1、第五节控制系统方案的初步设计教材p120-p128技术设计的一般过程可归纳为:发现与明确问题、制订设计方案、制作模型或原型、优化设计方案等。对于控制系统设计来说，有它的特殊性，即有许多具体的问题需要在方案设计之前弄清楚。因此，本节围绕着如何形成控制系统设计方案这个中心问题，通过案例分析把握控制系统方案初步设计的思路和方法。一、如何形成初步的控制系统设计方案案例1声控灯系统声控灯是一个简单的开环控制系统。它的组成如图4-27所示。由图可见,声控灯与常规电灯相比，去掉了常规的手操开关，增设了声传感器、控制器和常开(断开）触点。其中，声传感器的灵敏度可设置为不同等级，以适应不同场合使用的需要。这样的
2、声控灯系统是怎样设计出来的呢?分析1:解析被控对象的基本特性照明用的电灯,具有两个工作状态，即点亮状态与熄灭状态。点亮与熄灭，实际上是供电电路的接通(有电流通过)与断开（无电流通过)。也就是说，这两个工作状态的实质区别是有电流或无电流。而有电流或无电流,是通过电路中的开关来操纵的。电灯中电流与开关操作之间的关系,如图4-28所示。由此可见,对于声控灯来说,声响是输人,电流是输出,有（无)前者,便有（无)后者。这是输出与输入之间的关系种简单的逻辑关系。如果供电电网的电压或频率由于某种原因出现波动，将会给电路造成影响。这可以视为一种干扰，即电网参数的波动，直接影响声控灯的输出电流波动、灯光闪烁。这
3、是输出与干扰的关系。以上分析的是被控对象在正常工作状态下，输出与输入之间的关系，输出与干扰之间的关系，称为被控对象的基本特性。问题思考 为避免意外声响对声控灯的干扰，你有什么好办法?分析2:确定被控量与控制量上面的基本特性分析已经明确:被控对象是灯泡，被控量实质上是电流流过电灯的电流。输出量就是被控量。那么，什么是控制量呢?也就是说，通过改变什么参数来实现对被控量的控制呢?由图4-27可见:控制器以及常开触点，根据声音传感器传送过来的电信号(有或无)及触点的触头动作（动或不动)，对电路实现控制（接通或断开),从而决定是否产生电流。因此，触点的通与不通，就是控制量。只是这种控制量仅表现为两种状态
4、而已。声响是输入信号,简称输入。声响强,输入（信号）量大;声响弱,输入（信号）量小。声传感器将声信号转换成电信号，控制器根据它立即使触点工作，接通电路供电，并延时At。时间t的设置，保证了人在楼道里走过时所需要的亮灯持续时间。分析3:确定控制系统构成方案开环控制与闭环控制的根本区别在于:闭环控制系统应用反馈作用来减小系统的误差，即以反馈量与输入量比较产生偏差量（如本章第二节中的水位差,本章第四节中的温度差、角偏差等)，用偏差量作为控制器的输入去实现控制，就是所谓的偏差控制。因此，闭环控制利用反馈作用，可以使被控量的误差做到很小。声控灯系统，只有亮与灭两种运行状态，不存在被控量在量上的误差。因此
5、，声控灯选用开环控制方案就能很好地完成控制任务。系统的具体构成包括:声传感器、控制器及常开触点。分析4:绘制系统框图参照前述的控制系统框图的绘制方法，绘制出声控灯系统框图，如图4-29所示。系统框图是系统设计方案的图形描述。它清楚地表述了声控灯系统的设计方案:采用开环控制;系统构成的各环节;输入量(声响)、输出量（被控量)控制量（接通/断开);信息传递途径。以上四点分析，便是以声控灯为例的控制系统设计的思想与方法、过程与结果。讨论交流 白天，楼道里有足够光亮的情况下，从节电的角度出发，应当如何改进上述设计?大家一起来想办法,并尽量具体化。提示:(1)利用感知光强的传感器（常称为光敏器件)。(2
