第五節(jié)控制系統(tǒng)方案的初步設(shè)計教材p120-p128技術(shù)設(shè)計的一般過程可歸納為:發(fā)現(xiàn)與明確問題、制訂設(shè)計方案、制作模型或原型、優(yōu)化設(shè)計方案等。對于控制系統(tǒng)設(shè)計來說，有它的特殊性，即有許多具體的問題需要在方案設(shè)計之前弄清楚。因此，本節(jié)圍繞著如何形成控制系統(tǒng)設(shè)計方案這個中心問題，通過案例分析把握控制系統(tǒng)方案初步設(shè)計的思路和方法。一、如何形成初步的控制系統(tǒng)設(shè)計方案案例1聲控?zé)粝到y(tǒng)聲控?zé)羰且粋€簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)。它的組成如圖4-27所示。由圖可見,聲控?zé)襞c常規(guī)電燈相比，去掉了常規(guī)的手操開關(guān)，增設(shè)了聲傳感器、控制器和常開(斷開）觸點。其中，聲傳感器的靈敏度可設(shè)置為不同等級，以適應(yīng)不同場合使用的需要。這樣的聲控?zé)粝到y(tǒng)是怎樣設(shè)計出來的呢?分析1:解析被控對象的基本特性照明用的電燈,具有兩個工作狀態(tài)，即點亮狀態(tài)與熄滅狀態(tài)。點亮與熄滅，實際上是供電電路的接通(有電流通過)與斷開（無電流通過)。也就是說，這兩個工作狀態(tài)的實質(zhì)區(qū)別是有電流或無電流。而有電流或無電流,是通過電路中的開關(guān)來操縱的。電燈中電流與開關(guān)操作之間的關(guān)系,如圖4-28所示。由此可見,對于聲控?zé)魜碚f,聲響是輸人,電流是輸出,有（無)前者,便有（無)后者。這是輸出與輸入之間的關(guān)系———種簡單的邏輯關(guān)系。如果供電電網(wǎng)的電壓或頻率由于某種原因出現(xiàn)波動，將會給電路造成影響。這可以視為一種干擾，即電網(wǎng)參數(shù)的波動，直接影響聲控?zé)舻妮敵觥娏鞑▌?、燈光閃爍。這是輸出與干擾的關(guān)系。以上分析的是被控對象在正常工作狀態(tài)下，輸出與輸入之間的關(guān)系，輸出與干擾之間的關(guān)系，稱為被控對象的基本特性。問題思考為避免意外聲響對聲控?zé)舻母蓴_，你有什么好辦法?分析2:確定被控量與控制量上面的基本特性分析已經(jīng)明確:被控對象是燈泡，被控量實質(zhì)上是電流——流過電燈的電流。輸出量就是被控量。那么，什么是控制量呢?也就是說，通過改變什么參數(shù)來實現(xiàn)對被控量的控制呢?由圖4-27可見:控制器以及常開觸點，根據(jù)聲音傳感器傳送過來的電信號(有或無)及觸點的觸頭動作（動或不動)，對電路實現(xiàn)控制（接通或斷開),從而決定是否產(chǎn)生電流。因此，觸點的通與不通，就是控制量。只是這種控制量僅表現(xiàn)為兩種狀態(tài)而已。聲響是輸入信號,簡稱輸入。聲響強,輸入（信號）量大;聲響弱,輸入（信號）量小。聲傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，控制器根據(jù)它立即使觸點工作，接通電路供電，并延時At。時間△t的設(shè)置，保證了人在樓道里走過時所需要的亮燈持續(xù)時間。分析3:確定控制系統(tǒng)構(gòu)成方案開環(huán)控制與閉環(huán)控制的根本區(qū)別在于:閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差，即以反饋量與輸入量比較產(chǎn)生偏差量（如本章第二節(jié)中的水位差,本章第四節(jié)中的溫度差、角偏差等)，用偏差量作為控制器的輸入去實現(xiàn)控制，就是所謂的偏差控制。因此，閉環(huán)控制利用反饋作用，可以使被控量的誤差做到很小。聲控?zé)粝到y(tǒng)，只有亮與滅兩種運行狀態(tài)，不存在被控量在量上的誤差。