控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1、第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 一，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路一，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)？系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)？ 控制的對(duì)象？控制的對(duì)象？ 被控對(duì)象的特性？被控對(duì)象的特性？ 被控量和控制量？被控量和控制量？ 外界的主要干擾因素？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)？怎樣的方案既達(dá)到目的、又經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)？ 設(shè)備和元件？設(shè)備和元件？ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 實(shí)施控制系統(tǒng)所需實(shí)施控制系統(tǒng)所需 的設(shè)備、元件等的設(shè)備、元件等 系統(tǒng)的成本分系統(tǒng)的成本分 析析 控制系統(tǒng)調(diào)試、控制系統(tǒng)調(diào)試、 運(yùn)行和

2、評(píng)價(jià)運(yùn)行和評(píng)價(jià) 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的 方案選擇方案選擇 分析被控對(duì)象分析被控對(duì)象 的主要特征的主要特征 明確控制的目的明確控制的目的 確定被控量、確定被控量、 控制量控制量 分析主要的分析主要的 干擾因素干擾因素 。 。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 1 1、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控 制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。 2 2、在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，、在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性往往難往往難 以直接得到，通常是通過(guò)了解被控對(duì)象的輸入與輸出之以直接得到，通常是

3、通過(guò)了解被控對(duì)象的輸入與輸出之 間的關(guān)系來(lái)分析它的基本特性，從而確定控制器的運(yùn)算間的關(guān)系來(lái)分析它的基本特性，從而確定控制器的運(yùn)算 方式方式( (暗箱方法暗箱方法) )； 3 3、一個(gè)控制系統(tǒng)中可能存在若干個(gè)、一個(gè)控制系統(tǒng)中可能存在若干個(gè)干擾因素干擾因素，需要，需要 分析主次，找出對(duì)系統(tǒng)影響最大的干擾因素；分析主次，找出對(duì)系統(tǒng)影響最大的干擾因素； 4 4、被控量與控制量的確定被控量與控制量的確定是控制方案的是控制方案的關(guān)鍵關(guān)鍵，對(duì)于，對(duì)于 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，需要控制的量往往被確定為被控量，控簡(jiǎn)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(duì)抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定又制量應(yīng)選擇可

4、控的、對(duì)抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定又 明顯作用的量；明顯作用的量； 5 5、執(zhí)行器、檢測(cè)器的選擇執(zhí)行器、檢測(cè)器的選擇：一是要根據(jù)被控量和控：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。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)的一般思路一，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 1 1、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控 制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。制，應(yīng)根據(jù)對(duì)控制精度的要求以及條件的可行性而定。 一，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路一，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的

5、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在明確設(shè)計(jì)，在明確設(shè)計(jì) 要求，明確被控對(duì)象、被控量和控制量后，即可要求，明確被控對(duì)象、被控量和控制量后，即可 考慮具體控制系統(tǒng)的方案?？紤]具體控制系統(tǒng)的方案。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 例：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)例：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 被控對(duì)象被控對(duì)象 被控量被控量 控制量控制量 電風(fēng)扇電風(fēng)扇 電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速 電機(jī)的轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：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)電吹風(fēng)能根據(jù)不

6、同的檔位（如冷風(fēng)檔、熱風(fēng) 檔）輸出不同種類(lèi)的風(fēng)。檔）輸出不同種類(lèi)的風(fēng)。 設(shè)計(jì)分析：設(shè)計(jì)分析： 被控對(duì)象：被控對(duì)象： 被控量：被控量： 控制量：控制量： 干擾因素：干擾因素： 是電吹風(fēng)裝置，是電吹風(fēng)裝置， 是風(fēng)的速度和溫度，是風(fēng)的速度和溫度， 是電機(jī)的電壓，是電機(jī)的電壓， 是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 方案構(gòu)思：方案構(gòu)思： 選擇選擇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。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(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，的阻值，接通電源后，電

7、機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)， 產(chǎn)生的風(fēng)通過(guò)電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè)產(chǎn)生的風(fēng)通過(guò)電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè) 定的風(fēng)種相對(duì)應(yīng)的風(fēng)。定的風(fēng)種相對(duì)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(huà)出確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫(huà)出 必要的電器線(xiàn)路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，必要的電器線(xiàn)路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件， 進(jìn)行組裝、調(diào)試。進(jìn)行組裝、調(diào)試。 電吹風(fēng)的控制工作過(guò)程：電吹風(fēng)的控制工作過(guò)程： 電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲電熱絲的熱量通過(guò)一個(gè)的熱量通過(guò)一個(gè) 小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 世界世界100100大發(fā)明之一，生活必備，每天都要使用大發(fā)明之

8、一，生活必備，每天都要使用 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(duì)于簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有以下基本要求：不一樣。對(duì)于簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有以下基本要求： 1 1、一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。、一個(gè)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(guò)當(dāng)干擾因素出現(xiàn)時(shí)，輸出量發(fā)生偏離，系統(tǒng)通過(guò) 動(dòng)態(tài)調(diào)整使被控量回到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的這種調(diào)整動(dòng)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(guò)程有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，若

9、振蕩呈逐漸衰減趨過(guò)程有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨 勢(shì)，能很快穩(wěn)定下來(lái)，還屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，否則就是勢(shì)，能很快穩(wěn)定下來(lái)，還屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，否則就是 不穩(wěn)定系統(tǒng)。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、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)。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。、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(huì)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(huì) 產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問(wèn)題全面解決或有所側(cè)重地解決。產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合

