1、第四節第四節 控制系統的設計與實施控制系統的設計與實施一、控制系統設計的一般思路控制系統控制系統的設計的設計實施控制系統所需實施控制系統所需的設備、元件等的設備、元件等系統的成本分系統的成本分析析控制系統調試、控制系統調試、運行和評價運行和評價控制系統的控制系統的方案選擇方案選擇分析被控對象分析被控對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。 。1 1、設計一個控制系統，是選擇、設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。制，應根據對控制精度的要求以

2、及條件的可行性而定。2 2、在控制系統設計過程中，、在控制系統設計過程中，被控對象的特性被控對象的特性往往難往往難以直接得到，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系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式方式( (暗箱方法暗箱方法) )；3 3、一個控制系統中可能存在若干個、一個控制系統中可能存在若干個干擾因素干擾因素，需要，需要分析主次，找出對系統影響最大的干擾因素；分析主次，找出對系統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鍵關鍵，

3、對于，對于簡單控制系統，需要控制的量往往被確定為被控量，控簡單控制系統，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統穩定有制量應選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統穩定有明顯作用的量；明顯作用的量；5 5、執行器、檢測器的選擇執行器、檢測器的選擇：一是要根據被控量和控：一是要根據被控量和控制量的需求，二是要根據控制的條件進行。制量的需求，二是要根據控制的條件進行。明確目標，了解被控對象的基本特性明確目標，了解被控對象的基本特性完成設計制作、檢測、調試、優化、評價完成設計制作、檢測、調試、優化、評價確定被控量和控制量確定被控量和控制量確定控制方案確定控制方案繪制控

4、制系統框圖繪制控制系統框圖開環控制系統的開環控制系統的設計相對比較簡單設計相對比較簡單，在明確設計，在明確設計要求，明確要求，明確被控對象、被控量和控制量被控對象、被控量和控制量后，即可后，即可考慮具體控制系統的方案。考慮具體控制系統的方案。開環控制系統的設計例：普通電風扇控制系統的設計例：普通電風扇控制系統的設計被控對象被控對象被控量被控量控制量控制量 電風扇電風扇電風扇輸出的風速電風扇輸出的風速電機的轉速電機的轉速案例分析：電吹風控制系統的設計設計要求：設計要求： 電吹風能根據不同的檔位（如冷風檔、熱風電吹風能根據不同的檔位（如冷風檔、熱風檔）輸出不同種類的風。檔）輸出不同種類的風。設計分

5、析：設計分析：被控對象：被控對象：被控量：被控量：控制控制量：量：干擾因素：干擾因素：是電吹風裝置，是電吹風裝置，是風的速度和溫度，是風的速度和溫度，是電機的電壓，是電機的電壓，是房間溫度、電源電壓的波動等。是房間溫度、電源電壓的波動等。方案構思：方案構思： 選擇選擇開環控制系統開環控制系統實現電吹風的控制要求。實現電吹風的控制要求。 設定風的檔位就設定了設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲電機的電壓和電熱絲的阻值的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的

6、風。定的風種相對應的風。 確定了電吹風控制系統的設計方案后，畫出確定了電吹風控制系統的設計方案后，畫出必要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，必要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調試。進行組裝、調試。 電吹風的控制工作過程：電吹風的控制工作過程： 電吹風是要將其內部電吹風是要將其內部電熱絲電熱絲的熱量通過一個的熱量通過一個小電風扇擴散出去。小電風扇擴散出去。世界世界100100大發明之一，生活必備，每天都要使用大發明之一，生活必備，每天都要使用閉環控制系統的設計不同的閉環控制系統用于實現不同的控制目的，要求往往也不同的閉環控制系統用于實現不同的控制目的，要求往往也不一樣。

7、對于簡單的閉環控制系統，有以下基本要求：不一樣。對于簡單的閉環控制系統，有以下基本要求：在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。1 1、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。 當干擾因素出現時，輸出量發生偏離，系統通過動態調當干擾因素出現時，輸出量發生偏離，系統通過動態調整使被控量回到平衡狀態，系統的這種調整過程有可能整使被控量回到平衡狀態，系統的這種調整過程有可能使系統產生振

