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第四节 控制系统的设计与实施
任务一 探究控制系统的设计要素
设计一个控制系统，应该明确这个系统要达到的目的是什么，所要控制的对象是什么，被控对象有哪些重要的特性，被控量和控制量分别是什么，外界的主要干扰因素有哪些，选择怎样的设计方案既能达到目的，又经济、易于实现，如何选择设备和元件，等等。
一、控制系统设计要求
控制系统的设计
实施控制系统所需的设备、元件等
系统的成本分析
控制系统调试、运行和评价
控制系统的方案选择
分析被控对象的主要特征
明确控制的目的
确定被控量、控制量
分析主要的干扰因素
。。。 。。。
1、设计一个控制系统，是选择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。
2、在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式(暗箱方法)；
3、被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，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有明显作用的量；
4、一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；
5、执行器、检测器的选择：一是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。
总之，能达到控制的目的，采用易于实现的控制方式，降低控制成本，减少对环境的负面影响等，是进行控制系统设计必须考虑的基本问题。
控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书等。
明确目标，了解被控对象的基本特性
完成设计制作、检测、调试、优化、评价
确定被控量和控制量
确定控制方案
绘制控制系统框图
控制系统设计的基本过程
开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求、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。
一、开环控制系统的设计
举例：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——
被控量——
控制量——
电风扇
电风扇输出的风速
电机的转速
举例：普通电风扇控制系统。
设定的档位
（输入量）
电风扇
风速（输出量）
电动机
电机转速
控制电路
控制量
控制器
执行器
被控对象
如果是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则只需在开关环节加一个定时器就可以了。
举例：电吹风控制系统的设计
设计要求：
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。
被控对象：
被控量：
控制量：
干扰因素：
电吹风
是风的速度和温度，
是电机的电压，
是房间温度、电源电压的波动等。
举例：电吹风控制系统
设定的档位
（输入量）
电吹风
风速、温度（输出量）
风扇、
电热丝
电机电压
控制电路
控制量
控制器
执行器
被控对象
电吹风的控制工作过程：
电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。
方案构思：
选择开环控制系统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，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
各方案的特点是：
方案A:主要采用机械装置进行控制，控制精度不高，需要人工同步启动，容易产生不协调现象。
方案B：控制器的精度提高，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。
方案C：采用电子计时器和可调速电机，克服了方案A与方案B中滑轮和旗杆高度要配合的问题，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。
方案D:采用音乐控制升旗，克服了前三种方案的缺点。
因此，方案D最容易实现。
任务二 设计与实施雨水收集池水位控制系统
二、闭环控制系统的设计
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：
第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离，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，否则就是不稳定系统。
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。
第二，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范围之内。
第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
目前的情况下，采用一个传感器来实现该控制目的一般无法实现，因为同一传感器无法同时检测两个点。
举例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
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。
设计分析：
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。
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（进水量），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。
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、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，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位控制过程：
拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
浮球
连杆
机构
进水
阀门
水箱
设定水位
进水量
比较器
举例：抽水马桶水箱的自动控制系统
水箱内水位
干扰
讨论：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？
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变化的，
即：冲水量=水箱的横截面积×设定高度
因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横截面积和设定高度入手。
具体方案可以有：
1）将浮球的位置向下移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀。
2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用。
3）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。

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