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(共24張PPT)
第五節控制系統方案的初步設計
教材p120-p128
技術設計的一般過程可歸納為:發現與明確問題、制訂設計方案、制作模型或原型、優化設計方案等。對于控制系統設計來說，有它的特殊性，即有許多具體的問題需要在方案設計之前弄清楚。因此，本節圍繞著如何形成控制系統設計方案這個中心問題，通過案例分析把握控制系統方案初步設計的思路和方法。
一、如何形成初步的控制系統設計方案
案例1聲控燈系統
聲控燈是一個簡單的開環控制系統。它的組成如圖4-27所示。
由圖可見,聲控燈與常規電燈相比，去掉了常規的手操開關，增設了聲傳感器、控制器和常開(斷開）觸點。其中，聲傳感器的靈敏度可設置為不同等級，以適應不同場合使用的需要。
這樣的聲控燈系統是怎樣設計出來的呢
分析1:解析被控對象的基本特性
照明用的電燈,具有兩個工作狀態，即點亮狀態與熄滅狀態。點亮與熄滅，實際上是供電電路的接通(有電流通過)與斷開（無電流通過)。也就是說，這兩個工作狀態的實質區別是有電流或無電流。而有電流或無電流,是通過電路中的開關來操縱的。
電燈中電流與開關操作之間的關系,如圖4-28所示。
由此可見,對于聲控燈來說,聲響是輸人,電流是輸出,有（無)前者,便有（無)后者。這是輸出與輸入之間的關系———種簡單的邏輯關系。
如果供電電網的電壓或頻率由于某種原因出現波動，將會給電路造成影響。這可以視為一種干擾，即電網參數的波動，直接影響聲控燈的輸出——電流波動、燈光閃爍。這是輸出與干擾的關系。
以上分析的是被控對象在正常工作狀態下，輸出與輸入之間的關系，輸出與干擾之間的關系，稱為被控對象的基本特性。
問題思考
為避免意外聲響對聲控燈的干擾，你有什么好辦法
分析2:確定被控量與控制量
上面的基本特性分析已經明確:被控對象是燈泡，被控量實質上是電流——流過電燈的電流。輸出量就是被控量。
那么，什么是控制量呢 也就是說，通過改變什么參數來實現對被控量的控制呢
由圖4-27可見:控制器以及常開觸點，根據聲音傳感器傳送過來的電信號(有或無)及觸點的觸頭動作（動或不動)，對電路實現控制（接通或斷開),從而決定是否產生電流。因此，觸點的通與不通，就是控制量。只是這種控制量僅表現為兩種狀態而已。
聲響是輸入信號,簡稱輸入。聲響強,輸入（信號）量大;聲響弱,輸入（信號）量小。聲傳感器將聲信號轉換成電信號，控制器根據它立即使觸點工作，接通電路供電，并延時At。時間△t的設置，保證了人在樓道里走過時所需要的亮燈持續時間。
分析3:確定控制系統構成方案
開環控制與閉環控制的根本區別在于:閉環控制系統應用反饋作用來減小系統的誤差，即以反饋量與輸入量比較產生偏差量（如本章第二節中的水位差,本章第四節中的溫度差、角偏差等)，用偏差量作為控制器的輸入去實現控制，就是所謂的偏差控制。因此，閉環控制利用反饋作用，可以使被控量的誤差做到很小。
聲控燈系統，只有亮與滅兩種運行狀態，不存在被控量在量上的誤差。因此，聲控燈選用開環控制方案就能很好地完成控制任務。系統的具體構成包括:聲傳感器、控制器及常開觸點。
分析4:繪制系統框圖
參照前述的控制系統框圖的繪制方法，繪制出聲控燈系統框圖，如圖4-29所示。
系統框圖是系統設計方案的圖形描述。它清楚地表述了聲控燈系統的設計方案:采用開環控制;系統構成的各環節;輸入量(聲響)、輸出量（被控量)控制量（接通/斷開);信息傳遞途徑。
以上四點分析，便是以聲控燈為例的控制系統設計的思想與方法、過程與結果。
討論交流
白天，樓道里有足夠光亮的情況下，從節電的角度出發，應當如何改進上述設計 大家一起來想辦法,并盡量具體化。
提示:
(1)利用感知光強的傳感器（常稱為光敏器件)。
(2）查詢并學習邏輯電路中有關與門的資料。
技術實踐
試根據聲控燈設計方案，搭建出聲控燈的實物電路。
案例2 棚室溫度控制系統
棚室采暖需求:
