控制系统设计与实施

1、第四节第四节 控制系统的设计与实施控制系统的设计与实施一，控制系统设计的一般思路一，控制系统设计的一般思路系统要达到的目标？系统要达到的目标？控制的对象？控制的对象？被控对象的特性？被控对象的特性？被控量和控制量？被控量和控制量？外界的主要干扰因素？外界的主要干扰因素？怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？设备和元件？设备和元件？控制系统控制系统的设计的设计实施控制系统所需实施控制系统所需的设备、元件等的设备、元件等系统的成本分系统的成本分析析控制系统调试、控制系统调试、运行和评价运行和评价控制系统的控制系统的方案选择方案选择分析被控对象分析被控对象的

2、主要特征的主要特征明确控制的目的明确控制的目的确定被控量、确定被控量、控制量控制量分析主要的分析主要的干扰因素干扰因素。 。1 1、设计一个控制系统，是选择、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。2 2、在控制系统设计过程中，、在控制系统设计过程中，被控对象的特性被控对象的特性往往难往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算

3、方式方式( (暗箱方法暗箱方法) )；3 3、一个控制系统中可能存在若干个、一个控制系统中可能存在若干个干扰因素干扰因素，需要，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；4 4、被控量与控制量的确定被控量与控制量的确定是控制方案的是控制方案的关键关键，对于，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又明显作用的量；明显作用的量；5 5、执行器、检测器的选择执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控：一是

4、要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。制量的需求，二是要根据控制的条件进行。一，控制系统设计的一般思路一，控制系统设计的一般思路1 1、设计一个控制系统，是选择、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。一，控制系统设计的一般思路一，控制系统设计的一般思路开环控制系统的开环控制系统的设计相对比较简单设计相对比较简单，在明确设计，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。考虑具体控制系统的方案

5、。开环控制系统的设计开环控制系统的设计例：普通电风扇控制系统的设计例：普通电风扇控制系统的设计被控对象被控对象被控量被控量控制量控制量 电风扇电风扇电风扇输出的风速电风扇输出的风速电机的转速电机的转速案例分析：电吹风控制系统的设计案例分析：电吹风控制系统的设计设计要求：设计要求： 电吹风能根据不同的档位（如冷风档、热风电吹风能根据不同的档位（如冷风档、热风档）输出不同种类的风。档）输出不同种类的风。设计分析：设计分析：被控对象：被控对象：被控量：被控量：控制量：控制量：干扰因素：干扰因素：是电吹风装置，是电吹风装置，是风的速度和温度，是风的速度和温度，是电机的电压，是电机的电压，是房间温度、电

6、源电压的波动等。是房间温度、电源电压的波动等。方案构思：方案构思： 选择选择开环控制系统开环控制系统实现电吹风的控制要求。实现电吹风的控制要求。 设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。定的风种相对应的风。 确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，

7、进行组装、调试。进行组装、调试。 电吹风的控制工作过程：电吹风的控制工作过程： 电吹风是要将其内部电吹风是要将其内部电热丝电热丝的热量通过一个的热量通过一个小电风扇扩散出去。小电风扇扩散出去。世界世界100100大发明之一，生活必备，每天都要使用大发明之一，生活必备，每天都要使用闭环控制系统的设计闭环控制系统的设计不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：1 1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。、一个闭环控制系统要正常工作，

8、首先必须是稳定的。 当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋过程有可能使系统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。不稳定系统。2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。

9、、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。案例分析案例分析设计要求：设计要求：当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。抽水马桶水箱的自动控制系统的设计抽水马桶水箱

10、的自动控制系统的设计设计分析：设计分析：从设计要求来看，这是一种从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭自动控制，因此选择闭环控制系统。环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系主要干扰因素是水箱的出水流量。主要干扰因素是水箱的出水流量。方案构思：方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时

11、，出现了水位差（给定的水低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。零，进水阀关闭。水箱水位控制过程：水箱水位控制过程：波动冲水旋钮，使出水阀打开，水波动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，知道指定水位时，进水水箱进水，知道指定水位时，进水阀关闭。阀关闭。

12、抽水马桶水箱的自动控制系统的设计抽水马桶水箱的自动控制系统的设计讨论讨论 在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？冲水的量，你能设计哪几种方案？38.8万元的金马桶万元的金马桶 一套近似天价的金一套近似天价的金意大利宫廷洁具亮相北京，意大利宫廷洁具亮相北京，并以当日两套订单的惊人业并以当日两套订单的惊人业绩为节后刚刚复苏的家居建绩为节后刚刚复苏的家居建材市场注入了一针兴奋剂。材市场注入了一针兴奋剂。二，控制系统的设计实施案例升旗简易控制装置的设计案例分析：自动升旗简易控制装置的设计案例分析：自动升旗简易控制装置的设计设计

13、要求：设计要求：在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升在国歌播放的时间内，控制国旗运输上升到旗杆的顶端。到旗杆的顶端。选择适当的控制方案实现控制；选择适当的控制方案实现控制；选用成本低，易于获取的元件、设备和材选用成本低，易于获取的元件、设备和材料的模型。料的模型。控制系统的设计与实施案例控制系统的设计与实施案例陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完技术技术与设计与设计2 2模块后，他决定利用所学知识设计一套模块后，他决定利用所学知识设计一套能实现自动升旗的简易控制装置的模型。能实现自动升旗的简易控制装置的模型。设计分析：设计分析：采用开环控制系统，被控对象

14、是国旗，被采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）。动与停止（或速度）。这一开环控制系统由计时装置和控制升旗这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同完成。的装置共同完成。计时装置和控制升旗装置的实现可以有多计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案。种方案。例如，采用机械定时器和电动机例如，采用机械定时器和电动机实现；采用成品电子定时器和电动机实现，实现；采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带有可调速电路的采用自制电子定时器和带有可调速电路的电动机实现；采用音频信号、触发电路和电动机实现；采用音频信号、触发电路和电动机实现电动机实现。采用任何一种方案实现控制，都要经过若采用任何一种方案实现控制，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。干次调试，直到符合设计要求为止。设计准备：设计准备：机械定时器（或电子定时器、自制的电子机械定时器（或电子定时器、自制的电子定时器、定时器、CD唱机），旗杆，滑