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课时5　控制系统的设计与实施
第四章　控制及其设计
目 录
CONTENTS
任务清单与知识构建
01
案例导学厘清重难点
02
随堂达标检测
03
课时分层训练
04
任务清单与知识构建
1
任务一　探究控制系统的设计要素
1.控制系统的设计要素
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、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。
任务二　设计与实施雨水收集池水位控制系统
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。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。
(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范围之内。
(3)闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
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。
案例导学厘清重难点
2
重难点　开、闭环控制系统方案的设计
根据对控制精度的要求及条件的可行性确定是选择开环控制还是闭环控制；通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析被控对象的基本特征，进而确定控制器的运算方式；控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量；执行器、检测器的选择要根据被控量、控制量的需求，要根据控制的条件进行。
例 如图所示为滑台的运动系统示意图，由电机控制子系统和机械传动子系统组成。在电机控制子系统中，传感器检测电机的转动角度，并反馈到控制装置与设定值比较，控制装置根据偏差值发出运动信号，驱动器将运动信号转变成相应的电流驱动电机转动，在机械传动子系统中，电机带动丝杆转动，丝杆通过螺母驱动滑台移动。系统根据电机的转动角度和丝杆的螺纹间距计算出滑台移动的距离，从而实现对滑台位置的间接控制。由于丝杆传动的误差和滑块移动时的摩擦，导致滑台移动的距离存在误差。为了提高滑台位置的控制精度，需要对该系统进行优化，下列措施中合理的是(　　)
A.将电机换成高精度电机，控制方式改为开环控制
B.将传感器换成高精度传感器，提高电机转动角度的检测精度
C.将传感器安装在丝杆上，检测丝杆的转动角度
D.在滑台上安装传感器，检测滑台的位置
答案　D
解析　选项A：闭环的精确度更高，选项错误；选项B：更换传感器，不能解决题干设定情景的问题，选项错误；滑台是被控对象，需要提高滑台控制精度，被控量确定为滑台的位置，需要检测并反馈滑台位置，选项D更有效。
变式训练 如图所示是某即热式饮水机设计方案。自来水经过滤装置后进入储水箱，再送到煮水箱，当水位达到高水位时，进水电磁阀断电关闭，水位降到低水位时电磁阀通电进水。在出水龙头取水时，电加热器迅速将煮水箱中的水加热至100 ℃，其间产生的水蒸气通过排气管排出。小明构思了下列几种电加热器控制方案，较合理的是(　　)
解析　选项B：蒸气流动是在加热进行中检测的，不符合要求；选项C和选项D：与设计情景不符，要求用水时加热。
A
A.在出水龙头处安装传感器，有水流动时开始加热，无水流动时停止加热
B.在排气管上安装传感器，有水蒸气流动时停止加热，无水蒸气流动时开始加热
C.与水位开关联动，高水位时开始加热，低水位时停止加热
D.与进水电磁阀联动，电磁阀通电时开始加热，电磁阀断电时停止加热
随堂达标检测
3
A.该控制系统的控制手段可选用自动控制
B.执行器可选用电子开关
C.声音传感器可作检测部件
D.该控制系统的控制方式可定为闭环控制
D
解析　已经确定指示灯为被控对象，输出量是灯的亮灭，输入量是访客按下门铃，这是开环控制系统，选项D不合理。
2.如图所示为城市道路十字路口交通管理系统，免去了交通警察值岗。可按设定的时间间隔定周期开放红绿灯，还可以监控、抓拍交通违章。由于车流量的随机性，小马发现有时在绿灯亮时，路口并无车辆需要通过，而另一方向的车辆却在等待。分析解决该问题的方法，下列说法中合理的是(　　)
C
解析　被控对象是红绿灯，现在是开环控制系统无法满足要求，则设计成为闭环控制系统，实时设置时间，选项C符合要求。
A.延长两个方向红绿灯变化的周期
B.由交通警察值岗，人工控制红绿灯亮的时间
C.把路口交通量的实际情况作为反馈信号控制红绿灯亮的时间
D.当出现该情况时，允许另一方向的车辆在红灯亮时通过
