版创新高三一轮复习系列选考总复习浙江专版通用技术讲义必修二 第四章控制与设计Word下载.docx
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控制的对象、控制要达到的目的和控制手段。
理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。
2.控制的手段和方法
（1）按控制过程中人工干预的情形分：
①人工控制：
控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行。
②自动控制：
在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
（2）按执行机构的不同分：
机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
①机械控制：
利用控制论的理论与方法解决机械工程实际问题。
②气动控制：
靠空气压缩原理进行工作；
如汽车轮胎充气，属于气动控制过程：
有气泵，气罐，有阀门开关决定通气与否，有压力表查看压力，流量表看流量（不是非有不可）等最简单的设施。
③液压控制：
使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出动作，完成各种设备不同的动作需要。
④电子控制：
以电子电路为信息采集、处理核心，并根据设计输出指令的控制技术。
3.控制的应用
（1）生活：
控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程序下按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。
例如：
空调、ATM自动取款机、红外线感应式水龙头。
（2）生产：
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，控制在生产中得到了广泛的应用。
如汽车自动装配生产线、自动喷漆、数控机床。
（3）军事国防：
精密的制导武器、神州飞船的发射等，有着广泛的应用。
如精密制导导弹、火箭、宇宙飞船。
二、控制系统的工作过程与方式
1.控制系统
（1）概念：
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
（2）主要环节：
输入量、被控对象、输出量（三要素）。
（3）控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。
电风扇的风速控制
→
（输入） （输出）
2.简单开环控制系统的组成及工作过程
（1）定义：
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。
（2）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
输入量：
控制系统的给定量。
控制器：
对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：
直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：
执行器的输出信号。
被控对象：
控制系统中所要控制的装置或生产过程。
输出量：
控制系统所要控制的量。
（4）典型案例：
红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。
红外线自动门控制系统
（输入）红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号→控制电路→电机→自动门→门的开启或关闭（输出）
3.闭环控制系统的组成及方框图
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。
（2）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。
（3）闭环控制系统的方框图：
对输入信号（偏差值）进行运算处理，并发出控制命令。
根据指令对被控对象直接控制。
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。
三、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（给定值）以外，引起被控制量变化的各种因素称为干扰因素。
2.反馈
（1）涵义：
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进行比较的过程，就是反馈。
（2）作用：
减少输出量的偏差，稳定输出量。
（3）反馈方法：
利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法。
（4）闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。
闭环控制系统的工作过程：
①由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；
②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，与给定值进行比较；
③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值，达到精确控制的目的。
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
