水塔控制系统的实践与探析（一）

1 / 8 水塔控制系统的实践与探析（一） 本资料为 WoRD 文档，请点击下载地址下载全文下载地址 水塔控制系统的实践与探析（一） 技术与设计 2中的闭环控制与开环控制是教学中的难点，究其原因，一个可能是教材对开环与闭环的界定条件还不够严格，造成许多案例的不同争议，当然有些案例属于复杂案例，两者可能兼而有之，我们分析不透，形成不同的答案。另一个原因是，学生遇到的控制类案例虽然很多，但能深入分析的却不多，更缺少实践这一环节，因此也难形成较系统的概念。教材上的游泳池水位控制系统是一个典型的控制类案例，由 于缺少具体的实现方法的介绍，失去了对学生设计观念的形成及设计能力的提高一次较好的机会，而我们介绍给学生的其他案例大多不够典型，以机械类控制较多，它们的优点显而易见，结构简单，学生容易理解整个控制过程，但缺点是环节划分不明显，甚至许多环节由一个部件来担任，如高压锅压力控制系统，检测、比较、控制、执行可以说都集中于重锤部分，因此学生难以适应。所以，在介绍完游泳池控制系统后，紧接着一个具体的实践活动，无论对学生的概念的形成，还是控制部分的设计能力的提高，都会产生积极的影响。设计一个环节典型，结构简单，趣味性较强， 学生又易于理解，并能方便扩展应用的实践活动就显得尤为重要。本文就此问题作一粗浅的探讨，希望能对大2 / 8 家有所启发。 水塔控制系统的设计思路： 普通水箱由于用自来水供水，只要通过浮子连杆阀门组成的机构即可实现自动进水。但水塔中水的来源一般来自江河水库等，因此需要启动水泵进水。水泵的进水控制与一般的水箱进水控制就有许多不同。 （一）水泵进水控制的初步设想。（见下图） 当水塔中水位较低时，浮球下降，连杆顺时针转动，使开关接通，水泵抽水；水位上升，浮球上升，在重锤的作用下连杆逆时针转动，开关断开，水泵 停止抽水。这一设计思路比较简单，水位高低的调节可以通过移动触点的位置来实现，但存在着一些缺点：一、水塔一般在高处、远处，移动、调整触点的位置不大方便。二、当水池水位稍有下降，水泵就会重新启动，因此水泵会被频繁开关，大大缩短了水泵的使用寿命。 （二）将水位的变化转变为电信号来实现远程控制 电路的设计与制作，是这部分教学中的难题，一是学生基础较差，二是教学时间紧。因此降低电路设计与制作的难度，是我们首先要解决的问题。为此，我们将控制电路分解为几3 / 8 个功能模块，将电路的复杂部分设计在模块内部。各模块基本对应于技 术与设计 2中的开环和闭环控制系统的几个环节。这样一方面降低了学生的实践难度，又使学生通过实践活动对开环控制系统和闭环控制系统的各环节有了较深刻的认识。通过实践活动，学生对模块本身有了较多的了解，可以将模块应用到更广的范围。 1、几种模块介绍 A、比较器模块 模块外形结构： 模块有 4 个固定孔，用来固定模块。 7 个接线螺丝与下面介绍的连接件一起，实现与电源、其他模块、被控对象等的连接。电源指示能方便的显示出模块与电源连接情况，使学生在实践活动中，及时了解模块与电源的连接情况。输出指示能显示模块的工 作情况，帮助学生及时发现问题，及各模块工作配合的情况，利于学生的理解。下面介绍的其他模块与本模块相似的地方，下文中就不再介绍。 模块内部电路： 模块内部电路的引线与模块的外接线柱基本对应。模块内部还加接了较多的电阻、二极管，其他模块还加了三极管、集4 / 8 成电路等，都是为了保护模块，防止学生连接错误时，也不会造成模块的损坏，保证了实践活动的顺利展开。 模块间、模块与其他元件的连接材料 模块间的连接一般采用两端都是接线片的这种连接件，模块与万用表等电器设备的连接可采用一端是接线片另一端是鳄鱼夹 的连接件，在连接时，要特别注意防止短路。 模块使用的电源 采用市售 12V、 2A 的直流稳压电源，或学生电源为模块供电。 B、与比较器相连的设定水位用电位器模块 模块的三个接线端分别与模块内部的电位器的三个端相连。位置设定滑块与内部的电位器滑动片相连。模块上面的刻度没有绝对意义， 0 表示电位器处于中间， -4 和 +4 表示的意义：当滑块滑到 -4 处，蓝色接线柱与灰色接线柱间的电阻为零；当滑块移到 +4 处，蓝色接线柱与橙色接线柱间的电阻为零。（实际上为了保护本模块，电位器的动触片通过一个 1k 的定值电阻与蓝色接线柱相连，这样上述两个接线柱之间的电阻都为 1k 。这在其他实践活动的应用中，要引起注意。） c、与比较器相连的检测用电位器模块 5 / 8 本模块与上面 B 模块基本相似，唯一不同的是，滑块上有连接螺栓，便于与其他装置连接，本文中的检测用电位器模块就与连杆、重锤、浮球等共同组成检测装置。 D、认识比较器 有了上述材料，我们就可认识一下比较器是怎样一种器材。具体的接线见下图。 体验过程： 将水位设定电位器滑块移到 -3 处，测出反相输入端（ -）与地之间的电压，将水位检测电位器滑块移 到 -4 处，测出同相输入端（ +）与地之间的电压，输出端与地之间的电压，同时观察输出指示灯的亮灭，记在表一中。 将水位设定电位器滑块移到 -2 处，测出反相输入端（ -）与地之间的电压，将水位检测电位器滑块移到 -3 处，测出同相输入端（ +）与地之间的电压，输出端与地之间的电压，同时观察输出指示灯的亮灭，记在表一中。 改变滑块位置，完成下表。 分析表中数据得出结论。 表一： 6 / 8 水位设定电位器滑块位置 -3-2-101234 反相端（ -）电压（ V） 水位检测电位器滑块位置 -4-3-2-10123 同相 端（ +）电压（ V） 输出端电压（ V） 指示灯（亮 /灭） 结论 上述探究得出的初步结论应是：当反相端电压高于同相端电压时，输出电压约为 0V，指示灯熄灭。 按同样的方法继续完成下表二。 表二： 水位设定电位器滑块位置 -4-3-2-10123 反相端（ -）电压（ V） 水位检测电位器滑块位置 -3-2-101234 同相端（ +）电压（ V） 输出端电压（ V） 指示灯（亮 /灭） 结论 上述探究得出的初步结论应是：当反相端电压低于同相端电压时，输出电压约为 6V，指示灯亮。 通过这一探究，学生对 比较器有所了解，为了强化对比较器功能的进一步理解，我们又让学生思考。 7 / 8 当同相输入端电压为 4V，反相输入端电压 1V 时，输出端电压是多少，指示灯亮还是灭？ 当同相输入端电压为 3V，反相输入端电压 6V 时，输出端电压是多少，指示灯亮还是灭？ 小结：不论电压高低（ 0 6V），只要反相端电压低于同相端电压，比较器就输出高电平（ 6V）。同样，只要反相端电压高于同相端电压，比较器就输出低电平（ 0V）。 E、执行器 执行器模块（严格地说本模块在本文的案例中不是执行器，而是与下面的水泵才能构成执行器，当然本模块也 可与后面讲到的控制器一起构成控制器）外形结构： 执行器的功能是：当输入高电平时，它就输出 12V 电压和较大的电流，以驱动水泵等用电器工作。 为了使学生理解，可以将上面的认识比较器中的输出