1、4一、控制系统设计的一般思路一、控制系统设计的一般思路二、控制系统的设计与实施案例二、控制系统的设计与实施案例引入：引入：如果如果要要在马桶内安装一个抽在马桶内安装一个抽气机，将马桶内的气体直接抽气机，将马桶内的气体直接抽到水箱内的水中，通过水的过到水箱内的水中，通过水的过滤，消除臭气。这样，由于马滤，消除臭气。这样，由于马桶内的空气流向发生变化，如桶内的空气流向发生变化，如厕时马桶内发出的声音也可得厕时马桶内发出的声音也可得到控制。到控制。一、控制系统设计的一般思路一、控制系统设计的一般思路 系统要达到的目标？系统要达到的目标？控制的对象？控制的对象？被控对象的特性？被控对象的特性？被控量和
2、控制量？被控量和控制量？外界的主要干扰因素？外界的主要干扰因素？怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？设备和元件？设备和元件？控制系统的设计实施控制系统所需的实施控制系统所需的设备、元件等设备、元件等系统的成本分析系统的成本分析控制系统调试、控制系统调试、运行和评价运行和评价控制系统的控制系统的方案选择方案选择分析被控对象的分析被控对象的主要特征主要特征明确控制的目的明确控制的目的确定被控量、确定被控量、控制量控制量分析主要的干分析主要的干扰因素扰因素。1.1.设计一个控制系统，是选择开环控制还是设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控
3、制精度的要求以及条件的闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。可行性而定。2.2.在控制系统设计过程中，被控对象的特性在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的往往难以直接得到，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而确定控制器的运算方式(暗箱方法暗箱方法)。3.3.一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。一、控制系统设计的一般思路
4、 4.4.被控量与控制量的确定是控制方案的关被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又明显作用的量。因素和保持系统稳定又明显作用的量。5.5.执行器、检测器的选择：一是要根据被执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。行。设计要求：设计要求：电吹风能根据不同档位输出不同种类的风。电吹风能根据不同档位输出不同种类的风。案例分析案例分析1：电
5、吹风控制系统的设计：电吹风控制系统的设计设计分析：设计分析：被控对象被控对象电吹风电吹风被控量被控量风的速度和温度风的速度和温度控制量控制量电机的电压电机的电压干扰因素干扰因素房间温度、电源电压的波动房间温度、电源电压的波动工作过程：工作过程：电机、风扇、电机、风扇、电热丝电热丝设定电吹风的档位设定电吹风的档位（输入）（输入）风的速度和温度风的速度和温度（输出）（输出）设计要求：设计要求：控制控制输出的风输出的风速速。案例分析案例分析2：电风扇风速控制设计：电风扇风速控制设计设计分析：设计分析：1.电风扇风速控制这个系统要达到的目的是什么？电风扇风速控制这个系统要达到的目的是什么？2.控制的对
6、象是什么？被控对象有哪些特性？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？3.需要哪些零部件组成控制系统？被控量的控制需要哪些零部件组成控制系统？被控量的控制量分别是什么？量分别是什么？4.外界的干扰因素是什么？影响的程度有多大？外界的干扰因素是什么？影响的程度有多大？5.怎样做到经济实用？设计更安全？怎样做到经济实用？设计更安全？6.该控制系统各部件的设计还与什么有关该控制系统各部件的设计还与什么有关?案例分析案例分析3：抽水马桶水位自动控制：抽水马桶水位自动控制设计要求：设计要求：当水位达到某一指当水位达到某一指定高度时，进水口停止定高度时，进水口停止进水。进水。设计要求：当水位达到某一指定高度
7、时，设计要求：当水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。进水口停止进水。设计分析：设计分析：根据设计要求，选择闭环控制系统。被控根据设计要求，选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量，水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量，水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系，主要箱水位的高度与进水量之间呈线形关系，主要干扰因素是水箱的出水流量。干扰因素是水箱的出水流量。方案构思：方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出现水箱的水位低于水箱的