（5）开环、闭环对被控量的控制比较
开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。
闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。
3.功能模拟法与黑箱方法
（1）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。
功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。
（2）黑箱方法：
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。
通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；
再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。
四、控制方案的设计与实施
1.控制系统设计的一般思路
（1）系统要达到的目标
（2）控制的对象
（3）被控对象的特性
（4）被控量和控制量
（5）外界的主要干扰因素
（6）制定既达到目的、又经济、易于实现的方案
（7）设备和元件
在以上问题都确定后：
（1）要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。
（2）画出控制方框流程图。
（3）画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸，撰写设计说明书等。
2.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。
3.闭环控制系统的设计
（1）一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
（2）控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。
（3）闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
（4）在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。
【例1】 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。
关于该控制系统，下列说法正确的是（ ）
A.被控对象是风轮B.反馈装置是偏航电机
C.输入量是风力大小D.输出量是风轮是否转动
解析 依据题意分析得知，该控制系统属于闭环控制系统；
输入量是设定值，控制器是迎风控制装置，执行器是偏航电机，被控对象是风轮，输出量是实际位置，检测装置是风向测定装置。
答案 A
[变式1] 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制对象是（ ）
A.汽车B.测速雷达
C.速度显示器D.摄像头
解析 首先确定输入、输出，输入量为汽车速度，输出量为记录超速车辆的图像信息，其次确定被控对象，哪个装置记录超速车辆的图像信息，题干中容易看出，摄像头。
所以答案是D。
如果再深入研究可以发现，该题的执行器也是摄像头。
答案 D
【例2】 （2015·
9月浙江学考）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
解析 本题是开环控制系统，可以把它的流程图写出来，一一对应，可得出控制量为电流，故选B。
答案 B
[变式2] 巡航导弹原理是：
导弹上装有卫星定位系统和小型喷射器，设定弹道后，卫星会时刻检测导弹的位置，看其是否在预设轨道上行驶。
当导弹偏离预设轨道时，卫星将通过无线通信技术告诉导弹往哪个方向调整，导弹收到信号后，再通过自身的小型喷射器来修正导弹的飞行，直至命中目标。
小型喷射器属于该控制系统的（ ）
A.被控对象B.输入元件
C.执行器D.控制器
答案 C
【例3】 （2016·
3月浙江统考）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
（1）～
（2）题。
（1）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
（2）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
[变式3] 如图所示是一款普通抽水马桶的水箱水位控制装置。
扳动放水手柄，水箱冲水，与此同时，浮球下降，打开进水塞，水箱开始进水。
当水位开始上升，浮球上浮到原设定位置时，水箱停止进水。
下列有关该水箱水位控制系统的说法中正确的是（ ）
A.进水量是该系统的输入量
B.出水量是该系统的主要干扰
C.该系统的控制手段是液压控制
D.往水箱中放入少量砖块，水箱水位的设定值将受影响
【例4】 如图所示为某仓储运货工作示意图，运货车的工作过程是：
当传感器检测到车上的载货量达到设定值时，控制电路控制电机转动，车驶向卸货平台；
当车上的限位开关接触到卸货平台，电机停止转动，车停下等待卸货；
当传感器检测到货物被卸，电机反向转动，车返回装货平台。
请回答下列各题，填写“________”处的相应内容。
（1）该运货车的控制方式属于________。
（在①闭环控制；
②开环控制中选择一项，填写序号）
（2）该运货车的控制手段属于________。
（在①手动控制；
②自动控制中选择一项，填写序号）
（3）该控制系统中，若车上与卸货平台相接触的限位开关损坏，可能造成________。
