一、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路
系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)?控制的對象?被控對象的特性?被控量和控制量?外界的主要干擾因素?怎樣的方案既達(dá)到目的、又經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)?如何選擇設(shè)備和元件?
實(shí)施控制系統(tǒng)所需的設(shè)備、元件等
控制系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行和評價(jià)
分析被控對象的主要特征
1、設(shè)計(jì)一個控制系統(tǒng),是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制,應(yīng)根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可行性而定。2、在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,被控對象的特性往往難以直接得到,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(yùn)算方式(暗箱方法);3、一個控制系統(tǒng)中可能存在若干個干擾因素,需要分析主次,找出對系統(tǒng)影響最大的干擾因素;4、被控量與控制量的確定是控制方案的關(guān)鍵,對于簡單控制系統(tǒng),需要控制的量往往被確定為被控量,控制量應(yīng)選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定又明顯作用的量;5、執(zhí)行器、檢測器的選擇:一是要根據(jù)被控量和控制量的需求,二是要根據(jù)控制的條件進(jìn)行。
一、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路
1、設(shè)計(jì)一個控制系統(tǒng),是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán) 控制,應(yīng)根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可 行性而定。
開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對比較簡單,在明確設(shè)計(jì)要求,明確被控對象、被控量和控制量后,即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。
例:普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被控對象——被控量——控制量——
案例分析:電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求:電吹風(fēng)能根據(jù)不同的檔位(如冷風(fēng)檔、熱風(fēng)檔)輸出不同種類的風(fēng)。
設(shè)計(jì)分析:被控對象:被控量:控制量:干擾因素:
是房間溫度、電源電壓的波動等。
方案構(gòu)思:選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。 設(shè)定風(fēng)的檔位就設(shè)定了電機(jī)的電壓和電熱絲的阻值,接通電源后,電機(jī)帶動一個小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生的風(fēng)通過電吹風(fēng)的電熱絲,輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對應(yīng)的風(fēng)。 確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后,畫出必要的電器線路圖,選擇適當(dāng)型號的元件和配件,進(jìn)行組裝、調(diào)試。
電吹風(fēng)的控制工作過程: 電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。
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不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)不同的控制目的,要求往往也不一樣。對于簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng),有以下基本要求:
1、一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作,首先必須是穩(wěn)定的。 當(dāng)干擾因素出現(xiàn)時(shí),輸出量發(fā)生偏離,系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整使被控量回到平衡狀態(tài),系統(tǒng)的這種調(diào)整過程有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩,若振蕩呈逐漸衰減趨勢,能很快穩(wěn)定下來,還屬于穩(wěn)定系統(tǒng),否則就是不穩(wěn)定系統(tǒng)。 2、控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求,即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。 3、閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。 在進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),幾項(xiàng)控制要求之間往往會產(chǎn)生矛盾,需要結(jié)合具體問題全面解決或有所側(cè)重地解決。
設(shè)計(jì)要求:當(dāng)水箱水位低于某一指定高度時(shí),進(jìn)水口立即進(jìn)水。當(dāng)水箱水位達(dá)到某一指定高度時(shí),進(jìn)水口停止進(jìn)水??刂葡到y(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別要求。
抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)分析:從設(shè)計(jì)要求來看,這是一種自動控制,因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。被控對象是抽水馬桶的水箱,被控量是抽水馬桶水箱水位的高度,控制量是進(jìn)水管的水流量(進(jìn)進(jìn)水量),水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線形關(guān)系主要干擾因素是水箱的出水流量。
方案構(gòu)思:采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當(dāng)水箱的水位低于水箱的某個高度時(shí),出現(xiàn)了水位差(給定的水位高度與實(shí)際水位高度之差),這個信號通過浮球、連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥,使進(jìn)水閥打開,從而水箱進(jìn)水;當(dāng)水箱水位達(dá)到水箱的某個高度時(shí),水位差為零,進(jìn)水閥關(guān)閉。
水箱水位控制過程:波動沖水旋鈕,使出水閥打開,水箱沖水。與此同時(shí),進(jìn)水閥打開,水箱進(jìn)水,知道指定水位時(shí),進(jìn)水閥關(guān)閉。
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(jì)哪幾種方案?
水箱一次的沖水量實(shí)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(diǎn)右移,使浮球在較小的高度上關(guān)閉進(jìn)水閥。
(4)設(shè)計(jì)兩種沖水方式,一種是半箱水沖洗,一種是整箱水沖洗。
(3)控制出水閥開啟的時(shí)間,使其在水未放完之前關(guān)閉出水閥。這相當(dāng)于改變設(shè)定高度。
(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(減少水箱的實(shí)際蓄水量)
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二、 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例
升旗簡易控制裝置的設(shè)計(jì)
案例分析:自動升旗簡易控制裝置的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求:在國歌播放的時(shí)間內(nèi),控制國旗運(yùn)輸上升到旗桿的頂端。選擇適當(dāng)?shù)目刂品桨笇?shí)現(xiàn)控制;選用成本低,易于獲取的元件、設(shè)備和材料的模型。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例
陳劍負(fù)責(zé)學(xué)校每周兩次的升旗儀式。在學(xué)完《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》模塊后,他決定利用所學(xué)知識設(shè)計(jì)一套能實(shí)現(xiàn)自動升旗的簡易控制裝置的模型。
設(shè)計(jì)分析:采用開環(huán)控制系統(tǒng),被控對象是國旗,被控量是上升的速度,控制量是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止(或速度)。這一開環(huán)控制系統(tǒng)由計(jì)時(shí)裝置和控制升旗的裝置共同完成。計(jì)時(shí)裝置和控制升旗裝置的實(shí)現(xiàn)可以有多種方案。例如,采用機(jī)械定時(shí)器和電動機(jī)實(shí)現(xiàn);采用成品電子定時(shí)器和電動機(jī)實(shí)現(xiàn),采用自制電子定時(shí)器和帶有可調(diào)速電路的電動機(jī)實(shí)現(xiàn);采用音頻信號、觸發(fā)電路和電動機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用任何一種方案實(shí)現(xiàn)控制,都要經(jīng)過若干次調(diào)試,直到符合設(shè)計(jì)要求為止。
設(shè)計(jì)準(zhǔn)備:機(jī)械定時(shí)器(或電子定時(shí)器、自制的電子定時(shí)器、CD唱機(jī)),旗桿,滑輪,卷筒,變速齒輪箱,電動機(jī)調(diào)速器,直流電源等。
思考: 陳劍同學(xué)提出的四種方案各有什么特點(diǎn)?你認(rèn)為哪種方案最容易實(shí)現(xiàn)?
在控制上采用機(jī)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(shí)裝置的精度不高,容易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。
此方案同樣有啟動不容易同步的問題,但定時(shí)器的精度較高。
可以增加學(xué)生的知識面,但需要補(bǔ)充電子線路的知識,比較費(fèi)時(shí),課時(shí)難以保證。
升旗和唱國歌同步啟動,由于CD唱機(jī)比較普遍,器材準(zhǔn)備較其他方案容易。
因此,方案D實(shí)現(xiàn)比較容易。
其實(shí),對升旗來說,可以采用人工控制。由升旗手觀察國旗位置和唱國歌的快慢,經(jīng)判斷后來調(diào)整升旗速度以保證唱國歌結(jié)束時(shí)國旗到頂。

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控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

版本: 蘇教版

年級: 必修2 技術(shù)與設(shè)計(jì)2

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