6、）查询并学习逻辑电路中有关与门的资料。技术实践 试根据声控灯设计方案，搭建出声控灯的实物电路。案例2 棚室温度控制系统棚室采暖需求:棚室采暖，是棚室环境需求光、温、水分、气体中的一个重要方面。采暖按热媒的不同可分为:热风式、热水式、蒸汽式、电热式。其中，热水采暖系统运行稳定可靠，是目前最常用的采暖方式。阅读材料 采暖加温几种方式的比较棚室温度控制系统是怎样设计出来的呢?图4-30为棚室温度控制系统设计的一个实例。分析1:解析对象基本特性系统的输出参数是棚室室温,记作c(t)。系统的输入参数是按要求设定的室温值,记作r(t)。系统的主要干扰参数是室外冷环境的影响,如通过棚顶、墙或开门造成室内温度
7、下降，记作f(t)。c(t)与r(t)、f(t)之间存在一定的关系。比如，当设置r(t)为某值时,若棚室内容积较小,在棚顶与棚墙的绝热性较好、供给的热水温度较高的条件下，c(t)用较短时间就能达到期望值;同时，f)将影响温控效果。实际上,c(t)的变化并不能立即跟上r(t)的变化,总要落后一段时间(如上面说到的“较短时间”)，这就是所谓的对象的热惯性表现。热惯性，是对象的一种基本特性，它反映了输出参数与输入参数间的特定关系。惯性在很多系统中都有所表现。技术探究 c(t)与r(t)、f(t)一种温度控制系统的响应特性及简易测试法 图4-31中的曲线,表示c(t)跟踪r(t)的过程,称为响应特性。
8、首先，看的r(t)的 变化:在t1时刻，)从原来的某一值(如图中的温度T1),跃变为另一个新值(如图中的T2)，如图中黑色折线。接着，看c(t)的变化:c(t)自t1时刻并没能立即跟上r(t)做跃变，而是逐渐上升;经过一段时间(t2-t1)之后,接近r(t)的新值，即期望的温度值，称为稳态值。响应特性表明,c(t)跟上 r(t)达到稳态值，需经历一段时间(t2-t1)。从达到稳态的角度看,c(t)落后于r(t)。这就是被控对象具有热惯性的体现。(t2-t1)值越大，热惯性就越大，c(t)跟上r(t)就越慢。这样的响应特性可以通过实验的方法测得，而不需用很多的仪器。测试的具体方法是:（1)在温度
9、为某一稳态值(如T1）时，设定r(t)的新值(如T2)。让供水阀门以某一开度供热水，并以此作为t1时刻。(2）每隔一小段时间t，用秒表计时，并用温度计测量室温c(t)，得到一个又一个的响应点。如此做下去,待到c(t)趋近于新的稳态值时为止,即对应t时刻。(3）在T-t坐标纸上，点出记录的各响应点（如图4-31中的蓝色小点);连接各点，便得到响应特性曲线。创客坊空调室内的温度特性测试试验 结合本章第一节实例3(空调机制冷/制热的控制)，进行室温的实际测试试验，记录并绘制出温度控制响应特性曲线。要求:(1)设置两种室温，分别进行测试。(2）对获取的温度特性试做分析，阐述该特性曲线具有哪些特点以及空
10、调机对室温调节（控制)的效果。分析2:确定被控量、控制量由图4-30可知:室温是系统的被控量。电磁阀的阀门开度,记作x(O)，是系统的控制量。假定采暖锅炉供给的热水水温一定。当x(1)最大(相当于阀门全打开)时，热水管及散热器向室内供应最大热量当x(t)为零(相当于阀门全部关闭)时，热水进不来，不向室内供应热量。这是阀门工作形式的一种，即全开或全关，称为双位调节。分析3:确定控制方案在图4-30中,感温元件监测室内实际温度,起着反馈作用;与设定的rt)形成温度偏差，继电器动作，接通供电电路，电磁阀打开，热水进入水管供热。显然，这是一个闭环控制系统。为什么要采用闭环控制呢?棚室温度控制,对被控效
11、果要有较严格的控制,如精度（精确度),因此选用闭环控制。闭环控制系统，以其反馈作用，利用偏差，通过控制器的合适控制，可以获得较高的精度。此外，当干扰作用较强时，闭环控制又可以起到抑制干扰影响的作用，这也是选用闭环控制的考虑因素之一。分析4:绘制系统框图(图4-32)阅读材料对温室自动控制系统的基本要求 温室控制(调节)系统的工作品质,直接影响着产品的产量、,品质和效益。因此，对控制系统的基本要求有:1.可靠性 由于温室内高温、高湿和存在腐蚀性气体，所以控制装置是处于一个十分不利的环境下长期工作的、为此要求配套的设施和器材具有较高的可靠性。为了提高其可靠性，在具体装置中可采用光电隔离、电磁屏蔽、
