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第四单元 控制系统的设计与实施 第四 单元 控制系统 设计 实施

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四　控制系统的设计与实施 学习目标　 节次 考试内容 考核要求 考试属性 控制系统的设计与实施 控制系统方案的设计 必考＋加试 c 一、控制系统设计必须考虑的基本问题 1．明确控制的目的。 2．分析被控对象的主要特性。 3．确定被控量和控制量。 4．分析主要的干扰因素。 5．方案选择。 6．调试、运行和评价。 7．系统的成本、元件、设备分析等。 二、开环控制系统的设计 1．明确设计要求。 2．明确被控对象、被控量和控制量。 3．考虑具体控制系统的方案。 三、闭环控制系统的设计 1．控制精度必须符合要求，系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。 2．控制系统必须是稳定的。 3．要有较好的抗干扰性能。 例1　如图1所示为某校学生设计制作的自动取汤机，能保持汤的温度在一定范围内。按一下取汤按钮，就自动落下一只碗，并放出一定量的汤在碗中。在该自动取汤机的温度控制系统中，不需要的器件是(　　) 图1 A．温度传感器 B．加热器 C．温度控制器 D．定时器 答案　D 解析　本题考查控制系统的组成和设计，控制系统的组成部分一般包括比较器、控制器、执行器、被控对象、检测装置。分析该温度自动控制系统，温度传感器起到检测的作用，温度控制器起到控制器的作用，加热器起到执行器的作用，定时器在温度控制过程中不起任何作用。 例2　如图2所示的镜子，内置红外测温装置可以测试人的体温，并在镜面的显示屏上显示出体温的数值。如果测得的体温过高，还会发出声音报警。请回答下列两题。 图2 (1)体温报警系统的控制手段和方式属于(　　) A．自动、开环控制 B．人工、开环控制 C．自动、闭环控制 D．人工、闭环控制 (2)以下部件与体温报警系统的声音控制无关的是(　　) A．红外测温装置 B．喇叭 C．显示屏 D．发声芯片 答案　(1)A　(2)C 例3　声控灯适用于多种场合，如在公共楼道里安装声控灯既方便，又安全。声控灯一般由声传感器、控制器和电子开关等组成。其中整个控制过程为：声传感器检测到的人的声音(一般为人的脚步声)后，把声音信号转变为电信号传给控制器，控制器通过分析判断后向执行器发出指令，执行器接收到控制器指令后工作，灯泡亮。此外，声传感器的灵敏度可调整，可适应不同场合的需要。 (1)声控灯控制系统的输入和输出是什么？两者的关系怎样？ (2)声控灯控制系统的被控量和控制量是什么？ (3)声控灯控制系统为什么可以采用开环控制系统？ (4)画出声控灯开环控制系统的框图。 (5)声控灯要有实用价值，还需要再增加什么功能？ 答案　(1)声控灯控制系统的输入是声音；输出是灯亮或灯灭。两者的关系是声音强到某一给定值时，控制系统才起作用，灯亮；声强达不到某一给定值时，控制系统不起作用，灯灭。 (2)声控灯控制系统的被控量是灯的亮、灭，控制量是电流。 (3)声控灯控制系统只有灯亮与灯灭两种运行状态，不需要对输出量的误差进行控制，因此，可以采用开环控制系统。 (4)声控灯开环控制系统的框图如图所示： ―→ (5)声控灯一般用作过道灯，过道灯的特点是人来灯亮，人离开灯灭。所以要使声控灯具有实用价值，还需要有一个延时装置。灯亮后，延时装置工作，经过一段时间后，灯自动熄灭。 解析　本题考查控制系统方案的设计，考查的知识点较多。不仅要弄清楚整个控制过程，而且还要结合具体的开环控制系统的理论，了解框图的画法。声控灯是一个典型的控制系统，控制系统的输入量就是控制系统的给定量，它可以是设定的参数，如时间、温度等，也可以是输入的信号，如声音、光照等。输出量(被控量)是指控制系统所要控制的量，如水位、温度等。控制量是执行器的输出量，如电动机的转速、阀门的开关等，控制系统的控制方式(开环与闭环)是由控制系统是否需要反馈环节来决定的。在日常生活中，声控灯一般都有延时装置。 例4　(2016浙江4月学考)如图3所示为车间温度控制系统示意图。当传感器检测到室内温度达到设定值的上限时，控制器发出信号，连通水泵和风机电源，水泵向进气窗输送冷却水形成水帘，风机将室内的空气排出，室外的空气通过水帘降温后进入室内，降低室内温度。当室内温度达到设定值的下限时，断开水泵和风机电源。