8、某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水；当水箱的的水位达到水箱的某个高度时，水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。水位差为零，进水阀关闭。控制过程：控制过程：转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。到指定水位时，进水阀关闭。给定水位给定水位杠杆比较杠杆
9、比较进水阀门进水阀门水箱水箱水位水位浮球浮球+-控制过程控制过程方框图方框图：设计要求：设计要求：抽气机能根据不同的档位（如电风扇的风速抽气机能根据不同的档位（如电风扇的风速控制器）改变抽风量的大小。控制器）改变抽风量的大小。设计设计：马桶内抽气控制系统马桶内抽气控制系统 设计分析：设计分析：抽气机控制系统的的被控对象是抽气机装抽气机控制系统的的被控对象是抽气机装置，被控对象是抽气量的大小，控制量是电机置，被控对象是抽气量的大小，控制量是电机的电压，干扰因素是电源电压的波动。的电压，干扰因素是电源电压的波动。抽气机控制的工作过程：抽气机是通过电抽气机控制的工作过程：抽气机是通过电动机带动真空泵
10、将气体从马桶内抽到水箱之中动机带动真空泵将气体从马桶内抽到水箱之中的。的。分组讨论：分组讨论：1.1.设计马桶内抽气控制系统设计马桶内抽气控制系统方案方案，画出流程方，画出流程方框图。框图。2.2.讨论设计还存在哪些问题，如何改进。讨论设计还存在哪些问题，如何改进。方案构思：方案构思：设定抽气机的挡位就设定了电动机电压，接通设定抽气机的挡位就设定了电动机电压，接通电源后，电动机带动真空泵，将马桶内的气体抽到电源后，电动机带动真空泵，将马桶内的气体抽到水箱中，输出的就是预设定抽气大小的量。水箱中，输出的就是预设定抽气大小的量。工作过程：工作过程：电机，真空电机，真空泵泵电源电源（输入）（输入）抽
11、气的量抽气的量（输出）（输出）抽气机的档抽气机的档位位作业：作业：马桶内抽气装置的模型制作马桶内抽气装置的模型制作。1.确定了抽气机控制系统的设计方案后，确定了抽气机控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图。画出必要的电气线路图。2.选择适当型号的元件和配件，进行组装。选择适当型号的元件和配件，进行组装。（老师提供相应的配件和原材料，学生现场制作）（老师提供相应的配件和原材料，学生现场制作）3.进行调试，测试能否实现设计目标，提进行调试，测试能否实现设计目标，提出改进意见。出改进意见。一、控制系统设计的一般思路一、控制系统设计的一般思路二、控制系统的设计与实施案例二、控制系统的设计与实施案例
12、 设计项目一：衣柜自控灯的设计设计项目一：衣柜自控灯的设计 设计要求：设计要求：开门灯即亮，关门就会开门灯即亮，关门就会自动熄灭。自动熄灭。1.衣柜自控灯设计分析衣柜自控灯设计分析 自控灯的控制工作过程：自控灯的控制工作过程：灯安装在衣柜内，开门灯即亮，关门就会灯安装在衣柜内，开门灯即亮，关门就会自动熄灭。自动熄灭。自控灯自控灯开门开门有电流，灯亮有电流，灯亮关门关门无电流，灯灭无电流，灯灭被控对象被控对象灯泡灯泡被控量被控量灯泡亮灯泡亮/灭灭控制量控制量开关通与不通开关通与不通控制方案控制方案开环控制系统开环控制系统元器件元器件开关、电源、灯泡开关、电源、灯泡干扰干扰：电压的波动电压的波动影
13、响影响：电流波动、灯光闪烁电流波动、灯光闪烁讨论：通过改变什么，实现灯的亮与灭？讨论：通过改变什么，实现灯的亮与灭？2.方案构思：方案构思：选择开环控制系统实现自控灯的控制要求。选择开环控制系统实现自控灯的控制要求。确定了确定控制系统的设计方案后，画出必确定了确定控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。件，进行组装、调试。3.方案的呈现方案的呈现 学生根据给定的材料，呈现小组方案。学生根据给定的材料，呈现小组方案。4.分组实践：分组实践：根据设计方案和已给材料（各种电子开关、根据设计方案和已给材料（各种电子开关
14、、灯泡、双金属片灯泡、双金属片等），组装衣柜等），组装衣柜自控灯模型。自控灯模型。5.展示与点评：展示与点评：展示部分小组作品并调试。展示部分小组作品并调试。6.拓展与延伸拓展与延伸：这类控制设计方案，除了用在衣橱上，还这类控制设计方案，除了用在衣橱上，还可以用在哪里？可以用在哪里？开关开关灯泡灯泡门的开关门的开关灯亮、灭灯亮、灭 如果把被控对象换成电铃，那么它又可做成如果把被控对象换成电铃，那么它又可做成什么？什么？如果把执行器开关换成声控开关的话，它又如果把执行器开关换成声控开关的话，它又可做成什么？可做成什么？如果把执行器开关换成光控开关的话，它又如果把执行器开关换成光控开关的话，它又可做成什么？可做成什么？设计项目设计项目二二：以普通电饭锅的限温、以普通电饭锅的限温、保温控制为例，体验简保温控制为例，体验简 单的闭环控制系统。单的闭环控制系统。