12、电源滤波、可靠接地等抗干扰措施，以及采用适当的防潮、防腐蚀等工程措施，保证控制设施长期安全、正常地工作。2调控精度 在温室生产中，影响生物体生长发育的环境因素，如光照、温度、湿度、CO,浓度等，在生物体不同的生长发育阶段都有较严格的范围，因此，为保证生物体优质和高产、稳产，控制系统的精确度至关重要。这里要指出的是:在生物环境工程中，对某一被调参数的控制精度并不像电子和机械工程中那么高，如西红柿种子发芽的适宜温度为20 30(上限为35，下限为10)，开花温度在15以上，均有一个适宜的温度范围，即要求控制系统的控制精度只要在该适宜范围内即可。3.适应性 现代的自动化温室造价很高，因此，不能单生产
13、某一种作物品种。要根据作物品种不同和在各个不同的生长发育阶段对环境的要求，灵活方便地调整各被控环境因子，以满足作物生长发育的需求，获得高产和优质的成果。问题思考 对温室自动控制系统的基本要求，可以给温室自动控制系统设计工作提供哪些启示?二、控制系统方案初步设计方法的讨论问题思考讨论之前的思考 通过对“声控灯系统”和“棚室温度控制系统”两个案例的分析和研究，你对控制系统方案设计的思路与方法是怎样认识的呢?归纳整理一下，把自己认识的要点记在学习笔记本上。本部分的讨论,采用“引导问题”和“设计方法要点”并行的方式展开,给出的“要点”仅供参考，不是答案或答案的全部。如果你有什么好主意，也可以穿插进来。
14、引导问题:(1)面对控制系统方案设计任务时,从哪儿入手?(2）控制系统中，一般由许多环节组成，你首要关注的是什么?(3）需要了解对象的基本特性吗?(4)控制系统中有许多变量,做假设时，首先要确定其中哪些变量呢?(5）选用开环控制或闭环控制的考虑根据是什么?(6）绘制控制系统框图，要注意表达哪些内容?设计方法要点:从分析入手，解析对象特性。首先关注:传感器/控制器/执行器/对象/反馈诸环节。(注:“”表示“或者”的意思，以下相同。确定:输入量/控制量/被控量、输出量/反馈量/偏差量。选用:越简单好用越好;控制精度/抗干扰性/经济性的考虑。注意:系统构成的类型/组成环节之间的关系/各种量间的关系/
15、信息流通。技术实践在方案设计中长才智原理性控制方案初步设计的练习 命题 亮度可调台灯的原理性电控初步方案设计 设计目的:应用调压原理，采用简单的原理性电路，使灯泡亮度可调。设计内容及要求:(1）解析对象基本特性。指亮度可调台灯在正常工作时，对象的输出信号和输入信号间的关系;与主要干扰参数间的关系。(2）确定被控量、控制量。(3）选用开环控制或闭环控制。注意:要简述选用的根据。(4)绘制控制系统框图。设计的提示:(1)考虑到仅是原理性设计，电路要尽可能简单。比如，采用可变电阻，通过改变电阻的大小调节灯泡的亮度。(2）选择电路元件，包括灯泡、可变电阻等，进行必要的电路计算。(3）分析这种简单的原理
16、性方案，可能会出现什么问题，原因是什么。创客坊亮度可调台灯的实用性电控初步方案的设计 设计目的:应用调压原理，采用简单的电路，使灯泡亮度可调。设计内容及要求:与上面的原理性方案设计内容与要求相同。设计的提示:(1)这个实用方案设计会带来更多的收获。(2）重点是选择一个实用电路，以代替原理性方案。如采用可控硅模块构成实用性控制方案。(3)需要查询、学习有关技术资料,如可控硅技术等。做法:(1)分组进行，按组拿出设计方案;每人都要参与、体验设计全过程。(2）全班交流，小组报告并展示设计方案，讨论。(3）做好记录，写好设计报告。评价与小结:(1)从创新的角度，评价各小组的设计方案，总结在控制系统方案设计过程中有哪些新想法、新做法、新认识。(2)通过控制系统设计的学习，我们的收获是什么?(3）在设计中是如何发挥团队精神的?