8、蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨勢，能很快穩定使系統產生振蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨勢，能很快穩定下來，還屬于穩定系統，否則就是不穩定系統。下來，還屬于穩定系統，否則就是不穩定系統。2、控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量、控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內。與給定值之差應控制在允許的范圍之內。3、閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。、閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計設計要求：當水箱水位低于某一指定高度時，進水口立即進水。當水箱水位低于某一指定高度時，進水口立即進水。當水箱水位達到某一指定高度時，進水口停止進水

9、。當水箱水位達到某一指定高度時，進水口停止進水。控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別要求。控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別要求。設計分析：從設計要求來看，這是一種從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉自動控制，因此選擇閉環控制系統。環控制系統。被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水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，控制量是進水管的水流量（進進水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（進進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線形關系量），水箱水位的高度與進水量之間呈線形關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。方案構思：采用

10、浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低于水箱的某個高度時，出現了水位差（給定的水低于水箱的某個高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際水位高度之差），這個信號通過浮球、位高度與實際水位高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱水位達到水箱的某個高度時，水位差為水；當水箱水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關閉。零，進水閥關閉。水箱水位控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進

11、時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水，直到指定水位時，進水閥關閉。水閥關閉。討論： 在上述案例中，如果要節在上述案例中，如果要節約用水，減少水箱每次沖水的約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設計哪幾種方案？量，你能設計哪幾種方案？（1 1）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關閉進）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關閉進水閥。水閥。（4 4）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。整箱水沖洗。（3 3）控制出水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關）控制出水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關閉出水閥。這相當于改變設定高度。閉出水

12、閥。這相當于改變設定高度。（2 2）在水箱中放入比水重的物體，起到減小水箱平均）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（減少水箱的實際蓄水量）截面積的作用（減少水箱的實際蓄水量）二、控制系統的設計實施案例案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設計設計要求：在國歌播放的時間內，控制國旗運輸上升在國歌播放的時間內，控制國旗運輸上升到旗桿的頂端。到旗桿的頂端。選擇適當的控制方案實現控制；選擇適當的控制方案實現控制；選用成本低，易于獲取的元件、設備和材選用成本低，易于獲取的元件、設備和材料的模型。料的模型。陳劍負責學校每周兩次的升旗儀式。在學完陳劍負責學校每周兩次的升旗儀式。在學完技術技術與

13、設計與設計2 2模塊后，他決定利用所學知識設計一套模塊后，他決定利用所學知識設計一套能實現自動升旗的簡易控制裝置的模型。能實現自動升旗的簡易控制裝置的模型。設計分析：采用開環控制系統，被控對象是國旗，被采用開環控制系統，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動與停止（或速度）。動與停止（或速度）。這一開環控制系統由計時裝置和控制升旗這一開環控制系統由計時裝置和控制升旗的裝置共同完成。的裝置共同完成。計時裝置和控制升旗裝置的實現可以有多計時裝置和控制升旗裝置的實現可以有多種方案。種方案。例如，采用機械定時器和電動機例如，采用機械定時器和電動機實

14、現；采用成品電子定時器和電動機實現，實現；采用成品電子定時器和電動機實現，采用自制電子定時器和帶有可調速電路的采用自制電子定時器和帶有可調速電路的電動機實現；采用音頻信號、觸發電路和電動機實現；采用音頻信號、觸發電路和電動機實現電動機實現。采用任何一種方案實現控制，都要經過若采用任何一種方案實現控制，都要經過若干次調試，直到符合設計要求為止。干次調試，直到符合設計要求為止。設計準備：機械定時器（或電子定時器、自制的電子定機械定時器（或電子定時器、自制的電子定時器、時器、CD唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機調速器，直流電源等。齒輪箱，電動機調速器，直流電源等。機械定時器機械定時器555定時器定時器CD唱機唱機思考： 陳劍同學提出的四種方案各有什么特點？你認為陳劍同學提出的四種方