11版必修第单元控制与设计

1第四单元控制与设计考点考试内容考核要求控制的手段与应用控制的含义控制的手段和方法控制的应用BAB控制系统的工作过程与方式简单开环控制系统的基本组成和工作过程闭环控制系统的基本组成简单的闭环控制系统的方框图控制器和执行器的作用CBCC闭环控制系统的干扰与反馈反馈的含义简单控制系统运行的主要干扰因素闭环控制系统中反馈环节的作用闭环控制系统的工作过程功能模拟方法和黑箱方法BCBBA控制系统的设计与实施控制系统方案的设计C考点一|控制与控制系统一、控制的手段与应用1控制就是人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向和目标发展。事物发展的结果可能是人们期望的，也可能与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当的手段来实现。2控制三要素控制对象、控制目的、控制手段。1_人的意愿或目的。2_控制目的中的事物，课本内通常是指装置、元件之类的物品。控制对象就是指被控对象。23_指干预控制对象的方法、手段。解决控制问题第一要弄清控制目的，第二根据目的找到控制对象和它被控制的是具体哪个物理量或状态，第三要清楚采取什么样的控制手段。3传感器信号的采集装置或元件，用于检测衡量物理量或状态，可以作为输入装置。4控制的手段和方法1按人工干预的情况来分_控制系统必须在人的直接干预下才能完成控制任务。如骑自行车，骑车人必须全程参与控制，否则就无法有效控制自行车_在控制的过程中如果不需要人的干预，就可按期望规律或预定程序进行的控制。如空调机，当人在设定空调的温度后，空调机会在无人直接参与的情况下自动将室内的温度调节到指定的温度2按执行机构来分_、_、_、_等。很多控制事例中，控制方式也可能是综合的5控制的应用1控制在生活中的应用控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之能满足人们的需要。2控制在生产中的应用生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及加工动作等进行控制。3控制在军事、国防领域也有着广泛应用。【答案】控制目的控制对象控制手段人工控制自动控制机械控制气动控制液压控制电子控制二、控制系统的工作过程与方式1简单开环控制系统的基本组成和工作过程概念简单开环控制系统是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。特征系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递。3方框图输入量输出量控制器执行器控制器被控对象1_给定量控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间。102_被控量控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位。3_控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池。4_直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门。5_对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路。6_执行器的输出信号，如流过阀门的水量。2闭环控制系统的基本组成概念闭环控制系统是系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统。由概念可知，控制系统的输出量对控制产生影响是判断工作方式“闭环控制”或“开环控制”的准绳。例供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统等。基本组成与开环控制系统相比，闭环控制系统多了检测装置、比较器。同样，从控制三要素入手，先根据目的找对象，明确输入与输出量，接着逆向找到执行器和控制器，再看是否有检测输出量的检测装置没有检测输出量的，肯定是开环控制，然后判断这个检测量是否返回到输入端对控制产生影响，有影响的才是闭环控制。3简单的闭环控制系统的方框图检测装置检测被控量并返回到系统的输入端；比较器将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在一定范围内。与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成4的反馈环节。4控制器和执行器的作用1控制器对系统的输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。例如控制电路、控制装置、控制机构、定时器等。2执行器根据指令直接对被控对象进行控制的装置或元件。例如开关阀门、继电器、制冷装置压缩机、加热装置加热器、压缩机、电动机、活塞、水泵等。简单控制系统的工作过程分析控制系统控制类型案例分析开关类公交车车门的开关控制车门开/关开关信号电磁阀气动活塞移动司机操作开关装置，发出开关信号，控制电磁阀的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，由压缩空气推动活塞，从而带动车门的开启与关闭开环控制系统定时类泳池定时注水系统设定注水时间定时器进水阀水流量泳池泳池的水位使用者将注水的时间值设定到定时器中，开启进水阀注水，一旦时间到达，定时器就会控制注水阀关闭，停止向泳池注水恒定输出类电冰箱恒温控制系统感温元件测出冰箱内的实际温度，与设定的温度进行比较，若冰箱内的温度高于设定值，温度控制器将启动压缩机给电冰箱制冷，使冰箱内的温度降低，直至与设定值一致闭环控制系统动态跟踪类风力发电机跟踪风向的控制系统检测输入量将检测到的风向信号送给迎风控制装置与设定值比较，迎风控制装置根据风向角度偏差信号控制偏5航电机运转，调整风轮角度，使风轮始终对准风向【答案】输入量输出量被控对象执行器控制器控制量12016浙江4月学考某学校铃声控制系统的工作过程是电脑根据设定的时间顺序，发出电信号给功率放大器，使音箱发出铃声。