必修2第四单元 控制与设计

第四单元控制与设计考点1控制的含义考点2控制的应用考点3控制的手段考点4开环控制系统的基本组成和工作过程考点5闭环控制系统的基本组成和工作过程考点6控制系统的方框图考点7控制系统的干扰因素考点8功能模拟法和黑箱方法考点9控制系统的设计方案第四单元控制与设计考点1控制的含义考点解读

高考档案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，这就是控制(control)。因此，理解控制，要明确控制的对象、目的和控制的手段。6次高考均未直接涉及考点2控制的应用考点解读

高考档案本考点往往与控制的手段结合，在选择题中出现。1．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．控制应用到生产中，大大减轻了工人的劳动强度，提高了产品的质量和生产效率。3．控制也应用到军事、国防等领域。2009年3月浙江高考第20题2010年3月浙江高考第18题2010年9月浙江高考第18题2011年3月浙江高考第18题2012年3月浙江高考第18题考点3控制的手段考点解读

高考档案1.人工控制与自动控制：人工控制是人直接干预而且一般是全程干预；自动控制是不需要人直接干预，人只是给控制发出指令或设置相关信息。2．机械控制：以机械传动作为主要控制手段，如采用杠杆、齿轮、皮带传动、蜗轮蜗杆等方式。3．气动控制：以气体作为主要信息与动力，一般由气阀门及气控件组成。4．液压控制：采用液压方式来传递信息与动力。5．电子控制：由电子元器件构成，采用电信号作为传递信号的载体。同上表

【答案】A

【解析】该控制系统能将水温保持在设定值，这说明当水温达不到设定值时，启动加热功能；当水温达到设定值时，电水壶自动断电，停止加热。这说明实际水温通过检测器的检测返回输入端影响控制过程，属于闭环控制。在整个控制中都是不需要人直接参与，为自动控制。控制方框图如下：【例1】(2011年3月浙江省高考)如图所示为一款具有保温功能的电水壶，按下保温按钮，能将水温保持在设定值，该保温控制系统的控制手段和控制方式属于(

)A．自动控制、闭环控制B．自动控制、开环控制C．手动控制、闭环控制D．手动控制、开环控制【变式训练】1.(2012年3月浙江省高考)如图所示是一款太阳能饭盒，每个饭盒都有独立的温度控制系统，当饭煮熟后，自动进入保温状态，该饭盒温度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、闭环控制C．自动控制、开环控制D．手动控制、闭环控制【答案】B【解析】根据题意，该饭盒温度控制系统不需要人直接参与，因此属于自动控制。关于控制方式的选择，该太阳能饭盒的控制目的在于保持饭盒内的温度，因此温度控制也就是把温度保持在一定范围内，若盒内温度与设定值有偏差，饭盒将自动加热至设定温度，这就存在比较和反馈，因此属于闭环控制。考点4开环控制系统的基本组成和工作过程考点解读高考档案本考点多考查开环与闭环的区分，在选择题中出现。1．开环控制系统：输出量不对系统的控制产生任何影响。2．控制器起到三个方面的作用：接收输入量、分析与判断、向执行器发出指令，因此，控制器是控制系统的“CPU”。3．执行器起到两方面的作用：接收指令、具体执行，执行器往往是动力机构，如弹簧、阀门等。4．具体的工作过程：在控制器的控制下，执行器通过控制量对被控对象的被控量(即输出量)进行控制。5．日常生活中的红绿灯定时控制系统、防盗报警系统、音乐喷泉自动控制系统、宾馆的自动门控制系统大多数是开环控制系统。2009年3月浙江高考第15题2010年3月浙江高考第18题2010年9月浙江高考第18题2011年9月浙江高考第18、19题2012年3月浙江高考第19题2012年3月合卷版技术试题第14题【例2】(2011年9月浙江省高考)如图所示感应水龙头的出水控制系统为开环控制，当手靠近感应区域时，水就会自动流出。下列判断中正确的是(

