一控制系统设计的一般思路ppt课件

1、一、控制系统设计的普通思绪一、控制系统设计的普通思绪二、控制系统的设计与实施案例二、控制系统的设计与实施案例第第1 1课时课时 引入：引入： 要设计一种自动开关的节能灯控制系统，要设计一种自动开关的节能灯控制系统，如何展开我们的设计思绪？需求从哪些方面着如何展开我们的设计思绪？需求从哪些方面着手思索问题呢？手思索问题呢？ 被控对象是什么？被控对象是什么？ 控制的目的是什么？控制的目的是什么？ 这种灯用在什么地方？环境怎样？这种灯用在什么地方？环境怎样？ 这样的灯应如何任务？被控量和控制量分别是什这样的灯应如何任务？被控量和控制量分别是什么？么？ 有什么其他要素会干扰灯的正常任务？有什么其他要素

2、会干扰灯的正常任务？根据他的判别，能提出一种设计方案吗？根据他的判别，能提出一种设计方案吗？1.1.控制系统设计的普通思绪：控制系统设计的普通思绪：控制系统设计控制系统设计明确控制的目的明确控制的目的确定被控量、控制量确定被控量、控制量分析被控对象分析被控对象的主要特性的主要特性控制系统的调试控制系统的调试 运转和评价运转和评价分析主要的干扰要素分析主要的干扰要素控制系统方案的选择控制系统方案的选择系统的本钱分析系统的本钱分析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、元件等案例：电吹风风速控制案例：电吹风风速控制 1被控对象是什么？被控对象是什么？2控制目的是什么？控制目的是什么？

3、3被控量是什么？控制量是什么？被控量是什么？控制量是什么？4需求哪些零部件组成控制系统？需求哪些零部件组成控制系统？5有哪些干扰要素会影响到控制系统的任务有哪些干扰要素会影响到控制系统的任务？影响的程度有多大？影响的程度有多大？6他以为他以为,控制系统各部件的设计还与什么有控制系统各部件的设计还与什么有关关? 开环控制系统的设计开环控制系统的设计 明确设计要求。明确设计要求。 明确被控对象、被控量和控制量。明确被控对象、被控量和控制量。 思索控制系统的方案。思索控制系统的方案。 设计要求：电吹风能根据不同的挡位如冷风设计要求：电吹风能根据不同的挡位如冷风挡、热风挡输出不同种类的风。挡、热风挡输

4、出不同种类的风。 设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风安装，被控量是风的速度和温度，控制量是风安装，被控量是风的速度和温度，控制量是电机电压，干扰要素是房间温度、电源电压的电机电压，干扰要素是房间温度、电源电压的动摇等。动摇等。电吹风分控制任务过程：电吹风是要将其内部电吹风分控制任务过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量经过一个小电风扇分散出去。电热丝的热量经过一个小电风扇分散出去。方案构思：方案构思： 选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。 设定风的挡位就设定了电机的电压和电热丝的阻设定风的挡位就设定了电机的电

5、压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风经过电吹风的电热丝，输出的就是与设定生的风经过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。电机、风扇、电热丝设定电的风种相对应的风。电机、风扇、电热丝设定电吹风的挡位输入风的速度和温度输出。吹风的挡位输入风的速度和温度输出。电机、风扇、电电机、风扇、电热丝热丝设定电吹风的挡位设定电吹风的挡位输入风的速度和温度风的速度和温度输出实验过程：实验过程： 1.画出电吹风的电路设计图；画出电吹风的电路设计图；2.选择挡位翻开开关演示电吹风的任务过程；选择挡位翻开开关演示电吹风的任务过程；3.知识

6、延伸：假设设定了热风挡之后又需求分强知识延伸：假设设定了热风挡之后又需求分强风挡和弱风挡如何进展设计。风挡和弱风挡如何进展设计。案例：抽水马桶案例：抽水马桶 察看模型的演示，阅读教材，陈说其任务过程。察看模型的演示，阅读教材，陈说其任务过程。提出以下问题：提出以下问题：1被控对象是什么？被控对象是什么？2控制目的是什么？控制目的是什么？3被控量是什么？控制量是什么？被控量是什么？控制量是什么？4为什么采用闭环控制方式？为什么采用闭环控制方式？5被控量与控制量之间是如何实现反响的？被控量与控制量之间是如何实现反响的？6假设要节约用水，减少水箱每次冲水量，假设要节约用水，减少水箱每次冲水量，他能设

7、计哪几种方案？他能设计哪几种方案？ 闭环控制系统：闭环控制系统： 一个闭环控制系统要正常任务，首先必需是一个闭环控制系统要正常任务，首先必需是稳定的。稳定的。 控制系统的控制精度必需符合要求，即系统控制系统的控制精度必需符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计 设计工程：抽水马桶水箱的自动控制系统设计工程：抽水马桶水箱的自动控制系统设计要求：设计要求：1.当水箱中的水位低与某一指

8、定的高度时，进水当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立刻进水。口立刻进水。2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立刻停顿进水。口立刻停顿进水。3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。别的要求。设计分析：设计分析： 1.从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。制系统。2.被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱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即进水量，水箱位的高度，控制量