请根据上述说明，完成下题。关于该控制系统的说法中，不正确的是A控制器是电脑B执行器是功率放大器C被控对象是音箱D输出量是功率放大器发出的电信号D本题考查控制系统的组成。该系统的控制目的是使音箱发出铃声，因此铃声是系统的输出量，D项符合题意。22015浙江10月学考如图所示是一款自动伸缩式遮阳篷的示意图，当传感器检测到雨水、阳光时，将感应信号发送给控制器，启动电机展开遮阳篷。关于该控制系统，下列说法中不正确的是A输入量是雨水、阳光信号B控制量是前杆的位移量C执行器是电机D被控对象是遮阳篷B本题考查控制系统的组成分析。该控制系统为开环控制系统，传感器接收到的雨水、阳光信号作为输入量，经控制器后启动执行器电机，从而带动被控对象遮阳篷展开或放下。控制量是指执行器的输出信号，即电机的转动量，而非前杆的位移量，因此B项符合题意。61开环控制系统与闭环控制系统的判断方法根据定义判断输出量对控制系统的工作不产生影响的是开环控制系统，输出量影响控制系统工作状态的是闭环控制系统根据信号传递特征判断开环控制系统信号单向传递，闭环控制系统信号双向循环传递根据反馈的有无判断开环控制系统不存在反馈，闭环控制系统存在反馈2说明判断反馈是否存在要抓住三点1是否有检测装置；2是否检测输出量；3是否与给定值比较。由于开环控制系统中有时也会有检测某一信号的装置，因此判断的关键在于找准系统的输出量，判断检测装置是否检测输出量。1如图所示为农田节水灌溉控制。在实现水量均匀喷灌的同时，减轻了农民的劳动强度。该灌溉控制系统最主要的控制目的是A降低生产成本B节约用水C自动均匀地喷灌D农作物的快速生长B本题考查控制的含义。控制是人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。因此控制的三要素为控制的对象、控制要达到的目标和控制的手段。选项A采用节水灌溉控制增加了生产成本，选项C是手段，但不是主要目的，选项D不明显。2汽车安全气囊控制系统的工作过程是传感器检测到汽车碰撞信号，经诊断模块判定和处理后，触发气体发生器给气囊充气，该系统的被控对象是A被气囊保护的人B气囊C诊断模块D气体发生器B本题主要考查控制方框图各组成部分的含义，控制器对输入信号进行运算处理，并发出控制命令。执行器根据指令对被控对象直接控制。本题控制器为诊断模块，执行器为气体发生器，被控对象为气囊。73如图所示是一款智能垃圾桶。投垃圾时，手或垃圾靠近感应区上方，桶盖会自动打开，投入后桶盖会自动关闭，该控制系统的控制手段和控制方式属于A手动控制、开环控制B自动控制、开环控制C自动控制、闭环控制D手动控制、闭环控制B本题考查控制手段及控制系统的类型。该系统控制过程中无人参与，所以是自动控制；桶盖的打开和关闭只与手或垃圾的红外信号有关，信号是单方向传送，所以是开环控制。4如图所示是地铁进站闸机，乘客将车票或公交卡放入读卡感应区，读卡器将卡片信息发送给服务器进行验证，验证合格后，控制开闸机构开启闸门。关于闸门的开启控制，下列说法正确的是A该控制是闭环控制B被控对象是乘客C输出量是闸门的开启D控制器是开闸机构C本题考查控制的手段与控制系统的组成分析。该系统以闸门开启作为控制目的，检测装置测得的卡片信息作为输入量，不存在反馈，因此为开环控制系统；系统的服务器为控制器，开闸机构为执行器，闸门为被控对象。综上所述，C项正确，A、B、D项错误。5如图所示是电热水器温度自动控制系统的示意图，当热电偶测到水温低于设定值时，控制电路接通加热丝，加热储水箱中的水，使水温达到设定值，8关于该控制系统的组成，下列说法中不正确的是A被控对象是水箱中的水B控制器是加热丝C被控量是出水温度D设定量是所要求的水温B本题考查控制系统的组成分析。电热水器温度自动控制系统是闭环控制系统，设定量是水箱内要达到的温度，控制器是控制电路，被控对象是水箱中的水，被控量是出水实际温度。因此B项符合题意。考点二|闭环控制系统的干扰与反馈一、闭环控制系统的干扰与反馈1干扰因素在控制系统中，除输入量给定量以外，引起输出被控量变化的各种因素。如空调房间温度的控制中，被控量是房间的实际温度，当打开门时，这个因素对被控量有影响，所以这个因素就是干扰因素。2有的干扰因素是环境造成的，有的干扰因素是人为造成的；干扰因素一般需要克服，有的却可以利用。干扰因素可以作用在被控量、控制器、执行器上。干扰因素会作用于开环控制系统，也会作用于闭环控制系统。3干扰中应该注意的问题1来源问题有的干扰因素是由环境造成的，如影响自行车速度变化的自然风等；有的干扰因素是人为所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。2数量问题在控制系统中，干扰因素可能是一个，也可能是若干个，如战士在大风大雨中进行射击训练，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。3处理问题有些控制系统在工作中必须克服干扰，使被控量稳定。如空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器检测出因此引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温9来克服这一干扰，使室温保持稳定。