技术与设计2第四章控制与设计.docx

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技术与设计2第四章控制与设计

第四章控制与设计

致同学们：

本章知识点是技术课程中最重要的考点之一，也是最难的，几乎每年的高考题都会考查到此章内容，所以同学们在学习本章知识的时候，要严格按照老师设定的目标、要求进行学习，老师所列举的例子要弄透彻，习题要弄明白，切不可疏忽大意。

一、控制的概念（理解）：

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，就形成了控制，这里所说的手段就是控制技术。

现代控制技术通常是指自动控制技术。

二、典型控制系统系统分析（透彻理解其过程）：

1．自动门（是开环控制系统，要熟悉）：

自动门的动作过程：

当门口没有人时，门是关着的；当有人来到门口时，门打开；当人离开门口后一段时间，门又关闭。

自动门的功能：

（1）无人时，常关；

（2）有人时，开门。

技术要求：

（1）当人距门1m时，门即打开；

（2）门打开后，延时10s后关门。

系统组成：

①门；②电动机；③控制器；④传感器。

工作过程：

（1）当有人到达门前某一距离（如1m）时，传感器感知，并发出“有人”的信号；

（2）控制器接到传感器传来的信号后，经变换放大后传给电动机（这里的电动机叫做执行器，也称为驱动器）；（3）电动机根据传来的开门信号转动，门被打开（这里的门叫做被近代对象，也称为控制对象，简称对象）；（4）控制器保持开门信号延时（如10s）后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。

用图表示如下：

在上图中，从左往右看，当门口有人时，即有输入，传感器感知并形成信号。

信号先后经过控制器、电动机的变换与传递直到把门打开，叫做有输出（门动作，打开）。

没有人，则无输入，不发生信号传递，当然没有输出（门无动作，常关）。

在这里，有人，就是有了一种信号。

它作用于传感器，便是通过传感器给系统以输入。

这种输入信号、输入作用，我们称为输入。

系统在输入的作用下，被控对象（这里指自动门）对输入产生相应的响应。

如有人时，门就被打开。

门打开，就是输入信号、输出作用，简称输出。

2．水箱水位控制（是闭环控制系统，要熟悉）

当水箱内的水没有达到设定的水位（水箱内的△所示）时，水箱的水龙头打开，向水箱内放水；当水面达到设定位置，水龙头关闭。

它有两种控制方式：

人工控制和自动控制。

功能：

当水面（位）达到设定的水位（高度）

时，关闭进水阀门。

控制方式：

（1）人工控制；

（2）自动控制。

系统组成：

（1）人工控制：

水箱（包括水箱内的水）；进水阀门；

（2）自动控制：

水箱（包括水箱内的水）；阀门；连杆机构；浮子（俗称水漂）。

工作过程：

（1）人工控制：

当水面低于设定的水位时，人打开阀门放水入水箱，人眼监视水面高度；当水面达到设定的水位时，人关闭阀门。

（2）自动控制：

当水面低于设定水位时，浮子下落，阀门打开，进水；浮子监测水面高度，并随着水面升高而浮升；当水面达到设定的水位时，浮子传感，通过连杆机构，将阀门关闭。

两种控制的对比：

自动控制中的浮子和连杆机构的作用，相当于人工控制中的人眼、人脑和人手的作用。

两种控制方式的对比：

传感器

控制器

执行器

对象

人工

人眼

人脑与手

阀门

水箱

自动

浮子

连杆机构

阀门

水箱

水箱水位控制系统的图形描述框图：

（注：

“

”称为比较环节）

输入

当水位差（给定水位与实际水位之差）不为零时，此信号经连杆机构使阀门打开，放水入水箱；同时，浮子将实际水位的信号反传给比较环节，从而形成水位差信号。

当水位差为零时，阀门将关闭，不再进水。

水位的高低，可以用水面高度这样的量来计量，因此，对于输入、输出就有了输入量、输出量的叫法。

这里，实际水位为被控量，即输出量，阀门开度为控制量。

三、开环控制系统与闭环控制系统的区别（透彻理解并掌握）。

现在，我们来比较上述两个框图，第一个框图，即自动门，信息总是自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动；控制器通常具有功率放大的功能。

