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（河南版）《技术与设计2》课文内容

第四章 控制及其设计

2019年版本

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第四节　控制系统的设计

学习目标

1．能根据控制系统的要求，确定被控量、控制量。

2．能绘制控制系统的方框图，并制订简单控制系统的设计方案。

3．能制作一个简单的控制系统，进行调试运行和评价。

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要完成一个控制系统的设计不能操之过急，需要按照科学的方法和步骤来进行。要析控制要素与控制过程，计算控制参数，绘制控制方框图，准备相关元器件与工具，安装连接，最终还要试验、调试，如果发现问题，还需进一步改进优化。

一、控制系统的设计流程

在设计控制系统时，我们首先要确定控制的目的和要求，确定控制对象、被控量及控制范围、精度等；根据控制目的和要求进行方案设计，确定用什么控制方式，是开环还是闭环；分析控制方案并进行必要的计算；根据设计方案绘制出控制系统方框图，还要为控制器、执行器、传感器选定元器件；按照控制系统设计方案将控制系统的各种元器件固定安装好，并按照设计方案连接起来，再进行调试控制系统的设计流程如图4.45所示。

确定控制要求

↓

选择控制方案

↓

分析、计算

↓

检查（否）↑

↓是

选择元器件

↓

制作、调试

↓

完成

图4.45 控制系统的设计流程

二、控制系统设计案例——自动升国旗装置的设计

（一）确定控制要求

（1）在国歌播放的时间内，匀速将国旗升到旗杆顶部，升旗装置自动停止。

（2）选用质量稳定、低成本、易于获取的元件、设备和材料制作模型。

（二）选择控制方案

选用开环控制方案。

控制升旗的时间可以用定时器。现在有各种电子定时器，使用非常方便。比如可以直接使用定时电源插座，也可以采用电子定时电路。

位置控制可以根据电动机的转速、滑轮的直径、绳子的长度等数据，经过计算得到电动机通电时间的长短，然后通过定时器来控制。设定的通电时间到了，定时器断电，升旗动作停止。升旗装置开环控制方案的流程方框图如图4.46所示。

控制量（转动）

设定量（定时时间）→控制器（定时装置）→执行器（电动机）→被控对象（滑轮、国旗）→被控量（升旗速度）

图4.46 升旗装置开环控制系统方框图

（三）分析、计算

在升旗装置开环控制方案中，要通过控制电动机的工作时间来控制升旗的高度。通电时间到了就关闭电源，使电动机停止运转，国旗停止上升。可以根据电动机的转速n、滑轮的直径D、绳子的长度L等数据，经过计算得到升旗所需要的时间t：

t= L/（πDn）

（四）选择元器件 

根据设计方案中控制系统所需的控制装置和参数要求选择合适的元器件，用以制作控制系统。

（五）制作、调试

在底板上用铅笔画出各元器件的安装位置，如旗杆安装孔、电动机固定螺钉孔、穿线孔等的钻孔位置。安装滑轮的孔位置要准确，要让绳子能够装上，而且有一定的张紧力，滑轮转动时应该能带动绳子一起运动。可以把其中一个轴孔做成位置可调的结构，便于调整皮带的松紧度。把各元器件、零件安装到各自的位置上，用螺钉把国旗固定在相应的位置。用导线把各元器件连接起来，检查无误后就可以通电试验了。自动升国旗控制装置组装示意图如图4.47所示。

图4.47 自动升国旗控制装置组装示意图

测试一下控制系统工作是否正常。如果控制系统不能正常工作，则要检查问题出在哪里，是什么原因，直到控制系统能够正常工作。

阅读材料

黑箱方法

在控制论中，通常把所不知的系统称为“黑箱”，而把全知的系统称为“白箱”。在社会生活中，广泛存在着不能观测却可以控制的“黑箱”。比如，大家每天都用手机，但并不清楚手机的内部构造和原理，对我们而言，手机的内部构造和原理就是“黑箱”。

黑箱方法的原理是：即使不清楚“黑箱”的内部结构，仅知道它的输入-输出关系，就可对它做出分析研究和设计制作，如图4.48所示。

输入→黑箱→（输出）

图4.48 黑箱方法的原理图

黑箱方法也是设计控制系统的重要方法。在设计之初，我们并不知道系统的组成和工作原理，这时的控制系统就是一个“黑箱”。根据输入的信息、能量、物质和输出要求，设计控制系统的组成、连接方式、运行方式等，使得控制系统在给定的输入条件下，能够输出我们所要求的信息、能量或物质，这样就得到了可以实现控制目标的控制系统，控制系统就成为“白箱”了。打铃的控制系统如图4.49所示。

打铃要求（电源）/（输入）→定时器控制开关（白箱）→定时打铃（输出）

4.49　打铃的控制系统（白箱）

实践与体验

水箱水位控制系统的设计

【设计要求】

1．利用自动控制方式给水箱注一定量的水。

2．分别采用开环控制系统与闭环控制系统进行设计。

【材料与工具】

带刻度水箱、水泵、磁控干簧管、磁环、橡胶管、塑料管、Arduino Uno控制板、计算机、水泵电动机驱动设备、剪刀、胶带、胶枪等。

【设计过程】

任务一：请同学们根据设计要求，明确控制对象和被控量、控制目的。

任务二：分析控制系统的工作过程，制订设计方案并画出控制系统方框图。

任务三：根据方案选择材料，搭建控制系统的结构。

任务四：编写控制程序，并上传到Arduino UNO控制板。

任务五：运行、调试控制系统，直至控制系统能正常工作。

【思考】

对比自己设计的两种水箱水位控制系统，分析开环控制系统与闭环控制系统的优缺点各是什么。