棚室采暖，是棚室環境需求——光、溫、水分、氣體中的一個重要方面。采暖按熱媒的不同可分為:熱風式、熱水式、蒸汽式、電熱式。其中，熱水采暖系統運行穩定可靠，是目前最常用的采暖方式。
閱讀材料
采暖加溫幾種方式的比較
棚室溫度控制系統是怎樣設計出來的呢
圖4-30為棚室溫度控制系統設計的一個實例。
分析1:解析對象基本特性
系統的輸出參數是棚室室溫,記作c(t)。
系統的輸入參數是按要求設定的室溫值,記作r(t)。系統的主要干擾參數是室外冷環境的影響,如通過棚頂、墻或開門造成室內溫度下降，記作f(t)。
c(t)與r(t) 、 f(t)之間存在一定的關系。比如，當設置r(t)為某值時,若棚室內容積較小,在棚頂與棚墻的絕熱性較好、供給的熱水溫度較高的條件下， c(t)用較短時間就能達到期望值;同時，f)將影響溫控效果。
實際上, c(t)的變化并不能立即跟上r(t)的變化,總要落后一段時間(如上面說到的“較短時間”)，這就是所謂的對象的熱慣性表現。熱慣性，是對象的一種基本特性，它反映了輸出參數與輸入參數間的特定關系。慣性在很多系統中都有所表現。
技術探究 c(t)與r(t) 、 f(t)
一種溫度控制系統的響應特性及簡易測試法
圖4-31中的曲線,表示c(t)跟蹤r(t)的過程,稱為響應特性。
首先，看的r(t)的 變化:
在t1時刻，)從原來的某一值(如圖中的溫度T1),躍變為另一個新值(如圖中的T2)，如圖中黑色折線。
接著，看c(t)的變化:
c(t)自t1時刻并沒能立即跟上r(t)做躍變，而是逐漸上升;經過一段時間(t2-t1)之后,接近r(t)的新值，即期望的溫度值，稱為穩態值。
響應特性表明, c(t)跟上 r(t)達到穩態值，需經歷一段時間(t2-t1) 。從達到穩態的角度看,c(t)落后于r(t) 。這就是被控對象具有熱慣性的體現。 (t2-t1)值越大，熱慣性就越大，c(t)跟上r(t)就越慢。
這樣的響應特性可以通過實驗的方法測得，而不需用很多的儀器。測試的具體方法是:
（1)在溫度為某一穩態值(如T1）時，設定r(t)的新值(如T2)。讓供水閥門以某一開度供熱水，并以此作為t1時刻。
(2）每隔一小段時間△t，用秒表計時，并用溫度計測量室溫c(t)，得到一個又一個的響應點。如此做下去,待到c(t)趨近于新的穩態值時為止,即對應t時刻。
(3）在T-t坐標紙上，點出記錄的各響應點（如圖4-31中的藍色小點);連接各點，便得到響應特性曲線。
創客坊
空調室內的溫度特性測試試驗
結合本章第一節實例3(空調機制冷/制熱的控制)，進行室溫的實際測試試驗，記錄并繪制出溫度控制響應特性曲線。
要求:
(1)設置兩種室溫，分別進行測試。
(2）對獲取的溫度特性試做分析，闡述該特性曲線具有哪些特點以及空調機對室溫調節（控制)的效果。
分析2:確定被控量、控制量
由圖4-30可知:
室溫是系統的被控量。
電磁閥的閥門開度,記作x(O)，是系統的控制量。
假定采暖鍋爐供給的熱水水溫一定。當x(1)最大(相當于閥門全打開)時，熱水管及散熱器向室內供應最大熱量﹔當x(t)為零(相當于閥門全部關閉)時，熱水進不來，不向室內供應熱量。這是閥門工作形式的一種，即全開或全關，稱為雙位調節。
分析3:確定控制方案
在圖4-30中,感溫元件監測室內實際溫度,起著反饋作用;與設定的rt)形成溫度偏差，繼電器動作，接通供電電路，電磁閥打開，熱水進入水管供熱。顯然，這是一個閉環控制系統。為什么要采用閉環控制呢
棚室溫度控制,對被控效果要有較嚴格的控制,如精度（精確度),因此選用閉環控制。閉環控制系統，以其反饋作用，利用偏差，通過控制器的合適控制，可以獲得較高的精度。
此外，當干擾作用較強時，閉環控制又可以起到抑制干擾影響的作用，這也是選用閉環控制的考慮因素之一。
分析4:繪制系統框圖(圖4-32)
閱讀材料
對溫室自動控制系統的基本要求
溫室控制(調節)系統的工作品質,直接影響著產品的產量、,品質和效益。因此，對控制系統的基本要求有:
1.可靠性