请回答下列各题： 图3 (1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的项，将序号填写在“________”处)； (2)该系统的被控对象是________(在①水帘；②水泵和风机；③车间中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)； (3)该系统中的传感器应选用________(在①流量传感器；②湿度传感器；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)； (4)为了提高该系统的降温效果，有效的优化措施是________和________(在①增大进气窗和水帘面积；②降低温度设定；③加大排风量；④提高传感器的灵敏度中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。 答案　(1)②　④　(2)③　(3)③　(4)①　③ 解析　本题考查控制的手段和方式、闭环控制系统的工作过程和基本原理以及传感器的选择等。系统开启后，自动检测车间温度，控制相应设备降温。我们分析的对象是车间温度控制系统，所以被控量是温度，被控对象是车间。设定量是设定的温度值，检测装置是温度传感器，水泵和排风机是执行器，水量和排风量是控制器。 一、选择题 (2015浙江)如图4所示为公共厕所人体感应自动供水系统示意图。当探头检测到有人进入厕所，控制器控制电磁阀打开，向水箱供水。据此回答第1～2题。 图4 1．该供水控制系统的执行器是(　　) A．水箱 B．进水阀 C．探头 D．电磁阀 答案　D 2．适合用作探头的是(　　) A．红外传感器 B．压力传感器 C．水位传感器 D．光敏传感器 答案　A 3．(2014浙江)要设计水箱水位的闭环控制系统，下列器材中，适合用作检测装置的是(　　) 答案　D 4.(2013浙江)小通设计了如图5所示的一款小音箱，带有音乐播放控制系统。如果把手伸进它的口中，就会播放几首歌曲，然后自动停止。在选用该控制系统的传感器时，以下最合适的是(　　) 图5 A．声音传感器 B．红外传感器 C．温度传感器 D．气敏传感器 答案　B 5.如图6所示是一款感应水龙头，当手靠近感应区域时，水就会自动流出。设计该水龙头自动感应出水控制系统时，不需要用的是(　　) 图6 A．温度传感器 B．水位传感器 C．电磁阀门 D．红外传感器 答案　A 6．楼道灯一般采用触电延时开关或声光延时开关控制，下列选项不是其原因的是(　　) A．一些人没有随手关灯的习惯，离开楼道却忘记关灯 B．考虑到肢体残疾人的需求，才特地采用这种控制方式 C．人离开之后延时关闭楼道灯，能起到节约用电的作用 D．由于夜晚在楼道停留的人并不多，所以采用延时开关 答案　B 如图7所示，高压锅利用硅橡胶圈将锅体密封起来，使蒸气不容易跑掉，形成高温高压，使食物迅速膨胀软化。高压锅内的气体压强需控制在一定的范围，它有一个巧妙的压力控制系统。刚开始锅内气压较低时，排气口被限压阀封闭，锅内气压逐渐升高，当气压升高到一定值时，蒸气会冲开限压阀喷气，以使锅内气压稳定在一定值。据此回答第7～8题。 图7 7．高压锅的压力控制系统中，检测装置是(　　) A．排气管 B．锅体 C．限压阀 D．锅盖 答案　C 8．有人为了让锅内的压强加大，从而缩短煮食物的时间，擅自增大限压阀的重量，引起高压锅爆炸的严重后果。增大限压阀重量的实际影响是(　　) A．减小了高压锅内的实际压强 B．提高了检测装置的精度 C．减小了预先设定的压强 D．增大了预先设定的压强 答案　D 太阳能热水器是利用太阳的能量将水加热的装置，由集热管、水箱、支架及相关附件组成。新型的太阳能热水器带有水位自动控制和电加热温度控制系统。当水箱水位低于设定水位时，能够自动加水；当阴雨天太阳能加热不能满足需要时，则启动电加热温度控制系统，使水温达到设定值。据此回答第9～10题。 9．在太阳能热水器的电加热温度控制系统中，输入量是(　　) A．设定的水温 B．太阳光的强弱 C．加热的时间 D．实际的水温 答案　A 10．在太阳能热水器的水位控制系统中，输出量是(　　) A．设定的水位 B．加水温度 C．加水的时间 D．实际的水位 答案　D 11.如图8是一支防近视智能笔，内置先进的红外传感器，当使用者书写时头部过于接近桌面，红外感应器会感应到使用者脸部反射的红外线信号，将信号传给中央处理器，通过芯片作用，机械部件产生联动，笔尖就会自动缩回，当学生调整好坐姿，笔尖又会自动伸出，恢复正常书写功能。上述智能笔的笔尖伸缩控制系统中执行器和被控对象为(　　) 图8 A．芯片、机械部件 B．机械部件、笔尖 C．机械部件、学生 D．芯片、学生 答案　B 12. (2015浙江)如图9所示是一款宠物自动喂水机，宠物靠近时，阀门自动打开，离开后自动关闭。