1、多技术交叉综合应用实践教材p134-p138一、实践主题多元控制多技术交叉综合应用简易观赏鱼鱼缸系统设计与实现。二、实践背景在学习结构、流程、系统与控制技术之后，以综合应用实践的方式，来巩固并提升学习效果,强化技术意识、工程思维、创新设计及图样表达、物化能力等技术核心素养;同时，营造优美的生活环境,享受学技术、习实践之乐趣,丰富未来生活。三、项目实施（一）总体设计系统总体设计,首先明确系统总体功能的要求，进行系统基本特性分析;接着进行系统方案设计，确定各分系统的设计任务与要求。简易观赏鱼鱼缸系统，以下简称鱼缸系统,是一个较大系统的总称,主要由三个分系统组成,分别是缸体系统、缸架系统和缸内环境系
2、统,如图1所示。缸体外尺寸设为1200 mm x400 mm x 560 mm（长宽高);缸体置于缸架之上;缸架高度设为630 mm;缸内环境系统置于缸体之上。(二）缸体系统设计1.缸体系统功能设计缸体系统的功能是装水养鱼,前后左右透明,水可以装到缸体高度的60%80%，保持长久不渗不漏，结实不变形。2.缸体系统结构设计参考方案缸体系统结构如图2所示。缸体框架用4号轻型角钢焊接而成，其外形尺寸见总体设计;缸底采用58 mm厚玻璃;四周采用5 mm厚玻璃;玻璃面与玻璃面之间的粘接与密封(共8条)采用白水泥或其他黏合材料。缸体系统制作流程如图3所示。(三）缸架系统设计1.缸架系统功能设计缸架系统的
3、主要功能是承载装满水的缸体系统(包括置于缸体上方的环境系统的装置)。缸体系统和环境系统装置的总质量(可以通过计算或测量来确定)，构成对缸架系统的正压力,因此可以对缸架系统做出受力分析和强度稳定性评估。2.缸架系统结构设计参考方案缸架系统参考结构如图4所示。该结构为带有两扇门的柜体，其外形尺寸参照总体设计。缸架的构件材料可有多种选择，如铁质的、木质的等。缸架的各构件之间的连接方式也有多种选择，如构件采用木材，则可使用榫卯或螺钉或胶粘等，以连接牢固可靠为选择原则。(四)缸内环境系统设计缸内环境系统根据鱼缸中观赏鱼生存环境的需求面配置。如水温自动控制装置，简称温控装置;水质清澈度自动控制装置，简称净
4、水装置缸内光照自动控制装置，简称照明装置;鱼饵投放自动概制装置，简称哏食装置;等等。下面,以温控装置和净水装置为例来讨论设计问题。1.温控装置绝大多数的观赏鱼最适宜的生长温度为24 28，温度变化超过4将有可能导致观赏鱼的死亡。因此,缸内环境系统最重要的功能是保证水温恒定,需要配置温控装置。分析1:解析对象基本特性温控装置的系统输入是设定的水温，根据观赏鱼的适宜生长温度来设定，如26;温控装置的系统榆出是缸内的实际水温导致缸内水温变化的主要因素（干扰)是室温,如冬季室温偏低或夏季室温过高,室温的变化将直接影响鱼缸内水温的变化。通过上述分析，可以得到温控装置的系统设计需求。温控装置功能和技术要求
5、功能:检测缸内实际水温，自动启动加热或冷却装置保持缸内水温恒定。技术要求:设定温度:26。控温精度:士2。分析2:确定被控量与控制量温控装置的系统输出为被控量，即缸内水温。那么，通过什么方式可以实现缸内水温的调节呢?通常，对鱼缸内的水进行加热可采用电加热棒，加热时间决定了水温升高的幅度;对鱼缸内的水进行降温可以采用散热风扇或冷水机。分析3:确定控制系统构成方案为实现缸内水温的自动调节，需要配置温度传感器检测缸内实际水温，将实际水温与设定温度进行比较，计算得到温度偏差，根据温度偏差的极性确定对缸内水温进行加热或降温处理，从而实现水温偏差的减小，构成闭环控制。温控装置自动调节温度的控制框图如图5所
6、示。图5中,方框代表控制系统的组成部件,都是具体的物理装置,如集成电路、单片机等，图中的实线箭头表示物理量(信号)，箭头的指向代表了信号的传递方向。图中各组成部分如下:被控对象缸内的水是被控对象。鱼缸内，水的容量代表了被控对象的固有特性。越多的水(水的质量越大)控制其升温或降温单位温度(如1）需要传递的热量就越多，若采用相同的加热或降温工具，装水多的大鱼缸相比装水少的小鱼缸，水温的升高或降低都会更缓慢,即水量的多少成为被挖对象的固有特性之一。测量元件（传感器）我们需要控制的物理量是水的温度，因此水温成为温控装置的被控量，也是温控系统的输出。我们希望知道鱼缸内的实际水温是多少，于是需要安装温度传
