資源簡介

(共23張PPT)
設(shè)計的一般思路是什么？
控制也需要設(shè)計。
發(fā)現(xiàn)與明確問題
制作模型或原型
測試評估及優(yōu)化
產(chǎn)品的使用與維護
制定設(shè)計方案
第四單元 控制與設(shè)計
第四節(jié) 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施
長安一中 蔣建波
我們知道在設(shè)計的一般過程中，首先要發(fā)現(xiàn)和明確問題，那么在對控制系統(tǒng)進行設(shè)計時我們要明確那些問題呢？
1、控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路:
1）要設(shè)計好一個控制系統(tǒng)，需要做到：
（1）明確這個系統(tǒng)要達到的目的是什么？
（2）所要控制的對象是什么？
（3）被控對象有哪些重要特征？被控量和控制量分別是什么？
被控對象的特征往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關(guān)系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式。
（4）外界的主要干擾因素有哪些？
一個控制系統(tǒng)中可能同時存在若干個干擾因素，需要分清主次，找出對系統(tǒng)影響最大的干擾因素。
（5）選擇怎樣的設(shè)計方案既能達到目的，又經(jīng)濟、又易于實現(xiàn)。
為達到實現(xiàn)控制的目的，應(yīng)采用易于實現(xiàn)的控制方式，降低控制成本、減少對環(huán)境的負面影響等。
（6）如何選擇設(shè)備和元件。
注意在選擇元器件時要優(yōu)先考慮標準件的使用。
在以上問題都確定后：
（1）要根據(jù)實際設(shè)計對控制精度的要求以及條件的可行性來確定是用開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)所要最終達到的目的。
（2）畫出控制方框流程圖。
（3）畫出必要的設(shè)計圖紙（控制電路設(shè)計或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計）和實施圖紙，撰寫設(shè)計說明書等。
2）開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計
電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計：
被控對象——電風(fēng)扇，
被控制量——電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速，
控制量——電機的轉(zhuǎn)速。
設(shè)計的目的有：
一是有定時關(guān)閉電風(fēng)扇。
二是有不同的風(fēng)速。
三是又定時，又有不同的風(fēng)速。
案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計
請同學(xué)快速閱讀書中案例《電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計》，分析這個系統(tǒng)要達到的目的是什么？控制的對象是什么？被控對象有哪些特性？被控量的控制量分別是什么？外界的干擾因素是什么？經(jīng)濟實用？
被控對象——電吹風(fēng)；
被控量——風(fēng)的速度和溫度；
控制量——電機的電壓；
干擾因素——房間溫度、電源電壓的波動；
這個案例是開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的案例，用以說明開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的過程與方法，體現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路。
3）閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計
對于簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)有如下的要求：
(1)必須是穩(wěn)定的。一是工作時要穩(wěn)定，二是干擾出現(xiàn)時要穩(wěn)定，這個穩(wěn)定是通過調(diào)節(jié)而出現(xiàn)的穩(wěn)定。
(2)控制精度要符合要求,即系統(tǒng)的輸出值與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。
(3)有較好的抗干擾性能。
(4)幾項要求有時產(chǎn)生矛盾，要平衡有側(cè)重點的解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。
這個案例是閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的實例，用以說明閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的過程與方法，體現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路。
討論：在上述案例中，如果要節(jié)約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設(shè)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(shè)定高度而變化的，
即：沖水量=水箱的橫截面積×設(shè)定高度
因此，要減少每次沖水量，應(yīng)該從減少水箱橫截面積和設(shè)定高度入手。
具體方案可以有：
1）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關(guān)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）控制進水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關(guān)閉出水閥。這相當于改變設(shè)定高度。
4）在水箱中放置1~2塊磚頭，以減少水箱的實際蓄水量。
5）設(shè)計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。
2、控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施案例
我們了解了控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路，下面我們一起來分析和了解控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施案例。
閱讀書中案例《自動升旗簡易控制裝置的設(shè)計》
各方案的特點：
方案A：在控制上采用機械裝置，對電子知識要求不高，但升旗和唱國歌的啟動需要人工同步，定時裝置的精度不高，容易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。
方案B：此方案同樣有啟動不容易同步的問題，但定時器的精度較高。
其實，對升旗來說，可以采用人工控制。
方案C：可以增加學(xué)生的知識面，但需要補充電子線路的知識，比較費時，課時難以保證。
方案D:升旗和唱國歌同步啟動，由于CD唱機比較普遍，器材準備較其它方案容易。
因此：方案D實現(xiàn)較容易。
1、控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路。
2、控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施案例。
小結(jié):
1.水車
2.晾衣控制裝置
練習(xí):
章節(jié)練習(xí)：
腳踏運動
自行車輪
摩擦輪
傳動機構(gòu)
發(fā)電機
蓄能穩(wěn)壓裝置
電視機
1.該套裝置中，綜合運用了機械能轉(zhuǎn)化為電能及穩(wěn)壓等技術(shù)原理，運用了蓄能、系統(tǒng)、穩(wěn)壓和控制等多種技術(shù)。其簡要過程可以用方框圖表示如下：
2.（1）一般家用太陽能熱水器溫度控制是如何實現(xiàn)的？
家用太陽能熱水器通常都是在出水的地方裝有冷水管和熱水管，使用時，通常采用不斷調(diào)節(jié)熱水管和冷水管的流量實現(xiàn)溫度控制。
（2）這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中有一個感溫元件不斷測量出水管內(nèi)的水溫，當水溫低于某值時，便切換到電加熱器加熱的狀態(tài)。
一般來說，賓館供應(yīng)的熱水溫度要比較高，使客人有調(diào)節(jié)的余地，因此它必須保證熱水高于一定的溫度。其方法是設(shè)計一個閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，使供應(yīng)的熱水不低于某一溫度。
控制系統(tǒng)的工作過程大致如下：測溫裝置測量儲水箱熱水的溫度，當水溫低于某一給定溫度時，控制裝置將輸出一個信號去接通加熱裝置，使之給水箱加熱；當溫度高于給定溫度時，控制裝置就會切斷加熱器電源，停止加熱。
給定溫度
控制裝置
加熱裝置
熱水箱
輸出溫度
測溫裝置
這一過程的的方框圖可以表示如下：

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