某厂设计了一款智能煤气泄漏报警灯，它的工作原理是：当探测器检测到厨房的煤气浓度超过设定值时，外置主控制器控制电磁继电器导通，使报警灯报警；报警的同时，该装置还能够自动向事先设定的手机号码发送信息，提醒使用者注意。根据描述，完成第3题。
3.下列选项中，对智能煤气泄漏报警灯控制系统描述正确的是(　　)
A.控制量是电磁继电器的通、断
B.被控对象是手机
C.探测器主要起反馈作用
D.输入量是预事先设定的手机号码
A
解析　被控对象是报警器；该控制系统是开环，不存在反馈；输入量是煤气浓度。
4.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(　　)
C
解析　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，所以排除A和B；另外被控对象应该是被控量的主体，本题的被控对象为储气罐，排除D。
5.如图所示为缺失了水位控制装置的自动供水系统，以下对该系统的修复方案中，合理的是(　　)
C
解析　水位自动控制系统，需要设计成闭环控制，当缺少时，水位下降，浮子下降，带动连杆，打开阀门，进水；当水位达到要求，则停止进水。选项C最符合要求。
4
课时分层训练
基础巩固篇
素养提升篇
1.如图所示是一款多功能隐形风扇灯，集吹风照明于一体，操作简单便捷，满足不同需求，下列关于该隐形风扇灯的说法中正确的是(　　)
D
解析　选项A：被控对象是风扇灯，选项错误；选项B：没有将温度维持在一定范围内，这是开环控制系统，选项错误；选项C：这是开环控制系统，没有反馈。
A.可通过手机“米家”APP对这款风扇灯进行远程控制，
该控制过程的被控对象是手机
B.该款风扇灯搭载温度传感器，风扇会根据室温变化自动调节风速，该控制过程的控制方式是闭环控制
C.该款风扇灯可根据环境光线亮度自动点亮台灯，该控制过程存在反馈
D.产品设计了智能遥控器，集成开关，有定时关机功能，定时控制系统的输入量是设定时间
2.如图所示为电冰箱温度控制系统，当电冰箱内的温度上升时，感温包内的气体膨胀，使传动盒向外伸胀，通过连杆使触点闭合，压缩机M开始工作，连续制冷，温度下降，温度降低到某个值时，触点断开，制冷停止，如此反复使电冰箱温度保持在设定的温度范围内。下列框图中正确描述电冰箱温度控制系统工作方式的是(　　)
D
解析　由关键词“电冰箱温度保持在设定的温度范围内”，这是闭环控制系统。输出量是信号类，不能是装置元件，选项D符合要求。
如图所示为数控机床系统控制图，程序输入数控系统后，MCU处理并输出的脉冲信号来控制步进电动机。它以变换脉冲信号来控制机床工作台坐标位移量和位移速度、方向。这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜。完成第3～4题。
C
3.以下关于该数控机床控制系统说法中正确的是(　 )
A.该控制系统是闭环控制系统　
B.该控制系统执行器为主轴和刀具
C.该控制系统控制器为MCU
D.该控制系统控制量为机床工作台的位移量及速度、方向
解析　输入量是输入的程序，输出量是机床工作台坐标位移量和位移速度、方向，从图上看没有反馈，这是开环控制系统。被控对象是机床工作台，选项C正确。
4.该数控系统由于电机的老化及丝杠的磨损，容易出现不稳定的情况，因而位移精度不高，为了提高机床工作台位置的控制精度，需要对该系统进行优化，下列措施中合理的是(　　)
C
解析　提高机床工作台位置的控制精度，需要将控制系统设计成闭环，被控对象是机床工作台，被控量是机床工作台坐标位移量和位移速度、方向，传感器需要检测被控量，选项C最符合要求。
5.喷漆室的空调送风控制系统原理是当压力传感器检测到风机出风口处的压力低于设定值时，PLC运算控制器控制风机电机的转速，使风机出口处的压力升高到设定值。该控制系统的方框图是(　　)
D
解析　由“使风机出口处的压力升高到设定值”，保持稳定，这是闭环控制系统，被控对象是风机出口处的空气，被控量是出风口的压力，选项D符合要求。
如图所示为张力控制系统示意图。目前主要应用于冶金，造纸，薄膜，染整，织布，塑胶，线材等设备上。通过张力传感器测定物料的张力，并反馈到可编程控制器与设定值比较，可编程控制器根据差值发出信号调整离合器来控制卷料张力。完成第6～7题。
B
解析　由题图示可知，这是闭环控制系统，输入量是设定张力，输出量是实际张力，被控对象是物料，检测装置是张力传感器，控制器是可编程控制器，执行器是离合器。选项B正确。
张力控制原理
6.张力控制系统的执行器是(　　)
A.可编程控制器 B.放料磁粉离合器
C.张力传感器 D.设定及显示单元
7.如上图所示是早期的张力装置，结构简单，由退绕张力和附加张力两部分叠加后实际运行的，络纱张力是波动的，它会造成卷绕不匀和在下游工序退绕时纱线张力的波动。对早期张力控制结构优化措施中，合理的是(　　)