9、是进水管的水流量即进水量，水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。水位的高度与进水量之间呈曲线关系。3.主要干扰要素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度主要干扰要素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度的检测安装。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出的检测安装。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差给定的水位高度与实践高度之差，这个信现了水位差给定的水位高度与实践高度之差，这个信号经过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀翻开，从而号经过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀翻开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进

10、水阀封锁。差为零，进水阀封锁。水箱水位的控制过程：水箱水位的控制过程： 拨动冲水旋扭，使出水阀翻开，水箱冲拨动冲水旋扭，使出水阀翻开，水箱冲水。与此同时，进水阀翻开，水箱进水，直水。与此同时，进水阀翻开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀封锁。到指定水位时，进水阀封锁。给定水位给定水位杠杆比较杠杆比较进水阀门进水阀门水箱水箱水位水位浮球浮球+- 控制过程方框图：控制过程方框图： 小结：小结： 一、控制系统设计的普通思绪一、控制系统设计的普通思绪系统要到达的目的？系统要到达的目的？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？外界的主要干扰要素？外界的主要

11、干扰要素？ 怎样的方案既到达目的、又经济、易于实现？怎样的方案既到达目的、又经济、易于实现？ 设备和元件？设备和元件？ 1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定和条件的可行性而定 2.找出控制系统的干扰要素，并分清主次，找出找出控制系统的干扰要素，并分清主次，找出最大的干扰要素最大的干扰要素 3.要确定控制量和被控量要确定控制量和被控量 4.执行器和检测安装的选择执行器和检测安装的选择: 一是要根据控制量和一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件被控量的需求，二是根据控制条件控制系统设计需满足的根本条件控制系统设计需满足的根

12、本条件: 能到达控制的目的能到达控制的目的 采用易于实现的方式采用易于实现的方式 降低控制本钱降低控制本钱 减少对环境的负面影响减少对环境的负面影响教学资料：教学资料： 1.控制的函义控制的函义 人们按照本人的志愿或目的，经过一定的手段，使事物向期望的目的开展。2.控制的分类1从控制过程中人工干涉的情形来分：人工控制、自动控制；2按照执行部件的不同来分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。3.控制系统1控制系统的函义：任何一个控制的实现，都要经过假设干个环节，这些环节就构成了一个系统。 2控制系统的分类：由于控制的方式不同，自动控制又有：开环控制系统和闭环控制系统之分。4.开环控制系统

13、1开环控制系统函义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。2控制系统方框图：在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线表示系统信号传送的方向，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。3开环控制系统的方框图：控制器执行器被控对象控制量输入量输出量。控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量5.闭环控制系统 1闭环控制系统函义：我们把系统的输出量前往到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。2闭环控制系统方框图：控制器、执行器、被控对象、控制量、输入量、输出量、检测安

14、装、。控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量检测安装检测安装6.干扰要素 在控制系统中，除输入量给定值以外，引起被控量变化的各种要素称为干扰要素。7.反响的涵义 控制系统中，将输出量经过适当的检测安装前往输入端与输入量进展比较的过程。8、开环控制系统与闭环控制系统的比较、开环控制系统与闭环控制系统的比较 开环控制系统：控制精度相对比较低，构造简单，适用与控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场所。 闭环控制系统：控制精度高，构造相对复杂，构成控制系统的本钱较高，适用与要求高精度和高可靠性的场所。9.不同闭环控制系统设计的根本要求不同闭环控制系统设计的根

15、本要求 一个闭环控制系统要正常任务，首先必需是稳定的。 控制系统的控制精度必需符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。第第2 2课时课时自动升旗简易控制安装的设计与实施自动升旗简易控制安装的设计与实施 1.明确设计的要求，明确控制系统设计所要到达明确设计的要求，明确控制系统设计所要到达的目的。的目的。 2.提出多个设计方案，进展分析、权衡、比较，提出多个设计方案，进展分析、权衡、比较，确定一个相对较好方案。确定一个相对较好方案。 3.动手安装、调试升旗控制系统。动手安装、调试升旗控制系统。 4.撰写实验报告、自我评价和小结。撰写实验报告、

16、自我评价和小结。设计要求：设计要求： 1.在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端；到旗杆的顶端；2.选择恰当的控制方案实现控制；选择恰当的控制方案实现控制；3.选用本钱低、易于获取的元件、设备和资选用本钱低、易于获取的元件、设备和资料制造模型。料制造模型。设计分析：设计分析： 1.采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控采用开环控制系统，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动与停量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停顿或速度。顿或速度。2.这一开环控制系统由计时安装和控制升旗的这一开环控制系统由计时安装和控制升旗的安装共同组成。安

17、装共同组成。3.计时安装和控制升旗安装的实现可以有多种计时安装和控制升旗安装的实现可以有多种方案，例如，采用机械定时器和电动机实现，方案，例如，采用机械定时器和电动机实现，采用废品电子定时器和电动机实现，采用自制采用废品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带可调速电路的电动机实现，采电子定时器和带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。用音频信号、触发电路和电动机实现。4.采用任何一种方案实现，都要经过假设干次采用任何一种方案实现，都要经过假设干次调试，直到符合设计要求为止。调试，直到符合设计要求为止。定时安装定时安装电动机电动机滑 轮 、 国滑 轮 、 国旗旗定时