因此，聲控?zé)暨x用開環(huán)控制方案就能很好地完成控制任務(wù)。系統(tǒng)的具體構(gòu)成包括:聲傳感器、控制器及常開觸點。分析4:繪制系統(tǒng)框圖參照前述的控制系統(tǒng)框圖的繪制方法，繪制出聲控?zé)粝到y(tǒng)框圖，如圖4-29所示。系統(tǒng)框圖是系統(tǒng)設(shè)計方案的圖形描述。它清楚地表述了聲控?zé)粝到y(tǒng)的設(shè)計方案:采用開環(huán)控制;系統(tǒng)構(gòu)成的各環(huán)節(jié);輸入量(聲響)、輸出量（被控量)控制量（接通/斷開);信息傳遞途徑。以上四點分析，便是以聲控?zé)魹槔目刂葡到y(tǒng)設(shè)計的思想與方法、過程與結(jié)果。討論交流白天，樓道里有足夠光亮的情況下，從節(jié)電的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)如何改進上述設(shè)計?大家一起來想辦法,并盡量具體化。提示:(1)利用感知光強的傳感器（常稱為光敏器件)。(2）查詢并學(xué)習(xí)邏輯電路中有關(guān)與門的資料。技術(shù)實踐試根據(jù)聲控?zé)粼O(shè)計方案，搭建出聲控?zé)舻膶嵨镫娐贰０咐?棚室溫度控制系統(tǒng)棚室采暖需求:棚室采暖，是棚室環(huán)境需求——光、溫、水分、氣體中的一個重要方面。采暖按熱媒的不同可分為:熱風(fēng)式、熱水式、蒸汽式、電熱式。其中，熱水采暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，是目前最常用的采暖方式。閱讀材料采暖加溫幾種方式的比較棚室溫度控制系統(tǒng)是怎樣設(shè)計出來的呢?圖4-30為棚室溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的一個實例。分析1:解析對象基本特性系統(tǒng)的輸出參數(shù)是棚室室溫,記作c(t)。系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)是按要求設(shè)定的室溫值,記作r(t)。系統(tǒng)的主要干擾參數(shù)是室外冷環(huán)境的影響,如通過棚頂、墻或開門造成室內(nèi)溫度下降，記作f(t)。c(t)與r(t)、f(t)之間存在一定的關(guān)系。比如，當(dāng)設(shè)置r(t)為某值時,若棚室內(nèi)容積較小,在棚頂與棚墻的絕熱性較好、供給的熱水溫度較高的條件下，c(t)用較短時間就能達到期望值;同時，f)將影響溫控效果。實際上,c(t)的變化并不能立即跟上r(t)的變化,總要落后一段時間(如上面說到的“較短時間”)，這就是所謂的對象的熱慣性表現(xiàn)。熱慣性，是對象的一種基本特性，它反映了輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)間的特定關(guān)系。慣性在很多系統(tǒng)中都有所表現(xiàn)。技術(shù)探究c(t)與r(t)、f(t)一種溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性及簡易測試法圖4-31中的曲線,表示c(t)跟蹤r(t)的過程,稱為響應(yīng)特性。首先，看的r(t)的