（在①车到了卸货平台后，电机继续转动；
②车到了卸货平台后，不等卸货马上返回装货平台；
③传感器无法检测载货量中选择一项，填写序号）
（4）为了防止装货时载货量达到设定值的瞬间，车就开走，产生危险。
针对此情况，以下对该系统进行优化的措施中合适的是________。
（在①提高传感器的灵敏度；
②增加延时装置，装货后延时几秒钟再开动；
③降低电机转速中选择一项，填写序号）
答案
（1）②
（2）② （3）① （4）②
[变式4] LEGO魔方机器人近几年深受广大青少年儿童的喜爱，它的工作原理是先用传感器采集魔方6个面上每块（1面有9块）的颜色，然后由主控制器根据特定算法计算结果，控制机械手翻转魔方，从而达到自动解魔方的效果。
如果魔方的颜色不标准或者周围的光线太暗，都会对魔方机器人解魔方形成干扰。
根据示意图和描述，完成以下任务：
（1）该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________（在①人工控制；
②自动控制；
③开环控制；
④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处）；
（2）该控制系统的被控对象是________（在①LEGO主控制器；
②机械手；
③魔方中选择合适的选项，将序号填写在“________”处）；
（3）该系统中的传感器应选用________（在①声音传感器；
②颜色传感器；
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LEGO魔方机器人识别魔方6个面颜色的效果，设计人员针对不同的光线环境做了大量的实验，得出一系列数据，对魔方的感光敏感度进行了调整，该工作人员采用了________的系统分析的方法（在①整体性原则；
②科学性原则；
③综合性原则中选择合适的选项，将序号填写在“________”）。
答案
（1）② ③
（2）③ （3）② （4）②
【例5】 （2016·
4月浙江选考）根据消防要求，仓库、图书馆等场所都要安装火灾自动报警系统。
当烟雾探测器检测到的烟雾浓度超过设定值时，电子开关被接通，报警器发出声光信号进行报警。
关于该报警控制系统，以下说法中正确的是（ ）
A.输出量是有无声光信号
B.被控对象是仓库、图书馆等场所
C.控制器是电子开关
D.反馈装置是烟雾探测器
解析 该控制系统中，输入量是烟雾浓度信号，输出量是有无声光信号，控制器是烟雾探测器，执行器是电子开关，被控对象是报警器。
[变式5] （2017·
3月绍兴一模）如图所示是一加热炉的恒温自动控制示意图。
以下关于该控制系统的说法正确的是（ ）
A.该控制系统的设计模拟了人的功能和行为，这种研究方法是黑箱方法
B.电热丝在控制系统中的作用是检测温度并反馈
C.调低设定温度或炉体隔热性能不好会导致炉内温度降低，都是该控制系统的干扰因素
D.在加热炉工作时，如果炉内温度大大超过了设定值，可能的原因是控制器损坏
【易混易错】
1.闭环控制系统常考案例流程图
（1）抽水马桶的工作过程
（2）加热炉的温度自动控制系统
（3）恒温控制系统
（4）空调控制系统
（5）高压锅的恒温控制系统
（6）粮库的湿度和温度自动控制
2.正反馈和负反馈
反馈可分为负反馈和正反馈。
前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；
后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。
对负反馈的研究是控制论的核心问题。
起增强输入信号作用——正反馈。
起减弱输入信号作用——负反馈。
正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。
只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。
负反馈控制系统最大的特点：
检测偏差，纠正偏差。
1.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
解析 该控制系统人没有全程参与，整个控制过程由系统自动完成，且输出量对本系统的输入量无任何影响。
信号是单向传递。
2.某校学生设置了雨天自动关窗装置，其工作原理是：
下雨时，湿度传感器把检测到的雨水信号传给放大及处理电路，启动电动机关闭窗户。
关于这个控制系统，下列说法中正确的是（ ）
A.雨水信号是输出量
B.控制器是电动机
C.执行器是湿度传感器
D.被控对象是窗户
解析 该系统是开环控制系统，输入量是雨水信号，控制器是放大及处理电路，执行器是电机，被控对象是窗户，输出量是窗户关或开。
因此，D项正确。
3.如图所示是自动门示意图。
当人靠近自动门时，探头探测到人体信号，控制电路接收到该信号后，发出相应的指令，启动电动机把门打开。
关于该控制系统，下列说法中错误的是（ ）
A.输入量是人体信号B.输出量是门的打开
C.被控对象是人体D.执行器是电动机
解析 这是一个开环控制系统，输出量是门的打开或关闭，所以被控对象是门。
4.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
解析 本题主要考查“干扰因素”的概念。
除输入量以外引起被控量变化的各种因素称为干扰因素，干扰可能是环境造成的，也可能是人为所致。
5.如图所示为某储气罐压力自动控制和自动报警系统示意图。
压力变送器检测储气罐中的压力值，该值被送到控制器，与设定压力值进行比较，控制器根据偏差值控制变频气泵的转速，从而使储气罐的实际压力达到设定值。