7、感器检测缸内的实际水温。温度传感器输出通常为电信号(反馈信号)，根据传感罃类型的不同反馈信号可以分为电流信号、电压信号、电阻信号。执行器（继电器、加热/降温模块）执行器是能够改变被控量大小的物理装置，改变缸内水温的装置可以是加热器或是散热器，性能好的执行器可以使被控量快速准确地改变,如采用大容量的加热棒就可以使鱼缸内的水快速升温。继电器接收的是小电流信号.它可以利用小电流信号控制大电流的导通和切断，是实现单片机输出小电流信号控制加热/降温模块输人大电流信号的电磁元件。控制器控制器根据控制偏差的极性(偏差的正负）切换执行器（偏差为正，启动加热器偏差为负，启动散热器)，控制器也可以根据控制偏差的大
8、小改变执行器输人信号的大小，实现被控量的快速调整。比较环节“”在控制学领域中代表比较环节，即对两路信号的大小进行比较，流入“”代表输入信号,流出“”代表输出信号,如图6所示。比较环节可以通过硬件或软件实现，如硬件电路中采用集成电路芯片电压比较器（如LM339)可以实现电压信号比较。采用单片机通过软件编程也可以实现信号的比较(首先要应用模拟量/数字量转换电路,即A/D转换电路将待比较的电信号采集到单片机中，才能再应用软件编程实现信号比较)。干扰信号（室温干扰因素)在图5温控装置系统中，加热/降温模块温度对缸内水温的调整会受到室温的直接影响，因此温控系统的输出实际上是两者的叠加，室温干扰改变了被控
9、量实际水温的大小，因此需要引人自动控制抑制室温干扰的影响。分析4:控制系统的实现参考图5，温控装置系统实现框图如图7所示。根据性价比选用温控装置的各个部件，如温度传感器可采用DS18B20或PT100，设定温度及比较环节可以采用单片机AT89C2051，加热/降温装置分别选用加热棒和冷水机等。实际系统中，除了选择控制系统中的各个元件外，还要考虑信号在传递过程中的转换，如单片机或计算机只能通过A/D转换采集并处理数字信号，控制信号要经过功率放大才能带动执行器工作等。2.净水装置俗话说“养鱼先养水”，可见良好的水质环境对水族生物是多么的重要。鱼缸水质监测包括水温、水软性度、水酸碱度、生化菌群等多个
10、方面，大多需要采用专业试纸或专用仪器进行科学检测。分析1:解析对象基本特性净水装置的系统输入是科学的水质标准，如pH=7，呈中性。水质容易受到多方面的影响，如鱼缸过滤系统工作时带来的颗粒杂质、自来水的注入、观赏鱼的排泄物等都会造成水质变差。通过上述分析,可以得到净水装置的系统设计需求。净水装置的功能和技术要求 功能:检测缸内实际永质,自动启动过滤系统保持缸内水质满足水质标准。技术要求:设定水质指标:pH=7，kH=8等。分析2:确定被控量与控制量净水装置的系统输出为被控量，即缸内水质参数，那么，通过什么方式可以实现缸内水质的调节呢?通常，通过启动过滤系统或投放药品可以快速调节鱼缸水质。分析3:
11、确定控制系统构成方案为调节缸内水质，需要配置水质检测传感器检测缸内水质情况。养鱼人根据水质检测结果，将实际水质与水质标准进行比较，计算得到控制偏差，根据水质的偏差情况实现水质的改善，从而实现水质偏差的减小，构成闭环控制，如图8所示。创客坊 鱼缸系统中,照明装置和喂食装置也是两个控制系统,回顾第四章的学习内容，试对照明装置或喂食装置进行控制设计，提示如下:喂食装置:喂食装置实质上是开环控制，定时定量启动喂食装置，食物自动落入缸内。照明装置:照明装置可以设计为闭环控创系统，照明装置的被控量是光强，控制量可以选择照明系统的电流，改变电流大小调节光源（灯)的强度;可采用光敏电阻作为传感器,感应光照强度。