而第二个框图则不然，除上述过程外，还要将输出信息反传给输入端（比较环节），存在信息逆向流动。

这就是说，第二个框图相比第一个框图来说，就多了一个信息传递过程。

水位自动控制系统中，信息流经一个闭合环路，这类系统称之为闭环控制系统。

闭环控制系统中，将输出信息反传给比较环节的做法，称之为反馈。

而自动门系统中，没有反馈，也就不存在闭环，这类系统称之为开环控制系统。

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，相比开环控制系统而言，它具有较强抑制干扰的能力。

开环控制系统概念（理解）：

指输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。

闭环控制系统概念（理解）：

系统的输出量对系统的控制作用有直接影响的控制系统。

开环控制系统与闭环控制系统的区别总结（此总结非常重要，要非常透彻的掌握）

1．闭环控制系统与开环控制系统的表现为有反馈和无反馈，如果有反馈环节，一般都是传感器充当反馈环节，就是闭环，否则就是开环。

之所以闭环控制系统会调整，是因为带反馈比较环节。

2．闭环控制系统有比较环节

，就是输出量与输入量的比较。

开环控制系统就没有比较环节。

3．闭环控制系统的输出（量）会对系统的整个控制过程造成影响，但开环控制系统输出量不会对系统的控制造成影响。

4．开环控制系统的结构和原理比较简单，信息从输入端传到输出端，仅有一条路径。

它的最大缺点是控制精度不高。

闭环控制系统的结构较为复杂，信息流经的路径有两条，一条自输入端传至输出端，另一条是输出端信息反传到输入端的比较环节。

它可以有较高控制精度和有较强的抗干扰性能。

5．开环控制系统的输出量不会自动调整，但一般而言（除了有人参与的人工控制系统而言），闭环控制系统的输出量会自动调整。

四、控制的要素（了解一下就行）：

控制目的、控制手段、控制对象。

五、控制的分类：

①从人工干预情形分：

人工控制和自动控制（挺简单，但挺重要）

②按照执行部件的不同分：

机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。

（这个了解一下）

六、控制系统的组成（熟练掌握）：

被控对象和控制装置。

其中，控制装置包括传感器、控制器、执行器。

七、控制系统的分类：

控制系统通常分类开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统是指输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统；

闭环控制系统是指在系统的输入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。

八、闭环控制系统的工作过程（熟练掌握）：

对于闭环控制系统来说，输入信号和反馈环节传回来的反馈信号相比较，产生偏差信号→控制器根据偏差信号的大小和极性（正或负），产生控制作用，传给执行器→执行器将此信号放大、变换后，传到被控对象上→被控对象受执行器传来的信号（称为控制信号）的驱动，产生输出信号；同时，反馈环节又将感知到的被控对象的输出信号，经变换后产生反馈信号。

九、开环控制系统的方框图描述（掌握）：

输入→传感器→控制器→执行器→被控对象→输出

或者是：

输入量→控制器→执行器→被控对象→输出量

十、闭环控制系统的绘制方法及方框图描述：

（知道）

①按下面的顺序确定系统各个环节：

a——被控对象，b——执行器，c——控制器，d——反馈环节（对闭环控制系统而言，以下同）

②确定被控量（输出量）、控制量、输入量、反馈量和偏差量。

③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向与过程。

④加上比较环节，闭环。

绘制技巧：

人们看框图时，习惯于自左向右看。

但是绘制框图时，不一定要采取自左往右画的方法，而采用上述四个步骤的“绘制框图的方法”。

即自右往左画：

先画被控对象，再画执行器，接着画控制器、反馈环节，最后画

，连线闭环，并标注各量。

十一、控制系统框图中的通道与环节的作用（充分理解）

1．通道及其作用：

框图中，信息流经的路径叫做通道。

对于闭环控制系统来说，有两类基本通道，那就是前向通道和反馈通道。

2．环节及其作用：

传感器，也称敏感器。

在自动门系统中，传感器的输入是“有人到门口”的非电信号。

传感器将此信号转换为“有人”的电信号，并传送给下一个环节——控制器。

因此，传感器实质上是一个监测元件。

在水位自动控制系统中，浮子起着传感器作用，它作为一个环节，时刻监测着“实际水位”（对系统来说，是输出量或被控量；而对浮子环节来说，是输入量），形成反馈信号，传送给系统输入端。

