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第三节 简单控制系统的设计
高一—粤教版—通用技术—必修二第四章
学 习 目 标
1.技术意识：能够结合具体案例进行分析，养成撰写简单控制系统设计方案的意识和能力。
2.工程思维：通过风扇控制系统设计案例的分析，理解简单控制系统设计的基本流程，领悟控制思想和方法在具体技术实践活动中的运用。
3.创新设计：能根据案例情境要求和现有条件限制，提出一个或多个设计方案，进行简单的技术实践活动。
一、课堂知识回顾
请同学们画出从饮水机取热水的控制系统框图。
给定量
控制器
执行器
被控对象
控制量
被控量
比较器
反馈环节
+
-
给定热水水位
大 脑
双 手
热水开关
控制热水开关时间
出热水水位
比较器
眼 睛
-
+
盲人由于眼睛看不见，取热水时，可能会被溢出的热水烫伤手。请同学们提出一个方案帮他们解决这个问题。
工作原理：
（1）用内杯装水直至装满，产生重力压缩弹簧，接通蜂鸣器电路。
（2）声响即水满，停止接水，取出内杯，声响便停止。
开 始
确定控制目的
确定被控量
明确系统各项指标
确定系统结构
建立系统模型
确定待调参数
测试系统性能
是否满足要求
结 束
重新调整系统结构、指标参数等
二、控 制 系 统 设 计 概 论
控制系统设计要达到理想效果，必须遵循一定的方法和步骤。
我们以杨同学制订的风扇控制系统设计方案作为示范案例，一起来学习。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
第一步，确定控制目的。
风扇控制系统的目的：扇叶实际转动速度。
控制的目的也可以理解为控制的作用。
设计者班级 设计者姓名
控制系统名称 控制的目的 学校名称
广州市×××区×××学校
杨××
风扇控制系统
扇叶实际转动速度
一 2
高 （ ）班
第二步，确定系统的被控量。
风扇系统的被控量：扇叶实际转动速度。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
即控制系统要控制什么，所以在明确控制目的的同时，要认真分析为达到控制目的我们实际需要控制什么量，这就是被控量的确定。一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量，但是也有一些是例外的。
控制系统的 被控量 是否与控制目的相同 是 否
√
扇叶实际转动速度
第三步，明确系统各项指标。
风扇系统的各项指标：控制精度要求不高，我们选择手动控制，成本较低。
如控制的精度要求、控制的适应性要求（涉及是自动控制、手动控制或者智能控制）、系统的造价等等。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
控制系统各项 指标 控制精度 系统成本
手动控制 自动控制 智能控制 √
系统控制精度要求不高
系统成本低
第四步，确定控制系统的结构。
风扇系统的结构：控制器：控制电路，执行器：马达，控制量：马达转速，被控对象：风扇扇叶,采用开环控制。
给定风扇转速
控制电路
马 达
风扇扇叶
马达转速
扇叶实际转动速度
二、控 制 系 统 设 计 概 论
1.确定控制器、执行器、控制量、被控对象、反馈环节。
2.根据需要选择开环控制或者闭环控制。
控制系统的结构 控制器 执行器 控制量 被控对象 反馈环节
开环控制 闭环控制 控 制 系 统 框 图 控制电路
马 达
马达转速
风扇扇叶
√
给定风扇转速
控制电路
马 达
风扇扇叶
马达转速
扇叶实际转动速度
第四步，确定控制系统的结构。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
第五步，建立系统各环节模型。
模拟建立风扇系统的模型需要用到的元器件：电源、电路主控板、档位开关、扇叶、马达、导线。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
大型、复杂的控制系统分析和仿真都依赖于模型的建立，对于简单控制系统可直接通过实验检验系统的性能。
建立控制系统模型 序号 1 2 3 4 5 6
元器件
实验器件
单价/元
数量
序号 7 8 实验增加器材 元器件 名称 数量 单价（元） 目的 实验器件 单价/元 数量 电源
电路主控板
档位开关
扇 叶
马 达
导 线
LCD显示屏
显示测试数据
充电宝
电子控制模块
触控按钮
电机带扇叶模块
杜邦线
1
3
1
1
1
1
25
20
8
2
10
10
第五步，建立系统各环节模型。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
第六步，确定待调参数
风扇控制系统的待调参数：各档位对应的风扇扇叶转动速度。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
找出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时的观察调整对象，通过对它们的调整，使系统达到最佳性能。
确定待调 参数
各档位对应的风扇扇叶转动速度。
第七步，测试系统的性能。
1.确定风扇控制系统的期望性能：当档位为0时，风扇扇叶停止转动；当档位是1、2、3时，风扇扇叶转动，并且随着档位数字的增加扇叶的转速增加。
通过调节待调参数使系统达到了期望的性能，设计工作结束；否则，就要修改设计，包括改进系统结构甚至放宽指标要求等。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
第七步，测试系统的性能。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
2.调节待调参数，风扇控制系统待调参数是各档位对应的风扇扇叶转动速度。因此要根据期望值调整和确定每个档位扇叶的转动速度。
比如：通过电子控制模块的调整，当档位为0时，风扇转速为0%；档位为1时扇叶转速为40%左右；档位为2时，扇叶转速为75%左右；档位为3时，扇叶转速为100%。
3.启动装置，测试是否达到期望性能。
第七步，测试系统的性能。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
测试系统 的性能 期望值 是否达到期望值 （打√选择） 是 否
当档位为0时，风扇扇叶停止转动，当档位是1、2、3时，风扇扇叶转动，并且随着档位数的增加风扇扇叶的转速增加。
√
第七步，测试系统的性能。
二、控 制 系 统 设 计 概 论
三、课堂练习
制订辅助盲人取水杯的水位提醒控制系统设计方案。
四、课堂练习
课堂小结
课
后
实
践
水塔是一种常见的储存水的装置，如右图所示，当水位到达下止点的时候，启动抽水装置，往水塔里面加水；当水位到达上止点的时候停止抽水装置，保持水塔里面的水量，以便在停水的时候使用。
任务:
请同学们根据水塔原理，完成水塔水位控制系统的设计方案。
水塔
上止点
下止点
溢水口
出水口
抽水装置

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