)A．该控制系统有检测环节B．该控制系统有反馈环节C．该控制系统的控制器是水龙头D．该控制系统能保持出水量稳定【解析】本题考查对控制系统的理解。A项，因题目中当手靠近感应区域时，水就会自动流出。一般为红外线检测。A正确。【答案】A【例3】(2012年3月浙江高考第19题)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，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，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【解析】从题干中“使水温达到设定值”文字中，可以确定这是闭环控制系统。根据控制系统的各环节的概念和从题干中“控制电路接通加热丝，加热储水箱中的水”等文字中，可以轻松知道控制器是控制电路，执行器是加热丝；从该控制系统的名称“电热水器温度自动控制系统”可知，被控对象是水箱或水箱中的水。【答案】B【变式训练】

2.如图所示是一款可以定时的台灯。将拉绳拉到设定时间位置，打开灯的同时定时器开始工作，到达设定时间开关断开，将灯熄灭。关于这款台灯的控制系统，下列说法正确的是(

)A．执行器是台灯B．控制器是拉绳C．输入量是设定时间D．控制量是台灯的亮度【答案】C【解析】该控制系统中，执行器是开关，控制器是定时装置，控制量是开关的通与断也可以说是电流量；定时台灯其输入量是设定的定时时间。【变式训练】3.[2012年3月合卷上机版高考技术试题第14题]如图所示是汽车倒车雷达示意图，当汽车倒车至障碍物一定距离时，雷达侦测器将侦测到的信号输人主机，主机控制蜂鸣器发出报警声，并在显示器上显示至障碍物的距离。下列对该控制系统的分析中不正确的是()A．被控对象是雷达侦测B．控制器是主机C．输人量是车尾至障碍物的距离信息D．输出量是报警声和显示器的显示信息【答案】A【解析】本题考查控制系统分析。被控对象应为蜂鸣器。考点5闭环控制系统的基本组成和工作过程考点解读高考档案本考点的分值比例在5分以上，主观题和客观题均会出现，重点考查闭环控制系统的基本组成。1．闭环控制系统是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。2．开环控制与闭环控制的比较①闭环控制系统能够对被控量的偏差进行调整与补偿，与开环相比，它的控制精度高，能够比较有效地克服外界干扰，但结构复杂，成本较高。②开环与闭环都可能有检测装置，开环的检测装置(传感器)是检测输入信号，而闭环的检测装置检测的是输出信号。③无论闭环控制还是开环控制，都会受到干扰因素的作用历次浙江高考第25题。2008年10月浙江高考第14、19题2010年3月浙江高考第19题2012年3月浙江高考第19题【例4】(2011年9月浙江省高考)如图所示是数控机床的位置控制系统示意图。检测装置检测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。(1)根据示意图及其描述，在控制系统框图中“________”处填写相应的内容。(2)实际位移量与设定位移量的比较是由________完成的(从①检测装置；②数控装置；③输入装置；④伺服装置中选择一项，将序号填在“________”处)。【解析】看这个控制系统的工作过程：检测装置检测机床工作台的实际位移(⑤就是检测装置；④被控量就是实际位移值)，并将该位移值传输给数控装置(控制器)与设定位移量(①给定量就设定位移值)进行比较，数控装置根据比较的偏差值控制伺服装置(②执行器就是伺服装置)运动，驱动机床(③被控对象就是机床)工作台到达指定的位置。【答案】(1)①设定位移值②伺服装置③机床④实际位移值⑤检测装置(2)②【变式训练】4.(2012年3月浙江省高考)风力发电机运行时风轮对准风向才能获得最大风能，如图所示是风力发电机跟踪风向的控制系统示意图，风向测定装置将检测到的风向信号送给迎风控制装置与设定值比较，迎风控制装置根据角度偏差信号控制偏航电机运转，调整风轮角度，使风轮始终对准风向。(1)根据描述，在跟踪风向的控制系统方框中_______处填写相应的内容。(2)风向测定装置将检测到的风向信号送给迎风控制装置与设定值比较的过程称为________。(从①干扰；②反馈；③控制中选择一项，将序号填在________处)【答案】①迎风控制装置；②偏航电机；③风轮；④风轮的朝向；⑤风向测定装置(2)②【解析】本题考察学生对控制闭环控制系统的基本组成和对整个控制过程的理解。考点6控制系统的方框图考点解读高考档案

