)。缸體系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)裝置的總質(zhì)量(可以通過計(jì)算或測量來確定)，構(gòu)成對缸架系統(tǒng)的正壓力,因此可以對缸架系統(tǒng)做出受力分析和強(qiáng)度穩(wěn)定性評估。
2.缸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
參考方案缸架系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)為帶有兩扇門的柜體，其外形尺寸參照總體設(shè)計(jì)。缸架的構(gòu)件材料可有多種選擇，如鐵質(zhì)的、木質(zhì)的等。缸架的各構(gòu)件之間的連接方式也有多種選擇，如構(gòu)件采用木材，則可使用榫卯或螺釘或膠粘等，以連接牢固可靠為選擇原則。
(四)缸內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)
缸內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)根據(jù)魚缸中觀賞魚生存環(huán)境的需求面配置。如水溫自動(dòng)控制裝置，簡稱溫控裝置;水質(zhì)清澈度自動(dòng)控制裝置，簡稱凈水裝置﹔缸內(nèi)光照自動(dòng)控制裝置，簡稱照明裝置;魚餌投放自動(dòng)概制裝置，簡稱哏食裝置;等等。
下面,以溫控裝置和凈水裝置為例來討論設(shè)計(jì)問題。
1.溫控裝置
絕大多數(shù)的觀賞魚最適宜的生長溫度為24℃ ~ 28℃，溫度變化超過±4℃將有可能導(dǎo)致觀賞魚的死亡。因此,缸內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)最重要的功能是保證水溫恒定,需要配置溫控裝置。
分析1:解析對象基本特性
溫控裝置的系統(tǒng)輸入是設(shè)定的水溫，根據(jù)觀賞魚的適宜生長溫度來設(shè)定，如26℃ ;溫控裝置的系統(tǒng)榆出是缸內(nèi)的實(shí)際水溫﹔導(dǎo)致缸內(nèi)水溫變化的主要因素（干擾)是室溫,如冬季室溫偏低或夏季室溫過高,室溫的變化將直接影響魚缸內(nèi)水溫的變化。
通過上述分析，可以得到溫控裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
溫控裝置功能和技術(shù)要求功能:檢測缸內(nèi)實(shí)際水溫，自動(dòng)啟動(dòng)加熱或冷卻裝置保持缸內(nèi)水溫恒定。
技術(shù)要求:
設(shè)定溫度:26 ℃。
控溫精度:士2 ℃。
分析2:確定被控量與控制量
溫控裝置的系統(tǒng)輸出為被控量，即缸內(nèi)水溫。那么，通過什么方式可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)水溫的調(diào)節(jié)呢 通常，對魚缸內(nèi)的水進(jìn)行加熱可采用電加熱棒，加熱時(shí)間決定了水溫升高的幅度;對魚缸內(nèi)的水進(jìn)行降溫可以采用散熱風(fēng)扇或冷水機(jī)。
分析3:確定控制系統(tǒng)構(gòu)成方案
為實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)，需要配置溫度傳感器檢測缸內(nèi)實(shí)際水溫，將實(shí)際水溫與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，計(jì)算得到溫度偏差，根據(jù)溫度偏差的極性確定對缸內(nèi)水溫進(jìn)行加熱或降溫處理，從而實(shí)現(xiàn)水溫偏差的減小，構(gòu)成閉環(huán)控制。溫控裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的控制框圖如圖5所示。
圖5中,方框代表控制系統(tǒng)的組成部件,都是具體的物理裝置,如集成電路、單片機(jī)等，圖中的實(shí)線箭頭表示物理量(信號)，箭頭的指向代表了信號的傳遞方向。圖中各組成部分如下:
被控對象缸內(nèi)的水是被控對象。魚缸內(nèi)，水的容量代表了被控對象的固有特性。越多的水(水的質(zhì)量越大)控制其升溫或降溫單位溫度(如1℃）需要傳遞的熱量就越多，若采用相同的加熱或降溫工具，裝水多的大魚缸相比裝水少的小魚缸，水溫的升高或降低都會(huì)更緩慢,即水量的多少成為被挖對象的固有特性之一。
測量元件（傳感器）我們需要控制的物理量是水的溫度，因此水溫成為溫控裝置的被控量，也是溫控系統(tǒng)的輸出。我們希望知道魚缸內(nèi)的實(shí)際水溫是多少，于是需要安裝溫度傳感器檢測缸內(nèi)的實(shí)際水溫。溫度傳感器輸出通常為電信號(反饋信號)，根據(jù)傳感罃類型的不同反饋信號可以分為電流信號、電壓信號、電阻信號。
執(zhí)行器（繼電器、加熱/降溫模塊）執(zhí)行器是能夠改變被控量大小的物理裝置，改變缸內(nèi)水溫的裝置可以是加熱器或是散熱器，性能好的執(zhí)行器可以使被控量快速準(zhǔn)確地改變,如采用大容量的加熱棒就可以使魚缸內(nèi)的水快速升溫。繼電器接收的是小電流信號.它可以利用小電流信號控制大電流的導(dǎo)通和切斷，是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出小電流信號控制加熱/降溫模塊輸人大電流信號的電磁元件。
控制器控制器根據(jù)控制偏差的極性(偏差的正負(fù)）切換執(zhí)行器（偏差為正，啟動(dòng)加熱器﹔偏差為負(fù)，啟動(dòng)散熱器)，控制器也可以根據(jù)控制偏差的大小改變執(zhí)行器輸人信號的大小，實(shí)現(xiàn)被控量的快速調(diào)整。