A.事先设定的张力值调大
B.提高离合器的精度
C.增加超声波原理自动控制卷径，从而调整卷料引力
D.增加事先预定一个不变的张力补偿值，使张力保持稳定值
D
解析　由于前后张力不稳，可以增加一个张力补偿控制系统，选项D正确。
8.如图所示是铝型材末端淬火实验装置图，将铝型材试样A，B，C加热到52 ℃后快速安放在支架上，打开控制阀，水泵抽取水池中的水，其流速可根据流量计来调节，喷嘴对铝型材试样末端进行喷水冷却，温度采集仪通过热电偶将3个特征点的温度变化曲线在计算机中记录下来，利用反热传导程序计算型材与介质表面的换热系数。实验时发现，需要把520 ℃的型材放置好后再人工打开控制阀，现对该控制系统进行优化设计，实现自动控制，以下说法合理的是(　　)
B
解析　温度传感器检测的是试样的温度，温度高则说明试样已放置好，选项B合理。
如图所示为某车载空调的制冷控制系统示意图，压缩机和膨胀阀协同工作使制冷剂循环制冷，鼓风机将车厢外的热空气吹经蒸发器使空气温度降低并送入车厢内。制冷时，温度传感器采集车厢内实际温度，微处理器根据设定温度与实测温度对压缩机、膨胀阀和鼓风机作出相应控制，使车厢内温度稳定在设定温度附近。完成第9～10题。
9.若以车厢内的空气作为被控对象，下列关于该制冷控制系统的说法中正确的是(　　)
A.控制系统是开环控制
B.输入量为鼓风机从车厢外鼓入的热空气
C.控制量为压缩机排量、膨胀阀开度和鼓风机风量
D.主要干扰因素至少包括车窗的开闭、车外空气温度和道路能见度
C
解析　由关键词“使车厢内温度稳定在设定温度附近”，这是闭环控制系统，输入量是设定温度，输出量是实际温度，被控对象是车厢内的空气，检测装置是温度传感器，控制器是微处理器，执行器是鼓风机，控制量是鼓风机从车厢外鼓入的热空气，选项C正确。选项D：道路能见度属于无关因素，不是干扰。
10.该制冷控制系统发生如下故障，需要大约原来一倍的制冷时间才能稳定在设定温度，则下列故障分析中合理的是(　　)
A.鼓风机风扇不转
B.冷凝器表面脏污，使散热不良
C.制冷剂储液干燥器密封不严导致制冷剂完全泄漏
D.温度传感器故障导致所测温度比实际温度高10 ℃
B
解析　选项A：鼓风机风扇不转，系统不运转，选项错误；选项C：制冷剂储液干燥器密封不严导致制冷剂完全泄漏，系统不制冷，选项错误；温度传感器故障导致所测温度比实际温度高10 ℃，则温度下降会更快，选项错误。
1.如图所示是小明家的电熨斗，发现他妈妈有时在使用完电熨斗后忘记拔掉电源，这样很不安全，他想对该电熨斗提出一些建议，其中最合理的是(　　)
B
解析　忘记拔掉电源，电熨斗继续工作，则最合理的是人离开后，自动关机很安全，选项B符合要求。
A.增加定时模块，时间到电熨斗停止工作
B.增加红外线感应开关，人离开后自动关闭
C.增加高强报警装置，强度超过设定温度时语音进行提醒
D.增加漏水检测，有漏水现象断开电源
D
A.温度设定值 B.液压杆压力的稳定性
C.气体混合量 D.模具的更换
解析　模具不属于该系统的组成部分，模具的更换也不属于干扰因素，对产品质量精度没有影响。
3.如图所示是垂直升降电梯的结构示意图。电梯由曳引、定位、安全保护等八大系统组成。某电梯定位控制系统工作过程如下：当安装在电梯箱外侧的传感器检测到相应楼层出口处的挡板时，将测得的信号送到控制柜，控制柜控制曳引机，使电梯箱准确的停在相应楼层。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)电梯定位控制系统属于__________(在A.开环控制；B.闭环控制中选择合适的选项，将序号填入“________”处)；
(2)定位控制系统设计时，需要对曳引机的工作参数进行计算和反复调试；体现了系统分析的______(在A.整体性原则；B.科学性原则；C.综合性原则中选择合适的选项，将序号填入“________”处)；
(3)下列属于该定位控制系统干扰因素的是______(在A.供电电压的波动；B.电梯正常运行时电梯内乘客的数量；C.所选择楼层的层数中选择合适的选项，将序号填入“________”处)；
(4)小明设计了三种轿厢门的启闭装置，其中可行且符合经济原则的是______(在下列选项中选择合适的选项，将序号填入“______”处)；
(5)缆绳通常为多股钢丝绳，且工作环境潮湿，容易生锈及磨损，故需要对缆绳进行定期保养，以下保养方法中合理的是________(在A.用清洁剂清洗缆绳；B.涂刷适量油脂；C.表面刷防锈漆中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。
答案　(1)A　(2)B　(3)A　(4)A　(5)B
解析　(1)由题意可知，系统检测装置检测到挡板信号，系统输出停在对应楼层，输出量和输入量类型不同，为开环控制，故选A。
