水塔控制系統(tǒng)的實踐與探析（一）

臺州市椒江五中沈朝陽

 《技術(shù)與設(shè)計2》中的閉環(huán)控制與開環(huán)控制是教學(xué)中的難點，究其原因，一個可能是教材對開環(huán)與閉環(huán)的界定條件還不夠嚴格，造成許多案例的不同爭議，當然有些案例屬于復(fù)雜案例，兩者可能兼而有之，我們分析不透，形成不同的答案。另一個原因是，學(xué)生遇到的控制類案例雖然很多，但能深入分析的卻不多，更缺少實踐這一環(huán)節(jié)，因此也難形成較系統(tǒng)的概念。教材上的游泳池水位控制系統(tǒng)是一個典型的控制類案例，由于缺少具體的實現(xiàn)方法的介紹，失去了對學(xué)生設(shè)計觀念的形成及設(shè)計能力的提高一次較好的機會，而我們介紹給學(xué)生的其他案例大多不夠典型，以機械類控制較多，它們的優(yōu)點顯而易見，結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)生容易理解整個控制過程，但缺點是環(huán)節(jié)劃分不明顯，甚至許多環(huán)節(jié)由一個部件來擔任，如高壓鍋壓力控制系統(tǒng)，檢測、比較、控制、執(zhí)行可以說都集中于重錘部分，因此學(xué)生難以適應(yīng)。所以，在介紹完游泳池控制系統(tǒng)后，緊接著一個具體的實踐活動，無論對學(xué)生的概念的形成，還是控制部分的設(shè)計能力的提高，都會產(chǎn)生積極的影響。設(shè)計一個環(huán)節(jié)典型，結(jié)構(gòu)簡單，趣味性較強，學(xué)生又易于理解，并能方便擴展應(yīng)用的實踐活動就顯得尤為重要。本文就此問題作一粗淺的探討，希望能對大家有所啟發(fā)。

水塔控制系統(tǒng)的設(shè)計思路：

普通水箱由于用自來水供水，只要通過浮子連桿閥門組成的機構(gòu)即可實現(xiàn)自動進水。但水塔中水的來源一般來自江河水庫等，因此需要啟動水泵進水。水泵的進水控制與一般的水箱進水控制就有許多不同。

（一）水泵進水控制的初步設(shè)想。（見下圖）

當水塔中水位較低時，浮球下降，連桿順時針轉(zhuǎn)動，使開關(guān)接通，水泵抽水；水位上升，浮球上升，在重錘的作用下連桿逆時針轉(zhuǎn)動，開關(guān)斷開，水泵停止抽水。這一設(shè)計思路比較簡單，水位高低的調(diào)節(jié)可以通過移動觸點的位置來實現(xiàn)，但存在著一些缺點：一、水塔一般在高處、遠處，移動、調(diào)整觸點的位置不大方便。二、當水池水位稍有下降，水泵就會重新啟動，因此水泵會被頻繁開關(guān)，大大縮短了水泵的使用壽命。

（二）將水位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹韺崿F(xiàn)遠程控制

電路的設(shè)計與制作，是這部分教學(xué)中的難題，一是學(xué)生基礎(chǔ)較差，二是教學(xué)時間緊。因此降低電路設(shè)計與制作的難度，是我們首先要解決的問題。為此，我們將控制電路分解為幾個功能模塊，將電路的復(fù)雜部分設(shè)計在模塊內(nèi)部。各模塊基本對應(yīng)于《技術(shù)與設(shè)計2》中的開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的幾個環(huán)節(jié)。這樣一方面降低了學(xué)生的實踐難度，又使學(xué)生通過實踐活動對開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)有了較深刻的認識。通過實踐活動，學(xué)生對模塊本身有了較多的了解，可以將模塊應(yīng)用到更廣的范圍。

1、幾種模塊介紹

A、比較器模塊

①模塊外形結(jié)構(gòu)：

 模塊有4個固定孔，用來固定模塊。7個接線螺絲與下面介紹的連接件一起，實現(xiàn)與電源、其他模塊、被控對象等的連接。電源指示能方便的顯示出模塊與電源連接情況，使學(xué)生在實踐活動中，及時了解模塊與電源的連接情況。輸出指示能顯示模塊的工作情況，幫助學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)問題，及各模塊工作配合的情況，利于學(xué)生的理解。下面介紹的其他模塊與本模塊相似的地方，下文中就不再介紹。