当压力值超出设定上限时，就发出报警信号，并自动排气。
请完成下列各题，在有“________”处填上相应的内容。
（1）该系统除了压力自动控制子系统以外，还有________子系统和自动排气装置。
（2）根据示意图及其描述，补充完整压力自动控制系统方框图。
（3）当压力自动控制系统出现故障，导致储气罐内气体压力过高，在此情况下对储气罐有保护作用的是________（在①去车间的送气管道；
②自动排气装置中选择一项，填写序号）。
解析 本题考查的是控制系统的工作过程与方式，结合考查了系统的相关知识。
第
（1）题考查的是系统的分类，该系统除了压力自动控制系统还有自动报警系统。
第
（2）题考查的是闭环控制系统的工作过程与方式，学生要理解气体压力的控制过程，变频气泵执行控制器的命令，压力变送器检测储气罐内气体压力。
另外，学生要明确控制框图的格式要求，控制框图的方框中一般填写部件的名称，有学生可能会在①中填写“控制器控制气泵”、②中填写“压力变送器检测压力”导致错误。
第（3）题中如果气罐内气体压力过高，对储气罐有保护作用的是自动排气装置。
答案
（1）自动报警系统
（2）①气泵 ②压力变送器 （3）②
6.如图所示的智能扫地机器人自动工作、自动充电，智能机器人通过电量传感器判定内部电池电量，该电量信息被传送到控制模块，并由控制模块判断是否需要充电。
如果电量低于设定电量，控制模块就会做出需要充电决定，机器人充电器自动识别底座，引导机器人进行充电，直至充满。
（1）根据自动充电原理的描述，补充完整方框图，在“________”处填写相应内容。
①________；
②________；
③________；
④________。
（2）为防止充电座被其他物体遮挡或防止机器人进入后无返回的路线，设计师们常需要对常用家具底部高度与家具支撑脚宽度做大量的科学分析与数学统计，这体现了系统分析________原则。
（3）该扫地机器人遇到以下情况工作不会遇到问题的是________（在①沙发与地面间隙过大；
②房间之间有台阶；
③工作区域有干扰源中选择一项，将序号填写在“________”处）。
答案
（1）①控制模块 ②机器人（电池） ③实际电量 ④电量传感器
（2）科学性 （3）①
7.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，不需要直接考查其内部结构；
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查其内部结构，所以不是黑箱方法。
8.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（ ）
解析 本题较简单，考查系统方案设计中对检测装置的选择。
要求熟悉各种常用电器元件尤其是传感器的功能。
9.如图所示是小刘同学设计的花盆土壤湿度控制系统示意图。
其工作原理是：
控制电路将探头测得的湿度值与设定值相比较，根据偏差值控制电磁阀门打开或关闭，使土壤湿度值达到设定值。
请根据上述说明，完成以下任务。
（1）该土壤湿度控制系统的控制方式属于________（在①闭环；
②开环中选择一项，将序号填写在“________”处）。
（2）该控制系统的检测装置是________，执行器是________。
（3）小刘不小心把探头从花盆中带出，会导致电磁阀门始终________（在①打开；
②关闭；
③保持原来状态中选择一项，将序号填写在“________”处）。
（4）小刘同学在设计控制系统的过程中，为提高控制精度，运用数学知识对控制电路各元器件参数作了定量分析，这体现了系统分析的________（在①整体性原则；
③综合性原则中选择一项，将序号填写在“________”处）。
答案
（1）①
（2）探头 电磁阀门 （3）① （4）②
10.如图所示的抽屉，每次拉开，抽屉内的LED（发光二极管）灯会自动点亮30秒。
该LED灯自动开关控制系统的输出量是（ ）
A.房间的亮度B.抽屉的开或关
C.设定的亮灯时间D.灯的亮或灭
11.如图所示是某同学设计的自动干手器原理示意图，当手靠近传感器时，传感器将感应信号发送给控制器，控制器控制继电器闭合，电吹风开始工作。
若将电吹风看作被控对象，则执行器是（ ）
A.传感器B.控制器
C.继电器D.插头
解析 通过图形可以看出让被控对象产生动作的是继电器给吹风机供电，故执行器为继电器。
12.如图所示是常见的锅炉液位控制系统原理图。
当蒸汽的耗气量与锅炉进水量相等时，液位保持为正常标准值。
当锅炉的给水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少时，引起锅炉液位发生变化。
不论出现哪种情况，只要实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去打开或关小调节阀，使液位恢复到给定值。
则该控制系统的控制器是（ ）
A.过热器B.变送器
C.调节器D.定值器
13.如图所示的金属探测门，当有人携带金属制品通过时，探测门即发出声音报警。
该报警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
C.自动控制、闭环控制
解析 人没有全程参与，整个控制过程由系统自动完成，视为自动控制，输出量对本系统的输入量没有产生影响（即没有反馈），可判断其为开环控制系统。
14.某种磁盘驱动器读取数据时，需将磁头定位到某个磁道。
当控制装置接收到预期磁头位置信号后，控制电机驱动支撑臂及磁头移动到相
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