而在有些情况下，却可以利用干扰因素来实现某种目的。4反馈控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量相比较的过程。反馈的主要作用是在一定程度上克服干扰。如空调房间温度的控制中，用温度传感器检测房间的实际温度与设定的温度进行比较的过程。5闭环控制系统的工作过程1闭环控制系统的核心是通过_来减少被控制量输出量的偏差。2工作过程A由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定量；B闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定量进行比较；C控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定量，达到精确控制的目的。6功能模拟方法和黑箱方法1_以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法。例如上海世博会上的引路机器人，该机器人能够模仿人体的功能进行引路。2_把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。例如工程师为了判断汽车减速器的内部故障，通常会转动输入轴，根据发出的声音来判断故障。【答案】反馈功能模拟方法黑箱方法二、开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制系统闭环控制系统相同点均包含被控对象、控制器、执行器、控制量等组成成分特征输出量仅受输入量控制根据被控量与给定量间的偏差控制系统的运行不同点信号单向双向10传递组成增加了检测装置和比较器控制精度较低，需人工控制辅助较高，能通过反馈克服干扰三、控制系统的设计与实施1控制系统设计要考虑的主要问题2设计控制系统的要素分析要素分析选择开环控制还是闭环控制根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定分析被控对象的主要特性采用黑箱方法，通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析其基本特性干扰因素一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素被控量和控制量的确定需要控制的量往往被确定为被控量；控制量可选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量执行器、检测装置的选择1根据被控量和控制量的需求2根据控制的条件其他画出必要的设计图纸和实施图纸，撰写设计说明书等3开环控制系统的设计开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。4闭环控制系统的设计要求1闭环控制系统正常工作时，必须是稳定的；112控制的精度必须符合要求；3闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。12016浙江4月学考各种干扰因素会造成系统工作不正常，下列不属于干扰因素的是A电脑中侵入病毒程序B响铃时间顺序设定错误C工作电压超出系统正常工作范围D系统附近使用无线电设备B本题考查干扰的概念。响铃时间的设定是系统的输入量，不属于干扰，因此B项符合题意。22015浙江3月学考如图所示是自动变速扶梯系统控制过程示意图。无乘客时，扶梯缓慢运行；当乘客进入检测传感器的检测范围时，控制器接收到传感器的检测信号，控制电动机和传动装置加速转动，扶梯正常运行。请回答下列各题为防止扶梯加速使乘客站立不稳，检测传感器的安装位置应在_在“乘客进入扶梯踏步前；乘客进入扶梯踏步之后”中选择一项，将序号填写在“_”处。【解析】本题考查控制系统工作过程的实例分析。若乘客站上扶梯后扶梯再加速，可能导致乘客站立不稳，因此该控制系统控制扶梯加速至正常运转应在乘客站上扶梯之前，即方案正确。【答案】121分析影响控制系统运行的干扰因素1干扰既存在于闭环控制系统中，也存在于开环控制系统中。2干扰因素通常作用在被控对象上，其作用是使被控量偏离给定值。3通常控制系统中的干扰因素不止一个，因此必须对可能存在的干扰进行全面的调查和分析。但并非所有干扰都需要采取抗干扰措施来克服，因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的复杂和成本的增加。2闭环控制系统工作过程的分析闭环控制系统的基本工作过程为检测装置检测到被控量。并将其反馈到输入端与给定值比较，得到偏差，控制器根据偏差进行相应的控制，使执行器操控被控对象，使被控对象向期望的方向变化，直到系统的实际被控量与给定值相符，偏差为零时，控制过程结束。利用上述工作过程的描述格式，从以下一组问题中可以得到闭环控制系统的各个组成部分。问题对应的组成部分系统的名称是什么被控对象系统的控制目的是什么被控量与给定量什么装置检测输出量检测装置系统如何根据偏差进行控制控制器与执行器控制的结果是什么再次回到被控对象与被控量，完成信号的循环传递1如图所示是一加热炉的恒温自动控制示意图。在加热炉工作时，如果炉内温度大大超过了设定值，以下原因可能的是A加热炉门未关好13B加热器断路C控制器损坏D工作场所环境温度过高C本题考查对控制系统工作过程的分析。“炉内温度大大超过了设定值”说明反馈没有完成，即设定量、检测输出量、比较功能三个环节可能出现问题。闭环控制系统中的比较功能往往由控制器完成，因此C项符合题意。A、B项会使炉内温度降低，D项不会对炉内温度产生显著影响，因此A、B、D项不符合题意。2有一款儿童空调，利用热电堆红外