變化:在t1時刻，)從原來的某一值(如圖中的溫度T1),躍變?yōu)榱硪粋€新值(如圖中的T2)，如圖中黑色折線。接著，看c(t)的變化:c(t)自t1時刻并沒能立即跟上r(t)做躍變，而是逐漸上升;經(jīng)過一段時間(t2-t1)之后,接近r(t)的新值，即期望的溫度值，稱為穩(wěn)態(tài)值。響應(yīng)特性表明,c(t)跟上r(t)達到穩(wěn)態(tài)值，需經(jīng)歷一段時間(t2-t1)。從達到穩(wěn)態(tài)的角度看,c(t)落后于r(t)。這就是被控對象具有熱慣性的體現(xiàn)。(t2-t1)值越大，熱慣性就越大，c(t)跟上r(t)就越慢。這樣的響應(yīng)特性可以通過實驗的方法測得，而不需用很多的儀器。測試的具體方法是:（1)在溫度為某一穩(wěn)態(tài)值(如T1）時，設(shè)定r(t)的新值(如T2)。讓供水閥門以某一開度供熱水，并以此作為t1時刻。(2）每隔一小段時間△t，用秒表計時，并用溫度計測量室溫c(t)，得到一個又一個的響應(yīng)點。如此做下去,待到c(t)趨近于新的穩(wěn)態(tài)值時為止,即對應(yīng)t時刻。(3）在T-t坐標(biāo)紙上，點出記錄的各響應(yīng)點（如圖4-31中的藍色小點);連接各點，便得到響應(yīng)特性曲線。創(chuàng)客坊空調(diào)室內(nèi)的溫度特性測試試驗結(jié)合本章第一節(jié)實例3(空調(diào)機制冷/制熱的控制)，進行室溫的實際測試試驗，記錄并繪制出溫度控制響應(yīng)特性曲線。要求:(1)設(shè)置兩種室溫，分別進行測試。(2）對獲取的溫度特性試做分析，闡述該特性曲線具有哪些特點以及空調(diào)機對室溫調(diào)節(jié)（控制)的效果。分析2:確定被控量、控制量由圖4-30可知:室溫是系統(tǒng)的被控量。電磁閥的閥門開度,記作x(O)，是系統(tǒng)的控制量。假定采暖鍋爐供給的熱水水溫一定。當(dāng)x(1)最大(相當(dāng)于閥門全打開)時，熱水管及散熱器向室內(nèi)供應(yīng)最大熱量﹔當(dāng)x(t)為零(相當(dāng)于閥門全部關(guān)閉)時，熱水進不來，不向室內(nèi)供應(yīng)熱量。這是閥門工作形式的一種，即全開或全關(guān)，稱為雙位調(diào)節(jié)。分析3:確定控制方案在圖4-30中,感溫元件監(jiān)測室內(nèi)實際溫度,起著反饋作用;與設(shè)定的rt)形成溫度偏差，繼電器動作，接通供電電路，電磁閥打開，熱水進入水管供熱。顯然，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。為什么要采用閉環(huán)控制呢?棚室溫度控制,對被控效果要有較嚴格的控制,如精度（精確度),因此選用閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)，以其反饋作用，利用偏差，通過控制器的合適控制，可以獲得較高的精度。此外，當(dāng)干擾作用較強時，閉環(huán)控制又可以起到抑制干擾影響的作用，這也是選用閉環(huán)控制的考慮因素之一。分析4:繪制系統(tǒng)框圖(圖4-32)閱讀材料對溫室自動控制系統(tǒng)的基本要求溫室控制(調(diào)節(jié))系統(tǒng)的工作品質(zhì),直接影響著產(chǎn)品的產(chǎn)量、,品質(zhì)和效益。因此，對控制系統(tǒng)的基本要求有:1.可靠性由于溫室內(nèi)高溫、高濕和存在腐蝕性氣體，所以控制裝置是處于一個十分不利的環(huán)境下長期工作的、為此要求配套的設(shè)施和器材具有較高的可靠性。為了提高其可靠性，在具體裝置中可采用光電隔離、電磁屏蔽、電源濾波、可靠接地等抗干擾措施，以及采用適當(dāng)?shù)姆莱?、防腐蝕等工程措施，保證控制設(shè)施長期安全、正常地工作。2．調(diào)控精度在溫室生產(chǎn)中，影響生物體生長發(fā)育的環(huán)境因素，如光照、溫度、濕度、CO,濃度等，在生物體不同的生長發(fā)育階段都有較嚴格的范圍，因此，為保證生物體優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，控制系統(tǒng)的精確度至關(guān)重要。