10、具體問(wèn)題全面解決或有所側(cè)重地解決。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 案例分析案例分析 設(shè)計(jì)要求：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。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。 控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒(méi)有特別要求。控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒(méi)有特別要求。 抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 設(shè)計(jì)分析：設(shè)計(jì)分析： 從設(shè)計(jì)要求來(lái)看，這是一種從設(shè)計(jì)要求來(lái)看，這是一種自動(dòng)控制，因此選擇閉自動(dòng)控制，因此選擇閉 環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控

11、制系統(tǒng)。 被控對(duì)象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水被控對(duì)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(xiàn)形關(guān)系量），水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線(xiàn)形關(guān)系 主要干擾因素是水箱的出水流量。主要干擾因素是水箱的出水流量。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 方案構(gòu)思：方案構(gòu)思： 采用浮球作為水位高度的檢測(cè)裝置。當(dāng)水箱的水位采用浮球作為水位高度的檢測(cè)裝置。當(dāng)水箱的水位 低于水箱的某個(gè)高度時(shí)，出現(xiàn)了水位差（給定的水低于水箱的某個(gè)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(gè)信號(hào)通

12、過(guò)浮球、位高度與實(shí)際水位高度之差），這個(gè)信號(hào)通過(guò)浮球、 連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開(kāi)，從而水箱進(jìn)連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開(kāi)，從而水箱進(jìn) 水；當(dāng)水箱水位達(dá)到水箱的某個(gè)高度時(shí)，水位差為水；當(dāng)水箱水位達(dá)到水箱的某個(gè)高度時(shí)，水位差為 零，進(jìn)水閥關(guān)閉。零，進(jìn)水閥關(guān)閉。 水箱水位控制過(guò)程：水箱水位控制過(guò)程： 波動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開(kāi)，水波動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開(kāi)，水 箱沖水。與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開(kāi)，箱沖水。與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開(kāi)， 水箱進(jìn)水，知道指定水位時(shí)，進(jìn)水水箱進(jìn)水，知道指定水位時(shí)，進(jìn)水 閥關(guān)閉。閥關(guān)閉。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

13、討論討論 在上述案例中，如果要節(jié)約用水，減少水箱每次在上述案例中，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？沖水的量，你能設(shè)計(jì)哪幾種方案？ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 38.8萬(wàn)元的金馬桶萬(wàn)元的金馬桶 一套近似天價(jià)的金一套近似天價(jià)的金 意大利宮廷潔具亮相北京，意大利宮廷潔具亮相北京， 并以當(dāng)日兩套訂單的驚人業(yè)并以當(dāng)日兩套訂單的驚人業(yè) 績(jī)?yōu)楣?jié)后剛剛復(fù)蘇的家居建績(jī)?yōu)楣?jié)后剛剛復(fù)蘇的家居建 材市場(chǎng)注入了一針興奮劑。材市場(chǎng)注入了一針興奮劑。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 二，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施案例 升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)計(jì)升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 案例分析：自動(dòng)升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)

14、計(jì)案例分析：自動(dòng)升旗簡(jiǎn)易控制裝置的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： 在國(guó)歌播放的時(shí)間內(nèi)，控制國(guó)旗運(yùn)輸上升在國(guó)歌播放的時(shí)間內(nèi)，控制國(guó)旗運(yùn)輸上升 到旗桿的頂端。到旗桿的頂端。 選擇適當(dāng)?shù)目刂品桨笇?shí)現(xiàn)控制；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)備和材選用成本低，易于獲取的元件、設(shè)備和材 料的模型。料的模型。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例控制系統(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)技術(shù) 與設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)2 2模塊后，他決定利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一套模塊后，他決定利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一套 能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升旗的簡(jiǎn)易控制裝置的模型。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升旗的簡(jiǎn)易

15、控制裝置的模型。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 設(shè)計(jì)分析：設(shè)計(jì)分析： 采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，被控對(duì)象是國(guó)旗，被采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，被控對(duì)象是國(guó)旗，被 控量是上升的速度，控制量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)控量是上升的速度，控制量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)與停止（或速度）。動(dòng)與停止（或速度）。 這一開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由計(jì)時(shí)裝置和控制升旗這一開(kāi)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。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。種方案。例如，采用機(jī)械定時(shí)器和電動(dòng)機(jī)例如，采用機(jī)械定時(shí)器和電動(dòng)機(jī) 實(shí)現(xiàn)；采用成品電子定時(shí)器和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)；采用成品電子定時(shí)器和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)， 采用自制電子定

16、時(shí)器和帶有可調(diào)速電路的采用自制電子定時(shí)器和帶有可調(diào)速電路的 電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)；采用音頻信號(hào)、觸發(fā)電路和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)；采用音頻信號(hào)、觸發(fā)電路和 電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(guò)若采用任何一種方案實(shí)現(xiàn)控制，都要經(jīng)過(guò)若 干次調(diào)試，直到符合設(shè)計(jì)要求為止。干次調(diào)試，直到符合設(shè)計(jì)要求為止。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：設(shè)計(jì)準(zhǔn)備： 機(jī)械定時(shí)器（或電子定時(shí)器、自制的電子機(jī)械定時(shí)器（或電子定時(shí)器、自制的電子 定時(shí)器、定時(shí)器、CD唱機(jī)），旗桿，滑輪，卷筒，唱機(jī)），旗桿，滑輪，卷筒， 變速齒輪箱，電動(dòng)機(jī)調(diào)速器，直流電源等。變速齒輪箱，電動(dòng)機(jī)調(diào)速器，直流電源等。 機(jī)械定時(shí)器機(jī)械定時(shí)器 555定時(shí)器定時(shí)器 CD唱機(jī)唱機(jī) 控制系統(tǒng)