控制器，在开环控制系统中根据传感器直接传送过来的信号，而在闭环系统中根据比较环节传送过来的信号，产生控制器输出信号并传送给焉个环节。

在自动门控制系统中，传感器传送出来的电压信号很弱，而执行器（即电动机）需要的激励输入却是较大的电流信号。

因此，这里的控制器，不仅要产生控制作用（如开门与否）信号，而且还要起到信号的变换与放大作用。

执行器，是控制器输出信号的执行机构，也称执行元件。

电动机，就是常用的执行器之一。

它根据控制器的输出信号产生旋转运动，从而驱动控制对象作相应运动。

从这个意义上说，执行器还称为驱动器。

需要特别注意的是比较环节，它根据输入量与反馈量的大小与极性，产生偏差，再传给控制器。

十二、控制系统的干扰（要理解）

真正的控制系统在运行的过程中还会受很多因素的影响。

例：

雨天交通、病毒攻击人体、阵风干扰飞机和外界温度对体温的影响、冰箱外界温度对冰箱的影响等。

干扰就是对控制系统的行为造成影响的有害的信号及扰动，即除给定量外，引起被控量量值变化的各种因素。

十三、典型控制系统系统案例分析（要分析透彻）

人体温度控制系统分析（此系统是一个闭环控制系统）

功能：

维持人体体温在正常范围内，如37℃左右。

系统组成：

人体；有关的系统；大脑中枢。

工作过程：

（1）皮肤感知环境温度，并将此信息通过神经系统传给大脑中枢；

（2）大脑中枢经判断，给人体（被控对象）的有关的系统（如心血管系统等）发出工作指令（如多或少输送热量）（3）有关的系统（执行器）根据指令，加速供给热量或相反，紧闭汗毛孔或出汗；（4）反复上述过程，人体体温得以维持在一个正常的范围内。