本考点往往与考点5结合考查，也是本章内容的考查重点。控制系统的方框图既反映了控制系统的组成，同时也能够直观地反映控制过程的工作原理。历次浙江高考第25题2012年3月合卷版技术试题第15题考点7控制系统的干扰因素考点解读高考档案在控制系统中，除输入量(给定值)以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。干扰不仅是外界对控制系统的影响，同时也包括控制系统内部对控制的影响。在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。在有些情况下，可以利用干扰因素实现某种功能。2008年10月浙江高考第19、25题2009年3月浙江高考第19题2009年9月浙江高考第25题2011年3月浙江高考第19题2011年9月浙江高考第20题考点8功能模拟法和黑箱方法考点解读高考档案功能模拟法：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。黑箱方法：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。2009年9月浙江高考第20题2010年3月浙江高考第20题2010年9月浙江高考第20题2011年3月浙江高考第20题2012年3月浙江高考第20题【例5】(2012年3月浙江省高考)下列方法中不属于黑箱方法的是(

)A．用仪器测试集成电路输出信号判断集成电路的功能B．通过脑电波检查诊断病人大脑的状况C．列车司机用锤子敲击车轮，通过声音判断有无故障D．通过胃镜检查诊断病人的胃部疾病【解析】黑箱方法是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，不需要直接考察其内部结构；功能模拟法是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。A、B、C都是对系统输入与输出的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，所以是黑箱方法，D通过胃镜检查诊断病人的胃部疾病是直接考察其内部结构，所以不是以黑箱方法。【答案】

D【例6】[2012年3月合卷上机版高考技术试题第15题]如图所示是储气罐气压控制系统原理图，当检测装置检测到储气罐中的气压低于设定值时，控制器控制压缩机运转，使储气罐的气压升高到设定值。该控制系统的方框图是(

)【解析】本题考查控制系统方框图。该控制系统的控制过程存在反馈，所以该控制系统为闭环控制，所以选择C或D；另外被控对象应该是被控量的主体，本体的被控对象为储气罐，因此答案为C。【答案】C【变式训练】5.如图为某设计单位设计的的一款机械手草图，设计成能模仿人的各种动作。这种采用机器手的设计方法属于()A．黑箱方法B．移植方法C．虚拟方法D．功能模拟方法【答案】

D【解析】黑箱法和功能模拟法是控制系统中很重要的技术思想方法，一定要注意理解此类概念。考点9控制系统的设计方案考点解读高考档案对控制系统的设计，首先要明确控制要达到的目的、控制的对象、被控量和控制量、干扰因素的克服等，再考虑控制方式(开环或闭环)的选择，画出控制方框图，制定设计方案。历次浙江高考均未直接涉及。【关关赢】(2009年9月浙江省高考)如图所示为高速公路汽车速度监测系统，测速雷达测量车速，经控制器判断后，控制摄像头将超速车辆的图像信息记录下来，作为违章处罚的证据，该速度监测系统中的被控对象是(

)A．汽车B．测速雷达C．摄像头D．速度显示器典型错误分析：本题属于较难题，主要考查对控制系统的理解、控制系统的基本组成和工作过程。答案是C，但是很多同学选择A作为正确答案，说明对控制系统的组成理解不够深刻。一定要根据控制系统的目的或者根据控制系统的输出量(被控量)来定系统的被控对象，然后由被控对象得到控制系统的其他组成环节，高速公路汽车速度监测系统中，测速雷达测量车速，经控制器判断后，控制摄像头，所以被控对象应该是摄像头。再比如：(2008年10月浙江省高考)如图所示为自动火炮控制系统示意图。当雷达检测到飞机后发出信号给跟踪系统，跟踪系统操纵火炮，调整火炮角度，该系统中被控对象是()A．火炮B．跟踪系统C．雷达D．飞机答案是A，而很多同学认为是飞机，就是因为没有根据控制系统的目的或者说根据控制系统的输出量(被控量)来确定系统的被控对象。2009年3月浙江省高考第20题20、小明发现学校路灯有时由于没有及时关闭而浪费用电，为此他设计了一个控制方案，能够在天亮时关闭，天暗后打开。该控制系统应该属于A、自动控制的闭环控制系统

