一、控制系统设计的一般思路一、控制系统设计的一般思路二、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路？需要从哪些方面着如何展开我们的设计思路？需要从哪些方面着手考虑问题呢？手考虑问题呢？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？这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？么？有什么其他因素会干扰灯的正常工作？有什么其他因素会干扰灯的正常工作？依据你的判断，能提出一种设计方案吗？依据你的判断，能提出一种设计方案吗？1.1.控制系统设计的一般思路：控制系统设计的一般思路：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行和评价运行和评价分析主要的干扰因素分析主要的干扰因素控制系统方案的选择控制系统方案的选择系统的成本分析系统的成本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）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）需要哪些零部件组成控制系统？）需要哪些零部件组成控制系统？（5）有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作？）有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作？影响的程度有多大？影响的程度有多大？（6）你认为）你认为,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。考虑控制系统的方案。考虑控制系统的方案。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装置，被控量是风的速度和温度，控制量是风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机电压，干扰因素是房间温度、电源电压的电机电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。波动等。电吹风分控制工作过程：电吹风是要将其内部电吹风分控制工作过程：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。电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。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，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定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。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）。电电机、机、风风扇、扇、电电热丝热丝设设定定电电吹吹风风的的挡挡位位（输入）风风的速度和温度的速度和温度（输出）试验过程：试验过程：1.画出电吹风的电路设计图；画出电吹风的电路设计图；2.选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程；选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程；3.知识延伸：如果设定了热风挡之后又需要分强知识延伸：如果设定了热风挡之后又需要分强风挡和弱风挡如何进行设计。风挡和弱风挡如何进行设计。案例：抽水马桶案例：抽水马桶观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。提出下列问题：提出下列问题：（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馈的？）被控量与控制量之间是如何实现反馈的？（6）如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你）如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？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工作，首先必须是一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。稳定的。 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统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项目：抽水马桶水箱的自动控制系统设计项目：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，进水口立即进水。口立即进水。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，进水口立即停止进水。口立即停止进水。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.主要干扰因素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度主要干扰因素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出的检测装置。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际高度之差），这个信现了水位差（给定的水位高度与实际高度之差），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，进水阀关闭。差为零，进水阀关闭。水箱水位的控制过程：水箱水位的控制过程： 拨动冲水旋扭，使出水阀打开，水箱冲拨动冲水旋扭，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。指定水位时，进水阀关闭。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+- 控制过程控制过程方框图方框图： 小结：小结：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？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因素，并分清主次，找出找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素最大的干扰因素3.要确定控制量和被控量要确定控制量和被控量4.执行器和检测装置的选择执行器和检测装置的选择: 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基本条件控制系统设计需满足的基本条件:能达到控制的目的能达到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成本降低控制成本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.控制的函义人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。2.控制的分类（1）从控制过程中人工干预的情形来分：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，都要通过若干个环节，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（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递的方向，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：控制器执行器被控控制器执行器被控对象控制量输入量输出量。对象控制量输入量输出量。控制器控制器执执行器行器被控被控对对象象控制量控制量输输入量入量输输出量出量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返回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、执行器控制器、执行器、被控对象、控制量、输入量、输出量、检、被控对象、控制量、输入量、输出量、检测装置、。测装置、。控制器控制器执执行器行器被控被控对对象象控制量控制量输输入量入量输输出量出量检测检测装置装置6.干扰因素在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。7.反馈的涵义控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。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，结构简单，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合。 闭环控制系统：控制精度高，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高，适用与要求高精度和高可靠性的场合。9.不同闭环控制系统设计的基本要求不同闭环控制系统设计的基本要求 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 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装置的设计与实施自动升旗简易控制装置的设计与实施1.明确设计的要求，明确控制系统设计所要达到明确设计的要求，明确控制系统设计所要达到的目标。的目标。2.提出多个设计方案，进行分析、权衡、比较，提出多个设计方案，进行分析、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.撰写试验报告、自我评价和小结。撰写试验报告、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、设备和材料制作模型。料制作模型。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止（或速度）。止（或速度）。2.这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同组成。装置共同组成。3.计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种计时装置和控制升旗装置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，采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制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，都要经过若干次调采用任何一种方案实现，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。试，直到符合设计要求为止。定时装置定时装置电动机电动机滑滑 轮轮 、 国国旗旗定时时间定时时间升旗速度升旗速度设计准备：设计准备：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.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，之间存在误差，则需要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.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。停止。机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。略低，但只要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：采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动采用成品的电子定时器、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。用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案案A。电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以电子定时器比机械定时器的定时精确度高，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.采用成品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电采用成品的电子定时器、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，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、设备和已知电路进行制作，如可用设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。开关电路制作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，用于在出现故障时能升降旗帜。现故障时能升降旗帜。5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。（自动升旗简易控制装置电路图）合要求。（自动升旗简易控制装置电路图）方案方案D：1.采用采用CD 唱机（含有触发电路）、电动机、直流电唱机（含有触发电路）、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，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.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动初始状态使国旗在旗杆底端。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；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。直到符合要求。5.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，用于在出现，用于在出现故障时能升降旗帜。故障时能升降旗帜。这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直这一方案的特点是，不需要外加定时器，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，现在很多学校的门都以前学校的大门是对开的，现在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，大门在关闭过程中有人通过时，容易夹伤行人，请同学关闭过程中有人通过时，容易夹伤行人，请同学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，并能够提出改进方案。设计，并能够提出改进方案。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“自行车自行车”女儿必须骑上自行车不停地踩脚蹬，女儿必须骑上自行车不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你根据已学的技术与设计的知识，画出根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车自行车发电发电电视电视机机”这一过程的方框土，分析在这套装置的设计中，综合了这一过程的方框土，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。哪些技术和原理。3.设计并制作水车控制装置的模型。利用流动的水冲击水车，以设计并制作水车控制装置的模型。利用流动的水冲击水车，以控制不同的机械装置而产生动作。控制不同的机械装置而产生动作。第第3 3课时课时自动升旗简易控制装置的设计与自动升旗简易控制装置的设计与实施评价和总结。实施评价和总结。1.方案实施：方案实施：自动升旗简易控制装置的设计与实施自动升旗简易控制装置的设计与实施 2.交流与评价：交流与评价：撰写试验报告，自我评价和小结；撰写试验报告，自我评价和小结； 小组自评；小组自评；展示成果，学生将本组的作品展示给全展示成果，学生将本组的作品展示给全班同学，其他同学可以提出自己的改进意班同学，其他同学可以提出自己的改进意见。见。 作业：作业：1.在宾馆的房间天花板上都有一个自动灭火在宾馆的房间天花板上都有一个自动灭火装置，当室内烟雾的浓度过高时，该装置会装置，当室内烟雾的浓度过高时，该装置会自动喷水，起到降温灭火的作用，请你根据自动喷水，起到降温灭火的作用，请你根据这一装置，设计自动灭火装置的模型。这一装置，设计自动灭火装置的模型。2.请对太阳能热水器进行分析：请对太阳能热水器进行分析：（1）一般家用太阳能热水器水温控制是如何）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？实现的？（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低是，通过控制器启动辅助电加水，当水温过低是，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，并说明其工作过程。控制系统的方框图，并说明其工作过程。3.设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。雨时将它整体收回到室内。