夏季酷热、冬季严寒。

然而，人体的正常体温总保持在37℃左右。

为什么能做到这样呢？

原来人体拥有一个高级的体温控制（调节）系统。

很显然，外界环境温度的变化对人体体温控制系统的运行，会带来影响。

这种外界温度的变化叫做干扰因素，这类影响叫做干扰作用。

环境温度的变化是人体体温控制系统的一种主要干扰因素。

人体温度控制系统框图如下图所示：

飞机俯仰姿态控制系统分析这个案例不再列举了，同学们可以看一下课本。

十四、常见的控制系统。

1．开环控制系统。

有自动门、声控灯、光控灯、音乐喷泉。

2．闭环控制系统。

有饮水机温度控制系统、空调、电冰箱、太阳能自动上水阀。

看，闭环控制系统基本上都是对“量”、“度（包括温度、湿度、速度）进行精确控制。

会自动调整。

1．从手摇动扇到电风扇再到空调器的发展过程来看，体现了（）

A．从机械控制到电子控制的过程B．从手动到手动控制再到自动控制的过程

C．从手动到电动控制的过程D．从自动到手动控制的过程

2．在控制系统中，将控制器的信号转换成能影响被控对象的的信号的装置，称为（）

A．传感器B．控制器C．执行器D．驱动器

3．在人体温度控制系统中，皮肤相当于（）

A．控制器B．传感器C．执行器D．驱动器

4．在声控灯系统中，输出信号是（）

A．通过电灯的电流B．电路中的导线和电灯泡

C．供电电网的电压或频率D．楼道里声音的大小

提示：

B．电路中的导线和电灯泡是被控对象；D．楼道里声音的大小是输入信号A．通过电灯的电流是系统的输出信号，而电流的状态有两种：

即有电流和无电流。

5．下图是房间温度控制系统的方框图，请回答下列问题：

本控制系统中的被控量（输出量）和输入量分别是和。

6．射击比赛中射手通过瞄准目标、使子弹射中靶心，分析这一过程，我们理解一个控制现象应从（）入手。

A．对象B．目的C．手段D．对象、目的、手段

提示：

可以理解为完成一项控制要具备的三个要素：

控制目的、控制手段、控制对象，所以理解控制现象要从目的、手段、对象入手。

7．楼道内的声光控灯属于自动控制系统，此系统应属于（）

A．开环控制B．闭环控制

C．声控是开环控制光控是闭环控制D．以上说法均不对

8．随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一种具体应用。

其工作过程中由“声—电转换装置”将起伏的音乐声音强度转换为随之变化的电信号，并将该信号放大，这种放大的电信号驱动电动机带动水泵转动，音乐声音信号强，水泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就高，反之，喷出的水柱就低。

音乐信号的强弱与喷泉水柱的高低一一对应。

请回答下列问题：

（1）音乐喷泉控制系统属于控制（开环或闭环）系统。

（2）该控制系统的输入信号和输出信号分别是和。

（3）从控制系统组成的角度，分析“声—电转换装置”在此控制系统中起到哪两个环节的作用。

9．在电冰箱的温度控制中不属于干扰因素的是（）

A．打开冰箱门B．把食物放入冰箱内C．电压降低2伏D．房间温度变化大

提示：

“电压”是冰箱中电源控制系统的输入量，电源控制系统只能起到把输入的电压给稳定到一个恒定值，而温度控制系统和电源控制系统不属于一个系统，温度控制系统的输入量是温度，在这里影响温度的因素是ABC三项，所以电压不是温度控制系统的干扰因素。