18、时间定时时间升旗速度升旗速度设计预备：设计预备： 机械定时器或电子定时器、自制电子定机械定时器或电子定时器、自制电子定时器、时器、CD唱机，旗杆，滑轮，卷筒，变唱机，旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源。速齿轮箱，电动机调速器，直流电源。设计方案设计方案A：1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。关。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长时时间并预估电动

19、机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。度和电动的转速，选择滑轮的直径。3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。路中。4.初始形状使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同初始形状使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开场转动并带动滑时启动机械定时器，电动机开场转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停顿时，轮运动，使国旗上升。当定时器计时停顿时，断开电源使电动机停顿转动，此时国旗应该正断开电源使电动机停顿转动，此时国旗应该正好升至杆顶。假设升旗速度与国歌的播放时间好升至杆顶。假设升旗速度与国歌的播放时间之间存

20、在误差，那么需求重新调整滑轮的直径之间存在误差，那么需求重新调整滑轮的直径，直到符合要求。，直到符合要求。设计方案设计方案A：5.为使系统在非正常形状下保证旗帜的升降，还需为使系统在非正常形状下保证旗帜的升降，还需求在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现求在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现缺点时，运用手动开关直接控制电动机的转动与缺点时，运用手动开关直接控制电动机的转动与停顿。停顿。机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的准确度机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的准确度略低，但只需细心操作可以满足要求的。略低，但只需细心操作可以满足要求的。设计方案设计方案A：方案方案B： 采用废品的电子定

21、时器、直流电动机、直流电动采用废品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。机、直流电源、滑轮等元件实现。 用电子定时器替代机械定时器，其他步骤参照方用电子定时器替代机械定时器，其他步骤参照方案案A。电子定时器比机械定时器的定时准确度高，所以电子定时器比机械定时器的定时准确度高，所以对操作者的要求相对低一些。对操作者的要求相对低一些。方案方案C：1.采用废品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电采用废品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。源、滑轮等元件实现。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预测得国歌播放时间和旗杆长度

22、，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。择滑轮的直径。3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和知电路进展制造，如可用、设备和知电路进展制造，如可用555时基电路制造定时器时基电路制造定时器，经过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停顿；，经过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停顿；采用采用TWH8752开关电路制造电

23、动机的可调速电路。开关电路制造电动机的可调速电路。方案方案C：4.在调速电路中并联一个手动按钮在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出，用于在出现缺点时能升降旗帜。现缺点时能升降旗帜。5.初始形状使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时初始形状使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开场转动并带动启动自制的电子定时器，电动机开场转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停顿时，滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停顿时，断开电源使电动机停顿转动，此时国旗应该正好断开电源使电动机停顿转动，此时国旗应该正好升至杆顶。假设升旗速度与国歌的播放时间之间升至杆顶。假设升旗速度与国歌的

24、播放时间之间存在误差，那么需求重新调整滑轮的直径，直到存在误差，那么需求重新调整滑轮的直径，直到符合要求。自动升旗简易控制安装电路图符合要求。自动升旗简易控制安装电路图方案方案D：1.采用采用CD 唱机含有触发电路、电动机、直流唱机含有触发电路、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。电源、滑轮等元件实现。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。轮的直径。3.从从CD唱机中引出音频信号，将唱机中引出音频信号，将CD唱机含有触唱机含有触发电路、电动机、直流电源串

25、联在电路中。发电路、电动机、直流电源串联在电路中。方案方案D：4.初始形状使国旗在旗杆底端。当启动初始形状使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放终了、没有音频信号时，电动机停顿速上升；当国歌播放终了、没有音频信号时，电动机停顿转动，此时国旗应该正好升至杆顶。假设升旗速度与国歌转动，此时国旗应该正好升至杆顶。假设升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，那么需求重新调整滑轮的直径的播放时间之间存在误差，那么需求重新调整滑轮的直径，直到符合要求。，直到符合要求。5

26、.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出，用于在出现缺点时能升降旗帜。现缺点时能升降旗帜。这一方案的特点是，不需求外加定时器，而用音频信号直这一方案的特点是，不需求外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。接控制电动机，减少了时间上的误差。作业：作业：1.以前学校的大门是对开的，如今很多学校的门都以前学校的大门是对开的，如今很多学校的门都改为电动门，但是这种门操作过于呆板，大门在改为电动门，但是这种门操作过于呆板，大门在封锁过程中有人经过时，容易夹伤行人，请同窗封锁过程中有人经过时，容易夹伤行人，请同窗们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的设计，并可以提出改良方案。设计，并可以提出改良方案。作业：作业：2.有位科学家，为了促使迷上电视的女儿坚持锻炼，专门设计了有位科学家，为了促使迷上电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的一辆有趣的“自行车女儿必需骑上自行车不停地踩脚蹬，才自行车女儿必需骑上自行车不停地踩脚蹬，才干驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请他根干驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请他根据已学的技术与设计的知识，画出据已学的技术与