②模塊內(nèi)部電路：

模塊內(nèi)部電路的引線與模塊的外接線柱基本對應(yīng)。模塊內(nèi)部還加接了較多的電阻、二極管，其他模塊還加了三極管、集成電路等，都是為了保護模塊，防止學(xué)生連接錯誤時，也不會造成模塊的損壞，保證了實踐活動的順利展開。

③模塊間、模塊與其他元件的連接材料

模塊間的連接一般采用兩端都是接線片的這種連接件，模塊與萬用表等電器設(shè)備的連接可采用一端是接線片另一端是鱷魚夾的連接件，在連接時，要特別注意防止短路。

④模塊使用的電源

采用市售12V、2A的直流穩(wěn)壓電源，或?qū)W生電源為模塊供電。

B、與比較器相連的設(shè)定水位用電位器模塊

模塊的三個接線端分別與模塊內(nèi)部的電位器的三個端相連。位置設(shè)定滑塊與內(nèi)部的電位器滑動片相連。模塊上面的刻度沒有絕對意義，0表示電位器處于中間，-4和+4表示的意義：當滑塊滑到-4處，藍色接線柱與灰色接線柱間的電阻為零；當滑塊移到+4處，藍色接線柱與橙色接線柱間的電阻為零。（實際上為了保護本模塊，電位器的動觸片通過一個1KΩ的定值電阻與藍色接線柱相連，這樣上述兩個接線柱之間的電阻都為1KΩ。這在其他實踐活動的應(yīng)用中，要引起注意。）

C、與比較器相連的檢測用電位器模塊

本模塊與上面B模塊基本相似，唯一不同的是，滑塊上有連接螺栓，便于與其他裝置連接，本文中的檢測用電位器模塊就與連桿、重錘、浮球等共同組成檢測裝置。

D、認識比較器

有了上述材料，我們就可認識一下比較器是怎樣一種器材。具體的接線見下圖。

體驗過程：

①將水位設(shè)定電位器滑塊移到-3處，測出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測電位器滑塊移到-4處，測出同相輸入端（+）與地之間的電壓，輸出端與地之間的電壓，同時觀察輸出指示燈的亮滅，記在表一中。

②將水位設(shè)定電位器滑塊移到-2處，測出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測電位器滑塊移到-3處，測出同相輸入端（+）與地之間的電壓，輸出端與地之間的電壓，同時觀察輸出指示燈的亮滅，記在表一中。

③改變滑塊位置，完成下表。

④分析表中數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

表一：

上述探究得出的初步結(jié)論應(yīng)是：當反相端電壓高于同相端電壓時，輸出電壓約為0V，指示燈熄滅。 

按同樣的方法繼續(xù)完成下表二。 

表二：

上述探究得出的初步結(jié)論應(yīng)是：當反相端電壓低于同相端電壓時，輸出電壓約為6V，指示燈亮。

 通過這一探究，學(xué)生對比較器有所了解，為了強化對比較器功能的進一步理解，我們又讓學(xué)生思考。

當同相輸入端電壓為4V，反相輸入端電壓1V時，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？

當同相輸入端電壓為3V，反相輸入端電壓6V時，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？

小結(jié)：不論電壓高低（0——6V），只要反相端電壓低于同相端電壓，比較器就輸出高電平（6V）。同樣，只要反相端電壓高于同相端電壓，比較器就輸出低電平（0V）。 

E、執(zhí)行器

①執(zhí)行器模塊（嚴格地說本模塊在本文的案例中不是執(zhí)行器，而是與下面的水泵才能構(gòu)成執(zhí)行器，當然本模塊也可與后面講到的控制器一起構(gòu)成控制器）外形結(jié)構(gòu)：

執(zhí)行器的功能是：當輸入高電平時，它就輸出12V電壓和較大的電流，以驅(qū)動水泵等用電器工作。

為了使學(xué)生理解，可以將上面的認識比較器中的輸出端接一個普通的12V燈泡，讓學(xué)生觀察，當比較器輸出高電平時，燈泡能否發(fā)光；然后通過執(zhí)行器接12V的燈泡，讓學(xué)生觀察，燈泡的發(fā)光情況。

b、水泵

采用市售12V微型潛水泵。

F、被控對象

水池用1000毫升以上飲料瓶改制

G、檢測裝置

浮球、連桿機構(gòu)、檢測電位器模塊等組成檢測裝置