10．为了方便和省电，楼梯过道上的灯都安上声光控开关，声控开关和光控开关的联接方式为

11．下列各项中，属于开环控制系统的是（）

A．家用电风扇的转速调节系统B．电冰箱温度控制系统

C．汽车方向控制系统D．抽水马桶水位的控制系统

12．在空调器的温度控制系统中，下列不属于影响其温度控制的干扰因素的是（）

A．打开门窗B．空调器所在的房间温度由20℃变到32℃

C．市电压不稳定D．房间内人数增加

13．[2009年高考山东卷]成语和俗语是千百年来人们生活智慧的结晶，其中不少蕴含着有关技术与设计‘的道理。

下列与设计过程中的“结构”、“流程”、“系统”和“控制”集资对应的是（）

①见风使舵②铜墙铁壁③磨刀不误砍柴工④牵一发而动全身

A．②③①④B．②③④①C．③②①④A．③②④①

14．判断题

（1）在温室大棚系统中，室温和供暖设备是系统的被控量。

（×）

（2）声控灯是一个简单的闭环控制系统（×）

（3）开环控制与闭环控制的根本区别是闭环控制应用反馈作用来减小系统的误差（√）

（4）被除数控量和控制量的确定是控制方案的关键（√）

（5）控制量应选择可控制的，对掏干扰因素和保持系统稳定无明显作用的量（×）

（6）抽水马桶的水箱放入两个空啤酒瓶可以起节约用水的作用（√）

15．画出开环控制系统的方框图

16．画出闭环控制系统框图。

17．如图是一个蒸汽加热的热水槽，冷水流入到水槽内，通过槽内蛇形盘管进行加热，加热后的热水流出热水槽。

如果冷水流量加大，水槽内的温度下降，蒸汽阀开大，加大蒸汽的流量，冷水流量变小，加热槽水温上升，蒸汽阀门关小，蒸汽量变小，控制加热槽内的温度稳定。

（1）蒸汽加热水槽控制系统属于（选填“开环”或“闭环”）控制系统。

（2）请补充完整蒸汽加热水槽自动控制系统方框图。

18．下列控制系统中，属于开环控制系统的是（    ）。

A．电冰箱的温度控制             B．计算机的CPU上的风扇的转速控制

C．现代化农业温室的温度控制      D．红绿灯定时控制系统

19．理解一个控制现象，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。

例如，导弹控制系统控制的是导弹与目标之间的距离，目的是要击中目标（距离为零），分析这个控制系统，其控制的对象是：

（    ）

A．人        B．目标         C．计算机        D．导弹

20．分析下列控制现象是自动控制还是人工控制

（1）摇动辘轳，提取井水（）

（2）用气筒给自行车的轮胎充气（）

（3）电梯的上下运行控制（）

（4）家用灌溉抽水机抽水的控制（）

21．分析题

（1）如果将我们的身体看成是一个控制系统，在你从书架上取出一本想要的书的过程中，身体各部分分别完成的是什么功能？

①命令的发出者是：

②命令的执行者是：

③命令的作用对象是：

④反馈环节是：

（2）自动控制系统都是闭环控制系统吗？

（3）请为下表填上控制系统的干扰因素：

控制系统

干扰因素

自动扶梯的升降控制系统

扶梯承载的重量

利用滑轮组升重物的控制装置

滑轮组的摩擦力、重物的重量

蔬菜大棚的温度控制

大棚外的环境温度变化、大棚保温材料的保温性能改变

（4）立定投篮的练习过程可以用以下方框图来描述

反馈环节的检测装置应该是什么。

22．（07年高考山东卷）某办公楼大厅采用自然光照明，控制系统如右图，大阳光经过反光镜反射到反光球面镜上，反光球面镜再将光线反射到大厅，从而达到采集自然光的目的。

当大阳移动后，光线到达反光球面镜的位置也随之发生偏移，相应的传感器就会受到光照产生电信号，控制器根据不同传感器送来进来的信号控制反光镜作相应的调整。

（1）该系统是开环控制系统还是闭环控制系统？

（2）该系统中，被控对象是______。

（3）控制器与人体哪个器官的功能是类似的？

（4）请再写出两种利用太阳能的产品。

23．声光控灯是公共场所和居民住区的公共楼道普遍使用的照明设备，在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电（如下图）。

关于对其描述正确的是：

（）

①声光控灯由声光传感器、控制器、常开接点和灯泡组成②控制器中光与声音的控制电路从逻辑上属于逻辑或关系③控制器中光与声音的控制电路从逻辑上属于逻辑与关系④控制器中光与声音的控制电路从连接方式上为串联关系⑤声光控灯的控制系统属于闭环系统⑥声光控灯的控制系统属于开环系统。

A．①②④⑤B．①②④⑥C．①③④⑤D．①③④⑥

25．我们理解一个控制现象，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。

投掷飞镖是同学们都很熟悉的运动。

我们在投掷飞镖时，通过瞄准使飞镖身向镖靶。

分析这个控制现象，其控制的对象是（）

A．人B．飞镖C．镖靶D．手

26．老鹰抓兔子时，老鹰的论证系统主要由眼睛、大脑和翅膀三部分组成。

老鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意自己的位置，并把两者作一比较。

比较后的信号代表老鹰的位置与兔子位置的差距，这种差距信号传递到大脑，大脑接收这种信号后，经过处理，变换相应的控制信号，指挥翅膀改变鹰的俯冲及方向，一直到逮住兔子。