比較環(huán)節(jié)“ ”在控制學(xué)領(lǐng)域中代表比較環(huán)節(jié)，即對兩路信號的大小進(jìn)行比較，流入“ ”代表輸入信號,流出“ ”代表輸出信號,如圖6所示。
比較環(huán)節(jié)可以通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，如硬件電路中采用集成電路芯片——電壓比較器（如LM339)可以實(shí)現(xiàn)電壓信號比較。采用單片機(jī)通過軟件編程也可以實(shí)現(xiàn)信號的比較(首先要應(yīng)用模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換電路,即A/D轉(zhuǎn)換電路將待比較的電信號采集到單片機(jī)中，才能再應(yīng)用軟件編程實(shí)現(xiàn)信號比較)。
干擾信號（室溫干擾因素)在圖5溫控裝置系統(tǒng)中，加熱/降溫模塊溫度對缸內(nèi)水溫的調(diào)整會(huì)受到室溫的直接影響，因此溫控系統(tǒng)的輸出實(shí)際上是兩者的疊加，室溫干擾改變了被控量——實(shí)際水溫的大小，因此需要引人自動(dòng)控制抑制室溫干擾的影響。
分析4:控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
參考圖5，溫控裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖7所示。根據(jù)性價(jià)比選用溫控裝置的各個(gè)部件，如溫度傳感器可采用DS18B20或PT100，設(shè)定溫度及比較環(huán)節(jié)可以采用單片機(jī)AT89C2051，加熱/降溫裝置分別選用加熱棒和冷水機(jī)等。實(shí)際系統(tǒng)中，除了選擇控制系統(tǒng)中的各個(gè)元件外，還要考慮信號在傳遞過程中的轉(zhuǎn)換，如單片機(jī)或計(jì)算機(jī)只能通過A/D轉(zhuǎn)換采集并處理數(shù)字信號，控制信號要經(jīng)過功率放大才能帶動(dòng)執(zhí)行器工作等。
2.凈水裝置
俗話說“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”，可見良好的水質(zhì)環(huán)境對水族生物是多么的重要。魚缸水質(zhì)監(jiān)測包括水溫、水軟性度、水酸堿度、生化菌群等多個(gè)方面，大多需要采用專業(yè)試紙或?qū)Ｓ脙x器進(jìn)行科學(xué)檢測。
分析1:解析對象基本特性
凈水裝置的系統(tǒng)輸入是科學(xué)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，如pH=7，呈中性。水質(zhì)容易受到多方面的影響，如魚缸過濾系統(tǒng)工作時(shí)帶來的顆粒雜質(zhì)、自來水的注入、觀賞魚的排泄物等都會(huì)造成水質(zhì)變差。通過上述分析,可以得到凈水裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
凈水裝置的功能和技術(shù)要求
功能:檢測缸內(nèi)實(shí)際永質(zhì),自動(dòng)啟動(dòng)過濾系統(tǒng)保持缸內(nèi)水質(zhì)滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
技術(shù)要求:設(shè)定水質(zhì)指標(biāo): pH=7，kH=8等。
分析2:確定被控量與控制量
凈水裝置的系統(tǒng)輸出為被控量，即缸內(nèi)水質(zhì)參數(shù)，那么，通過什么方式可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)水質(zhì)的調(diào)節(jié)呢 通常，通過啟動(dòng)過濾系統(tǒng)或投放藥品可以快速調(diào)節(jié)魚缸水質(zhì)。
分析3:確定控制系統(tǒng)構(gòu)成方案
為調(diào)節(jié)缸內(nèi)水質(zhì)，需要配置水質(zhì)檢測傳感器檢測缸內(nèi)水質(zhì)情況。養(yǎng)魚人根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果，將實(shí)際水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，計(jì)算得到控制偏差，根據(jù)水質(zhì)的偏差情況實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的改善，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)偏差的減小，構(gòu)成閉環(huán)控制，如圖8所示。
創(chuàng)客坊
魚缸系統(tǒng)中,照明裝置和喂食裝置也是兩個(gè)控制系統(tǒng),回顧第四章的學(xué)習(xí)內(nèi)容，試對照明裝置或喂食裝置進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，提示如下:
喂食裝置:
喂食裝置實(shí)質(zhì)上是開環(huán)控制，定時(shí)定量啟動(dòng)喂食裝置，食物自動(dòng)落入缸內(nèi)。
照明裝置:
照明裝置可以設(shè)計(jì)為閉環(huán)控創(chuàng)系統(tǒng)，照明裝置的被控量是光強(qiáng)，控制量可以選擇照明系統(tǒng)的電流，改變電流大小調(diào)節(jié)光源（燈)的強(qiáng)度;可采用光敏電阻作為傳感器,感應(yīng)光照強(qiáng)度。

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