浙江高考一轮 必修2 第4单元 控制与设计.docx
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浙江高考一轮必修2第4单元控制与设计
第四单元 控制与设计
考点
考试内容
考核要求
考试属性
控制的手段与应用
①控制的含义
②控制的手段和方法
③控制的应用
b
a
b
必考
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
②闭环控制系统的基本组成
③简单的闭环控制系统的方框图
④控制器和执行器的作用
c
b
c
c
必考＋加试
闭环控制系统的干扰与反馈
①反馈的含义
②简单控制系统运行的主要干扰因素
③闭环控制系统中反馈环节的作用
④闭环控制系统的工作过程
⑤功能模拟方法和黑箱方法
b
c
b
b
a
必考＋加试
控制系统的设计与实施
控制系统方案的设计
c
必考＋加试
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）①________：
人的意愿或目的。
（2）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。
（3）③________：
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：
④________：
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）
⑤________：
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：
⑥________、⑦________、⑧________、⑨________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】 ①控制目的 ②控制对象 ③控制手段
④人工控制 ⑤自动控制 ⑥机械控制 ⑦气动控制 ⑧液压控制 ⑨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。
方框图：
输入量―→
―→
―→输出量
（1）
________（给定量）：
控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间。
（2）⑪________（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）⑫________：
控制系统中所要求的装置或生产过程，如游泳池。
（4）⑬________：
直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门。
（5）⑭________：
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）⑮________：
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
开环控制系统
开关类
公交车车门的开关控制
―→
―→
车门开/关
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
定时类
泳池定时注水系统
―→
―→
―→
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
闭环控制系统
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
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 ⑪输出量 ⑫被控对象
⑬执行器 ⑭控制器 ⑮控制量
1.（2016·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。
]
2.（2015·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。
]
1.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。
]
3.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，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①________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）②________：
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）③________：
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】 ①反馈 ②功能模拟方法 ③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
不
同
点
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
信号传递
单向
双向
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；
（2）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。
1.（2016·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。
]
2.（2015·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“①乘客进入扶梯踏步前；②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①正确。
【答案】 ①
1.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
B.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，利用热电堆红外传感器，检测身体温度和热场面积的变化，判断是否“踢被子”，检测到“踢被子”后，空调自动调整出风温度、风速、风向，避免着凉。
下列说法中，正确的是（ ）
A.执行器是空调
B.控制器是热电堆红外传感器
C.被控对象是被子
D.该控制系统是开环控制系统
B [该控制系统能自动调节温度、风向，保持稳定，是闭环控制系统，其中热电堆红外传感器，能够检测身体温度和热场面积的变化，能够检测输入信息的是控制器。
]
3.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
A [本题考查控制系统的组成分析。
该系统的检测环节的作用是检测输入量（红外信号），输出量是出水或关水，因此该系统没有反馈环节，是开环控制系统。
因此A项正确，B、D项错误；水龙头是该系统的被控对象，因此C项错误。
]
4.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
D [本题考查功能模拟法的概念。
功能模拟法是指用“模型”模拟“原型”的特定功能、行为的方法。
“用机器人模仿人的功能和行为”符合功能模拟法的概念，因此D项符合题意。
]
5.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
A [本题考查黑箱方法的概念。
黑箱方法是指研究对象的内部无法打开或不便打开的情况下，通过输入量与输出量的关系探测其内部的特性。
“根据发出的声音来判断故障”符合黑箱方法的概念，因此A项符合题意。
]
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