2、控制系统的设计与实施案例

案例分析

自动升旗简易控制装置的设计

陈剑负责学校每周两次的升旗仪式。在学完《技术与设计2》模块后，他决定利用所学知识设计一套能实现自动升旗的简易控制装置的模型。

设计要求：

1、在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端。

2、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、设备和材料制作模型。

设计分析：

1、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止（或速度）。

开环控制系统的方框图为：

定时时间→定时装置→电动机→滑轮、国旗→升旗速度

2、这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同完成。

3、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，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有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。

4、采用任何一种方案实现控制，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。

设计准备：

机械定时器（或电子定时器、自制的电子定时器、CD唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源等。

设计方案：

方案A

1、采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。其中，机械定时器相当于电动机的开关。

2、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，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路中。

4、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轮运动，使国旗匀速上升。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，直到符合要求。

5、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，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。

机械定时器靠手动旋转旋钮实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作是可以满足要求的。

方案B

采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。

用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。

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。

方案C

1、采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。

2、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。

3、将自制的电子定时器、直流电源和带有可调速电路的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、设备和已知电路进行制作，如可用555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；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。

4、在调速电路中并联一个手动按钮SW₂，用于在出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，使国旗匀速上升，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，则需要改变可调速电路电动机的转速，直到符合要求。

方案D

1、采用CD唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元器件和设备。

2、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，预估电动机的转速，并选择适当的滑轮的直径。

3、从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发器）、直流电源和电动机串联在电路中。

4、初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD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（如果有可调速电路，则调整电动机的转速），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SW₂，用于在出现故障时能升降旗帜。

这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。

思考

陈剑同学提出的四种方案各有什么特点？你认为哪种方案最容易实现？你还能提出其他的方案吗？

练习

1、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。

2、设计并制作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，下雨时将它整体收回室内。