B、自动控制的开环控制系统C、手动控制的闭环控制系统

D、手动控制的开环控制系统2010年3月浙江省高考第18题18.如图所示为一款双缸洗衣机。洗衣时，将定时器旋钮旋转到设定时间位置，洗衣机在定时器控制下开始工作，直到定时器回到零位，洗衣机才停止工作。该过程的控制属于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B2010年9月浙江省高考第18题18.如图所示为一款婴幼儿耳测温度计，它有一个声光警报装置，当测得温度高于37。5度时，就会发出嘟嘟声闪烁。这个温度报警系统的控制方式属于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2012年3月浙江省高考第18题18.如图所示是一款太阳能饭盒，每个饭盒都有独立的温度控制系统，当饭煮熟后，自动进入保温状态，该饭盒温度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、闭环控制C.自动控制、开环控制D.手动控制、闭环控制2009年3月浙江省高考第15题15、声控灯控制系统中，传感器接收声音信号，经控制电路处理后驱动开关接通或关闭灯泡。该系统的控制对象是灯泡，控制量是（）A、灯泡的发光

B、声音的大小

C、电源电压的高和低

D、开关的通与断2010年3月浙江省高考第18题18.如图所示为一款双缸洗衣机。洗衣时，将定时器旋钮旋转到设定时间位置，洗衣机在定时器控制下开始工作，直到定时器回到零位，洗衣机才停止工作。该过程的控制属于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B2011年9月浙江省高考第19题19．如图所示是一款可以定时的台灯。将拉绳拉到设定时间位置，打开灯的同时定时器开始工作，到达设定时间开关断开，将灯熄灭。关于这款台灯的控制系统，下列说法正确的是A．执行器是台灯B．控制器是拉绳C．输入量是设定的定时时间D．控制量是台灯的亮度2008年10月浙江省高考第14题14.如图所示是一个农业温室。要设计该温室的温度自动控制系统，下列器件中不需要用到的是()A.安全监控摄像头B.温度传感器C.加热器D.温度控制器2008年10月浙江省高考第19题19.如图所示为自动火炮控制系统示意图。当雷达检测到飞机后发出信号给跟踪系统，跟踪系统操纵火炮，调整火炮角度，该系统中被控对象是()A．火炮

B．跟踪系统

C．雷达

D．飞机A2010年3月浙江省高考第19题19.如图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()

A.温度传感器

B.加热器

C.温度控制器

D.定时器A2012年3月浙江省高考第19题19.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，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，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2008年10月浙江省高考第19题19.如图所示为自动火炮控制系统示意图。当雷达检测到飞机后发出信号给跟踪系统，跟踪系统操纵火炮，调整火炮角度，该系统中被控对象是()A．火炮

B．跟踪系统

C．雷达

D．飞机A2008年10月浙江省高考第25题25.如图所示为简化的飞机飞行状态控制系统。陀螺仪检测飞机的飞行状态后，将信号送给自动驾驶仪，自动驾驶仪将飞行状态与给定状态进行比较，根据偏差值控制舵机运转，舵机操纵飞机尾翼，调整飞行状态。（1）请根据上面的示意图，补充完整飞机飞行状态控制系统方框图。（在“▲”处填写相应的内容）（2）陀螺仪将检测到的飞行状态信号传送到自动驾驶仪与给定状态进行比较的过程称为▲。（3）在飞机飞行过程中，遇到气流时，飞行状态会发生变化，这种给定状态以外引起飞行状态变化的因素称为▲。2009年3月浙江省高考第19题19、下列关于干扰因素对控制系统的作用，说法正确的是（）A、干扰因素仅作用在被控量上B、干扰因素不会作用于开环控制系统C、闭环控制系统中干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上D、干扰因素都是可以利用的2009年9月浙江省高考第25题11、如图所示为磁悬浮地球仪及控制系统原理图，控制器发出的交流电信号，通过电感线圈产生交变磁场，使地球仪产生感生电流，由于线圈产生的磁场和地球感生电流的磁场是相斥的，从而产生电磁悬浮力，将地球仪悬浮起来。位置传感器检测地球仪位置，并将检测到的信号发送给控制器与设定信号进行比较，控制器根据比较偏差值调整交流电信号。（1）根据控制系统原理图及其描述，在控制系统方框图中