①老鹰的论证系统是（开环/闭环）控制系统？

②该系统中，控制器是。

该控制系统要达到跟踪的目的，必须建立反馈机制，该机制中的检测装置是。

27．以前，红绿灯的时间都是事先设定，一定时间段内固定不变，难以适应车流的变化。

目前，有些城市已开通了智能交通管理控制系统，这样红绿灯的分配时间随时依据车流量而改变，因此，通行能力有望提高20%。

系统中的智能化“电子警察”与过去相比有两大变化，一是传输快，现在，前端设备只要一拍到照片，就可通过光纤网或无线网络实时传输到数据库。

二是功能多，以前只能拍摄闯红灯，现在违法变道、乱停放等所有违法行为都能抓拍。

现在，交通信号控制系统采用世界上最先进的SCATS区域控制系统，可以依据检测到的车流量变化而自动随时配时，从而避免了路口空闲的现象。

（1）上述智能交通管理控制系统在人机关系处理上实现了哪些目标？

（2）根据上述案例，从控制的目的，控制的对象，主要的干扰因素来分析此智能交通管理控制系统设计的思路。

答案：

控制的目的：

提高通车能力，减少路口空闲现象，提高监控能力

控制对象（被控对象）：

汽车及行人。

主要干扰因素：

不遵守交通法规者。

（3）画出该智能交通管理控制系统的方框图。

答案：

28．现在的电器，越来越趋向于自动化。

如电饭锅、电磁炉、手机等等。

其实所谓的现代化都与MCU是分不开的（MCU即单片机）。

（1）．MCU在自动门的设计中，是很关键的，如果流程设计不合理，可能会出现很多不合适的动作，影响到门的正常使用，那么MCU在系统中，属于（）

A．传感器B．控制器C．执行器D．被控对象

（2）．小明听说现在MCU有一个新产品，89s51功能很好，他想查看一下详细情况，但是从网上下载的一个英文说明书。

他的英文不是很好，请你帮他想一个用计算机解决这个问题的方法。

（3）．小明要写出一段程序放在MCU里面。

请写两种编程语言。

29．冬季严寒，人的体温在一般情况下却总是保持在37℃左右。

原来人体拥有一个高级温控系统。

人体皮肤首先感受到外界降温情况，并将信息传输给大脑，大脑立即指令皮肤收缩、汗腺封闭。

时间加快血液循环，使体温保持了平衡。

这是一个（填“开环”或“闭环”）控制系统，在这一系统中，传感器是，控制器是，执行器是。

30．下图是房间温度控制系统的方框图，阅读后请回答下列问题。

（1）本控制系统中的被控量（输出量）和输入量分别是和

（2）空调在给人们带来舒适的同时，也对环境和人体健康带来了一定的危害，请说出两种解决办法。

①

②

九、[2010年高考山东卷]（11分）让创新的热情激荡年轻的心灵，让创新的喜悦充盈蓬勃的青春。

项目名称：

防风自动关窗装置的制作

结构：

①风力感应部分，包括安装在户外的风向标，风力板和弹簧（稳定风力板）

②窗体传动部分，包括窗体滑轮，牵引线和引线滑轮

③电路部分，包括电源（E）、电机（M），触头开关（K1）和嵌入墙体中的按压开关（K2）

工作原理：

①窗户打开时，K2在弹簧的作用下自动闭合，防风功能处于待命状态。

②起风时，风向标转向来风方向，风力板受风力推动发生偏转，使K1闭合，电机驱动窗户向左移动。

③待窗户关闭时，窗框推压K2撞杆并使其断开，电源切断，自动防风功能关闭。

（1）请填写图框中的①__②________。

（2）该系统的被控对象是__________。

32.（1分）风力板平面与风向标尾翼平面之间的最夹角为__________。

33.（1分）窗户打开，防风功能处于待命状态时的电路图是（）

34.（1分）制作风力板最合适的选材是（）

A.普通硬纸板B.铸铁板C.太阳能电池板D.硬铝板

35.安装电源时，要用螺丝钉将电源固定在木质底座上。

下列组合最省力的是（）

A.细柄螺丝刀，密纹螺丝钉B.粗柄螺丝刀，密纹螺丝钉

C.粗柄螺丝刀，疏纹螺丝钉D.细柄螺丝刀，疏纹螺丝钉

36.（2分）防风功能启动时，如果电机带动窗体向右移动，原因是（）

A.电机极性接反B.电源电压不足C.K1接反D.K2J接反

37.（2分）为进一步改进和完善装置的功能，需要在测试基础上调整设计。

下列可以提高风力感应灵敏度的是（）

A.适当增加风力板面积B.缩短悬挂风力板连杆的长度

C.减小风向标尾翼面积D.调节K1,使其触头间距增大

第四章参考答案

1B2C3B4A5房间内实际温度、设定温度6D7A8

（1）开环

（2）音乐信号，喷泉水柱的高低（3）控制器和传感器的作用9C10串联11C12C13B14

（1）×

（2）×（3）√（4）√（5）×（6）√

15

17

（1）闭环

（2）①设定水温②蒸汽阀③蛇形盘管④