這里要指出的是:在生物環(huán)境工程中，對某一被調(diào)參數(shù)的控制精度并不像電子和機械工程中那么高，如西紅柿種子發(fā)芽的適宜溫度為20℃~30℃(上限為35℃，下限為10℃)，開花溫度在15℃以上，均有一個適宜的溫度范圍，即要求控制系統(tǒng)的控制精度只要在該適宜范圍內(nèi)即可。3.適應(yīng)性現(xiàn)代的自動化溫室造價很高，因此，不能單生產(chǎn)某一種作物品種。要根據(jù)作物品種不同和在各個不同的生長發(fā)育階段對環(huán)境的要求，靈活方便地調(diào)整各被控環(huán)境因子，以滿足作物生長發(fā)育的需求，獲得高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的成果。問題思考對溫室自動控制系統(tǒng)的基本要求，可以給溫室自動控制系統(tǒng)設(shè)計工作提供哪些啟示?二、控制系統(tǒng)方案初步設(shè)計方法的討論問題思考討論之前的思考通過對“聲控?zé)粝到y(tǒng)”和“棚室溫度控制系統(tǒng)”兩個案例的分析和研究，你對控制系統(tǒng)方案設(shè)計的思路與方法是怎樣認識的呢?歸納整理一下，把自己認識的要點記在學(xué)習(xí)筆記本上。本部分的討論,采用“引導(dǎo)問題”和“設(shè)計方法要點”并行的方式展開,給出的“要點”僅供參考，不是答案或答案的全部。如果你有什么好主意，也可以穿插進來。引導(dǎo)問題:(1)面對控制系統(tǒng)方案設(shè)計任務(wù)時,從哪兒入手?(2）控制系統(tǒng)中，一般由許多環(huán)節(jié)組成，你首要關(guān)注的是什么?(3）需要了解對象的基本特性嗎?(4)控制系統(tǒng)中有許多變量,做假設(shè)時，首先要確定其中哪些變量呢?(5）選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制的考慮根據(jù)是什么?(6）繪制控制系統(tǒng)框圖，要注意表達哪些內(nèi)容?設(shè)計方法要點:從分析入手，解析對象特性。首先關(guān)注:傳感器/控制器/執(zhí)行器/對象/反饋諸環(huán)節(jié)。(注:“”表示“或者”的意思，以下相同。確定:輸入量/控制量/被控量、輸出量/反饋量/偏差量。選用:越簡單好用越好;控制精度/抗干擾性/經(jīng)濟性……的考慮。注意:系統(tǒng)構(gòu)成的類型/組成環(huán)節(jié)之間的關(guān)系/各種量間的關(guān)系/信息流通。技術(shù)實踐在方案設(shè)計中長才智——原理性控制方案初步設(shè)計的練習(xí)命題亮度可調(diào)臺燈的原理性電控初步方案設(shè)計設(shè)計目的:應(yīng)用調(diào)壓原理，采用簡單的原理性電路，使燈泡亮度可調(diào)。設(shè)計內(nèi)容及要求:(1）解析對象基本特性。指亮度可調(diào)臺燈在正常工作時，對象的輸出信號和輸入信號間的關(guān)系;與主要干擾參數(shù)間的關(guān)系。(2）確定被控量、控制量。(3）選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制。注意:要簡述選用的根據(jù)。(4)繪制控制系統(tǒng)框圖。設(shè)計的提示:(1)考慮到僅是原理性設(shè)計，電路要盡可能簡單。比如，采用可變電阻，通過改變電阻的大小調(diào)節(jié)燈泡的亮度。(2）選擇電路元件，包括燈泡、可變電阻等，進行必要的電路計算。(3）分析這種簡單的原理性方案，可能會出現(xiàn)什么問題，原因是什么。創(chuàng)客坊亮度可調(diào)臺燈的實用性電控初步方案的設(shè)計設(shè)計目的:應(yīng)用調(diào)壓原理，采用簡單的電路，使燈泡亮度可調(diào)。設(shè)計內(nèi)容及要求:與上面的原理性方案設(shè)計內(nèi)容與要求相同。設(shè)計的提示:(1)這個實用方案設(shè)計會帶