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第四单元《控制与设计》第四节《控制系统的设计与实施》 教学课件


设计的一般思路是什么?
发现与明确问题

制定设计方案

控制也需要设计。
制作模型或原型

测试评估及优化

产品的使用与维护

第四单元

控制与设计

第四节 控制系统的设计与实施

1、控制

系统设计的一般思路: 我们知道在设计的一般过程中, 首先要发现和明确问题,那么在对控 制系统进行设计时我们要明确那些问 题呢?

1)要设计好一个控制系统,需要做到: (1)明确这个系统要达到的目的是 什么? (2)所要控制的对象是什么? (3)被控对象有哪些重要特征?被 控量和控制量分别是什么? 被控对象的特征往往难以直接得到, 通常是通过了解被控对象的输入与输 出之间的关系来分析它的基本特性, 从而确定控制器的运算方式。

(4)外界的主要干扰因素有哪些? 一个控制系统中可能同时存在若干个干扰因素, 需要分清主次,找出对系统影响最大的干扰因 素。 (5)选择怎样的设计方案既能达到目的,又经 济、又易于实现。 为达到实现控制的目的,应采用易于实现的控 制方式,降低控制成本、减少对环境的负面影 响等。 (6)如何选择设备和元件。 注意在选择元器件时要优先考虑标准件的使用。

在以上问题都确定后: (1)要根据实际设计对控制精度的要 求以及条件的可行性来确定是用开环 控制系统还是闭环控制系统来实现所 要最终达到的目的。 (2)画出控制方框流程图。 (3)画出必要的设计图纸(控制电路 设计或系统结构设计)和实施图纸, 撰写设计说明书等。

2)开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计: 被控对象——电风扇, 被控制量——电风扇输出的风速, 控制量——电机的转速。 设计的目的有: 一是有定时关闭电风扇。 二是有不同的风速。 三是又定时,又有不同的风速。

案例分析:电吹风控制系统的设计 请同学快速阅读书中案例《电 吹风控制系统的设计》,分析 这个系统要达到的目的是什么? 控制的对象是什么?被控对象 有哪些特性?被控量的控制量 分别是什么?外界的干扰因素 是什么?经济实用?

被控对象——电吹风; 被控量——风的速度和温度; 控制量——电机的电压; 干扰因素——房间温度、电源电压的 波动;

这个案例是开环控制系统设计 的案例,用以说明开环控制系统设 计的过程与方法,体现控制系统设 计的一般思路。

3)闭环控制系统的设计
对于简单的闭环控制系统有如下的要求: (1)必须是稳定的。一是工作时要稳定,二是 干扰出现时要稳定,这个稳定是通过调节而出 现的稳定。 (2)控制精度要符合要求,即系统的输出值与给 定值之差应控制在允许的范围之内。 (3)有较好的抗干扰性能。 (4)几项要求有时产生矛盾,要平衡有侧重点 的解决。

案例分析:抽水马桶水箱的自动控 制系统的设计。 这个案例是闭环控制系统设计的 实例,用以说明闭环控制系统设计 的过程与方法,体现控制系统设计 的一般思路。

讨论:在上述案例中,如果要节约用 水,减少水箱每次冲水的量,你能设 计哪几种方案?
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积 和水位设定高度而变化的, 即:冲水量=水箱的横截面积×设定高度 因此,要减少每次冲水量,应该从减少水箱横 截面积和设定高度入手。

具体方案可以有:
1)将杠杆支点右移,使浮球在较小的高度 上关闭进水阀。 2)在水箱中放入比水重的物体,起到减小 水箱平均截面积的作用。 3)控制进水阀开启的时间,使其在水未放 完之前关闭出水阀。这相当于改变设定高度。 4)在水箱中放置1~2块砖头,以减少水箱的 实际蓄水量。 5)设计两种冲水方式,一种是半箱水冲洗, 一种是整箱水冲洗。

2、控制系统的设计与实施案例 我们了解了控制系统设计的一 般思路,下面我们一起来分析和了 解控制系统的设计与实施案例。

阅读书中案例《自动升旗简易 控制装置的设计》

各方案的特点: 方案A:在控制上采用机械装置,对电子知 识要求不高,但升旗和唱国歌的启动需要 人工同步,定时装置的精度不高,容易产 生不协调现象。 方案B:此方案同样有启动不容易同步的问 题,但定时器的精度较高。

方案C:可以增加学生的知识面,但需要补充电 子线路的知识,比较费时,课时难以保证。 方案D:升旗和唱国歌同步启动,由于CD唱机比 较普遍,器材准备较其它方案容易。 因此:方案D实现较容易。

其实,对升旗来说,可以采用人工控制。

小结:

1、控制系统设计的一般思路。 2、控制系统的设计与实施案例。

练习:

1.水车 2.晾衣控制装置

章节练习: 1.该套装置中,综合运用了机械能转化为电能及 稳压等技术原理,运用了蓄能、系统、稳压和控 制等多种技术。其简要过程可以用方框图表示如 下:
脚踏 运动

自 行 车 轮

摩 擦 轮

传 动 机 构

发 电 机

蓄 能 稳 压 装 置

电视机

2.(1)一般家用太阳能热水器温度控制是如 何实现的? 家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有 冷水管和热水管,使用时,通常采用不断调节热 水管和冷水管的流量实现温度控制。 (2)这是一个闭环控制系统,其中有一个感 温元件不断测量出水管内的水温,当水温低于某 值时,便切换到电加热器加热的状态。 一般来说,宾馆供应的热水温度要比较高 ,使客人有调节的余地,因此它必须保证热水高 于一定的温度。其方法是设计一个闭环温度控制 系统,使供应的热水不低于某一温度。

控制系统的工作过程大致如下:测温装置测量 储水箱热水的温度,当水温低于某一给定温度 时,控制装置将输出一个信号去接通加热装置, 使之给水箱加热;当温度高于给定温度时,控 制装置就会切断加热器电源,停止加热。 这一过程的的方框图可以表示如下:
热 水 箱

给定 温度

控制 装置

加热 装置
测温装置

输出 温度


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