处填写与磁悬浮地球仪控制系统原理图中相对应的内容。（2）地面振动、风力等都会引起地球仪位置发生变化，这些因素在控制系统中称为。2011年3月浙江省高考第19题19.监控摄像系统（如图所示）被广泛用于记录道路交通实时图像信息。对于监控摄像系统，下列环境因素中不属于干扰因素的是A.噪声B.浓雾C.闪电D.沙尘2011年9月浙江省高考第20题20．恒温式燃气热水器的温度控制系统为闭环控制。下列因素中，不属于该温度控制系统干扰因素的是A．燃气的流量B．进水的流量C．进水的温度D．出水的温度2009年9月浙江省高考第20题20.如图所示的减速器是常用的机械部件。工程师为了判断其内部故障，通常转动输入轴，根据发出的声音来判断故障。该诊断方法属于：()A、黑箱方法

B、功能模拟法

C、干扰法

D、虚拟试验法2010年3月浙江省高考第20题20.如图所示为中科院研发的一款智能机器人，能模仿人唱歌、跳舞等。这种用机器人模仿人的功能和行为的方法属于()A.黑箱方法

B.移植方法C.虚拟方法

D.功能模拟方法2010年9月浙江省高考第20题20、下列医疗诊断方法中不属于黑箱方法的是2011年3月浙江省高考第20题20.下列选项中不属于功能摸拟法的是A机器人踢球B.计算机下棋C.仿真手与人握手D.工程师诊故障25.如图所示为简化的飞机飞行状态控制系统。陀螺仪检测飞机的飞行状态后，将信号送给自动驾驶仪，自动驾驶仪将飞行状态与给定状态进行比较，根据偏差值控制舵机运转，舵机操纵飞机尾翼，调整飞行状态。（1）请根据上面的示意图，补充完整飞机飞行状态控制系统方框图。（在“▲”处填写相应的内容）（2）陀螺仪将检测到的飞行状态信号传送到自动驾驶仪与给定状态进行比较的过程称为▲。（3）在飞机飞行过程中，遇到气流时，飞行状态会发生变化，这种给定状态以外引起飞行状态变化的因素称为▲。历年浙江高考第25题25、传统列车的动力装置集中安装在机车上，在机车后面挂着许多没有动力装置的客车车厢。我国新开发的动车组把动力装置分散安装在客车车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，提高了列车的运行速度。如图所示为经过简化的动车牵引传动控制系统示意图。驾驶员向自动驾驶装置发出驾驶指令（设定速度），自动驾驶装置发出信号控制牵引传动装置运转，牵引传动装置驱动车轮转动，从而使动车运行，速度传感器检测动车的实际运行速度，并将测得的速度信号发送给自动驾驶装置与设定的速度进行比较，根据比较偏差值调整动车运行速度。

(1)根据上面的示意图及其描述，在控制系统方框图中“

▲

”处填写与动车牵引传动控制系统相对应的内容。

(2)速度传感器将检测到的动车行驶速度信号传送给自动驾驶装置与驾驶指令进行比较的过程称为

⑥▲

25、如图所示为磁悬浮地球仪及控制系统原理图，控制器发出的交流电信号，通过电感线圈产生交变磁场，使地球仪产生感生电流，由于线圈产生的磁场和地球感生电流的磁场是相斥的，从而产生电磁悬浮力，将地球仪悬浮起来。位置传感器检测地球仪位置，并将检测到的信号发送给控制器与设定信号进行比较，控制器根据比较偏差值调整交流电信号。（1）根据控制系统原理图及其描述，在控制系统方框图中

处填写与磁悬浮地球仪控制系统原理图中相对应的内容。（2）地面振动、风力等都会引起地球仪位置发生变化，这些因素在控制系统中称为

。25.如图所示为高层楼房自动稳压供水控制系统原理图，其工作原理是：当用户用水量变化时，管道中的水压发生变化，检测装置把检测到的水压信号反馈给控制器，与设定水压进行比较，控制器根据偏差值控制电机及水泵的转速，调节供水量，保持管道中的水压稳定。根据示意图及其描述，