该控制系统的控制方式和宜采用的传感器是(　　) 图9 A．开环控制、红外传感器 B．闭环控制、压敏传感器 C．开环控制、湿敏传感器 D．闭环控制、声敏传感器 答案　A 13．数控机床的工作台位置需要自动控制，它的工作原理是：检测装置机床工作台的实际位移，并将该位移值传输给数控装置与设定位移量进行比较，数控装置根据比较的偏差值控制伺服装置运动，驱动机床工作台到达指定的位置。比较实际位移量与设定位移量的装置是(　　) A．检测装置 B．数控装置 C．输入装置 D．伺服装置 答案　B 王乐同学在公共浴室洗澡时，发现不用开启冷水阀就可以打开热水阀，这很容易造成洗澡者烫伤。据此回答第14～15题。 14．他有以下四种解决问题的设想，其中不合理的是(　　) A．采用先打开冷水阀，然后才能打开热水阀的方法 B．热水阀上方安装一个水温显示器 C．设计自动调和成温水的阀门 D．减小水管出水量，开启热水阀门也不足以对人产生伤害 答案　D 15．王乐想设计一个自动控制装置，当他先打开热水阀时，系统会提示要打开冷水阀；若水温超过35℃还没打开冷水阀，装置将自动关闭热水阀，水管不流出热水。把水管(水管里的水)作为被控对象，在自动关闭热水的控制中，执行器和输出量分别是(　　) A．电子开关、热水阀的开或闭 B．电磁阀、热水阀的开或闭 C．电磁阀、热水的有或无 D．电子开关、热水的有或无 答案　C 16.(2012浙江)如图10所示为电子起跑器，踏板上安装了传感器，当运动员听到起跑信号启动的瞬间，传感器检测到人的启动信号，经控制器计算出起跑反应时间。若起跑反应时间小于0.1秒，就判罚犯规。该电子起跑器的传感器应采用(　　) 图10 A．压力传感器 B．温度传感器 C．速度传感器 D．湿度传感器 答案　A 17．如图11甲所示是工业锅炉压力控制装置的示意图。李明想根据这个示意图展示的原理模仿设计一个气压控制装置。他的设想是：①用化学烧瓶代替锅炉(如图乙所示)，②可以控制不同的压力。 图11 李明设计的装置，其输出的最大压力值主要决定于(　　) A．烧瓶的最大耐压值 B．横杆的最大抗弯强度 C．活塞的气密性 D．重物的重量 答案　B 二、非选择题 18.如图12所示是光控百叶窗启闭控制系统，其工作过程是：光敏电阻检测环境亮度，当达到一定亮度时，Arduino控制板控制电机运转，百叶窗关闭；反之，百叶窗处于开启状态。回答下列各题： 图12 (1)该百叶窗的启闭控制方式属于________控制(在①闭环；②开环中选择一项，将序号填写在“________”处)； (2)该控制系统的控制手段属于____________(在①手动控制；②自动控制中选择一项，将序号填写在“________”处)； (3)该控制系统的控制器和执行器分别是________、________(在“________”处填写相应的内容)。 (4)在对该百叶窗启闭控制进行技术试验时，外界环境达到一定亮度时，百叶窗并未打开，经简单排查，Arduino控制板工作指示灯可以点亮。下列不可能的原因是________(在①百叶窗的铰连接部位损坏；②光敏电阻被遮挡；③电机烧毁无法运转；④设置的亮度值太低中选择一项，将序号填写在“________”处)。 答案　(1)②　(2)②　(3)Arduino控制板　电机　(4)④ 19．食物放入冰箱后很容易被遗忘，从而导致食物过期变质。为了解决这一问题，请你设计一个食物过期报警装置，该装置能同时对10种食物的保质期进行监控，一旦确认某种食物即将过期，可以通过合理的方式报警。回答下列各题： (1)在设计该装置时，你要达到的设计目标是一旦________________________，所以这个控制系统是________(填“开环”或“闭环”)控制系统。你可以采用的控制方法是______________________________________，此时控制器是________。 (2)若输出量报警信号选择声、光信号，则可能产生的问题是_____________________ ___________________________________________________。 (3)请你列出你设计的食物过期报警装置中所需要的元器件。 答案　(1)食物保质期临近就要报警　开环　用计时器进行倒计时，时间到了就进行报警，并在显示器上显示要过期食物的名称　计时器 (2)报警时若家里没人，装置会一直报警 (3)计时器、食物名称输入装置、控制电路、报警器。

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