由于溫室內高溫、高濕和存在腐蝕性氣體，所以控制裝置是處于一個十分不利的環境下長期工作的、為此要求配套的設施和器材具有較高的可靠性。為了提高其可靠性，在具體裝置中可采用光電隔離、電磁屏蔽、電源濾波、可靠接地等抗干擾措施，以及采用適當的防潮、防腐蝕等工程措施，保證控制設施長期安全、正常地工作。
2．調控精度
在溫室生產中，影響生物體生長發育的環境因素，如光照、溫度、濕度、CO,濃度等，在生物體不同的生長發育階段都有較嚴格的范圍，因此，為保證生物體優質和高產、穩產，控制系統的精確度至關重要。這里要指出的是:在生物環境工程中，對某一被調參數的控制精度并不像電子和機械工程中那么高，如西紅柿種子發芽的適宜溫度為20 ℃~30℃(上限為35℃，下限為10℃)，開花溫度在15℃以上，均有一個適宜的溫度范圍，即要求控制系統的控制精度只要在該適宜范圍內即可。
3.適應性
現代的自動化溫室造價很高，因此，不能單生產某一種作物品種。要根據作物品種不同和在各個不同的生長發育階段對環境的要求，靈活方便地調整各被控環境因子，以滿足作物生長發育的需求，獲得高產和優質的成果。
問題思考
對溫室自動控制系統的基本要求，可以給溫室自動控制系統設計工作提供哪些啟示
二、控制系統方案初步設計方法的討論
問題思考
討論之前的思考
通過對“聲控燈系統”和“棚室溫度控制系統”兩個案例的分析和研究，你對控制系統方案設計的思路與方法是怎樣認識的呢 歸納整理一下，把自己認識的要點記在學習筆記本上。
本部分的討論,采用“引導問題”和“設計方法要點”并行的方式展開,給出的“要點”僅供參考，不是答案或答案的全部。如果你有什么好主意，也可以穿插進來。
引導問題:
(1)面對控制系統方案設計任務時,從哪兒入手
(2）控制系統中，一般由許多環節組成，你首要關注的是什么
(3）需要了解對象的基本特性嗎
(4)控制系統中有許多變量,做假設時，首先要確定其中哪些變量呢
(5）選用開環控制或閉環控制的考慮根據是什么 (6）繪制控制系統框圖，要注意表達哪些內容
設計方法要點:
從分析入手，解析對象特性。
首先關注:傳感器/控制器/執行器/對象/反饋諸環節。(注:“”表示“或者”的意思，以下相同。
確定:輸入量/控制量/被控量、輸出量/反饋量/偏差量。
選用:越簡單好用越好;控制精度/抗干擾性/經濟性……的考慮。
注意:系統構成的類型/組成環節之間的關系/各種量間的關系/信息流通。
技術實踐
在方案設計中長才智——原理性控制方案初步設計的練習
命題 亮度可調臺燈的原理性電控初步方案設計
設計目的:
應用調壓原理，采用簡單的原理性電路，使燈泡亮度可調。
設計內容及要求:
(1）解析對象基本特性。
指亮度可調臺燈在正常工作時，對象的輸出信號和輸入信號間的關系;與主要干擾參數間的關系。
(2）確定被控量、控制量。
(3）選用開環控制或閉環控制。注意:要簡述選用的根據。
(4)繪制控制系統框圖。
設計的提示:
(1)考慮到僅是原理性設計，電路要盡可能簡單。比如，采用可變電阻，通過改變電阻的大小調節燈泡的亮度。
(2）選擇電路元件，包括燈泡、可變電阻等，進行必要的電路計算。
(3）分析這種簡單的原理性方案，可能會出現什么問題，原因是什么。
創客坊
亮度可調臺燈的實用性電控初步方案的設計
設計目的:應用調壓原理，采用簡單的電路，使燈泡亮度可調。
設計內容及要求:與上面的原理性方案設計內容與要求相同。
設計的提示:
( 1)這個實用方案設計會帶來更多的收獲。
(2）重點是選擇一個實用電路，以代替原理性方案。如采用可控硅模塊構成實用性控制方案。
( 3)需要查詢、學習有關技術資料,如可控硅技術等。
做法:
(1)分組進行，按組拿出設計方案;每人都要參與、體驗設計全過程。
(2）全班交流，小組報告并展示設計方案，討論。
(3）做好記錄，寫好設計報告。
評價與小結:
( 1)從創新的角度，評價各小組的設計方案，總結在控制系統方案設計過程中有哪些新想法、新做法、新認識。
(2)通過控制系統設計的學習，我們的收獲是什么
(3）在設計中是如何發揮團隊精神的

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