(2)在系统设计时，对曳引机工作参数进行计算，属于用科学方法定量分析，是科学性原则。
(3)干扰因素为除输入量外引起输出量变化的因素，乘客的数量只会影响曳引的快慢，不会影响楼层定位；同理所选楼层数的高低，也只会影响运行时间的长短，不会影响电梯定位；而供电电压的波动可能会引起信号的变动，从而影响了电梯的定位，故选A。
(4)三个方案中，A因为皮带分别夹在不同侧，而大家一起顺时针或逆时针被皮带轮带动，速度一致且效果佳；B用了两个减速电机，不符合经济原则；C连杆间的铰连接点和减速电机是用拉绳连接，导致轿门只能闭合却无法打开，故选A。
(5)用清洁剂清洗缆绳，破坏了防氧化层，会更容易生锈磨损；防锈漆在反复拖曳中容易脱落，无法起良好的防锈作用；刷涂适量的油脂可以起一个隔绝层的效果和适当润滑，能防锈和磨损，故选B。
4.如图所示为游泳池水pH值自动调节系统示意图。游泳池水经溢流水道收集后，会与补充水一起进入循环水管线，在循环水泵驱动下进入过滤器进行彻底过滤，pH值检测仪实时检测水的pH值，该值被送到伺服控制器与设定的pH值进行比较，伺服控制器根据偏差值控制加药计量泵，向循环水中注入浓度为10%的稀盐酸，将游泳池水的酸碱度控制在国家规定的范围内。根据题中所述的控制过程，完成以下任务：
(1)该游泳池水pH值自动调节系统的控制方式属于________(单选，填字母)；
A.闭环控制 B.开环控制
(2)pH值检测仪将检测到的水的pH值送到伺服控制器，与设定值进行比较的过程称为________(单选，填字母)；
A.干扰 B.反馈
C.控制
(3)该游泳池水pH值自动调节系统的被控对象是________(单选，填字母)；
A.加药计量泵 B.pH值检测仪
C.游泳池中的水
(4)该游泳池水pH值自动调节系统的输出量是________(单选，填字母)。
A.加药计量泵投药量
B.游泳池水的pH值
C.循环水泵的抽水量
答案　(1)A　(2)B　(3)C　(4)B课时5　控制系统的设计与实施
任务一　探究控制系统的设计要素
1.控制系统的设计要素
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、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。
任务二　设计与实施雨水收集池水位控制系统
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。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。
(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范围之内。
(3)闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
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。
重难点　开、闭环控制系统方案的设计
根据对控制精度的要求及条件的可行性确定是选择开环控制还是闭环控制；通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析被控对象的基本特征，进而确定控制器的运算方式；控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量；执行器、检测器的选择要根据被控量、控制量的需求，要根据控制的条件进行。
例 如图所示为滑台的运动系统示意图，由电机控制子系统和机械传动子系统组成。在电机控制子系统中，传感器检测电机的转动角度，并反馈到控制装置与设定值比较，控制装置根据偏差值发出运动信号，驱动器将运动信号转变成相应的电流驱动电机转动，在机械传动子系统中，电机带动丝杆转动，丝杆通过螺母驱动滑台移动。系统根据电机的转动角度和丝杆的螺纹间距计算出滑台移动的距离，从而实现对滑台位置的间接控制。由于丝杆传动的误差和滑块移动时的摩擦，导致滑台移动的距离存在误差。为了提高滑台位置的控制精度，需要对该系统进行优化，下列措施中合理的是(　　)
A.将电机换成高精度电机，控制方式改为开环控制
B.将传感器换成高精度传感器，提高电机转动角度的检测精度
C.将传感器安装在丝杆上，检测丝杆的转动角度
D.在滑台上安装传感器，检测滑台的位置
听课笔记　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
变式训练 如图所示是某即热式饮水机设计方案。自来水经过滤装置后进入储水箱，再送到煮水箱，当水位达到高水位时，进水电磁阀断电关闭，水位降到低水位时电磁阀通电进水。在出水龙头取水时，电加热器迅速将煮水箱中的水加热至100 ℃，其间产生的水蒸气通过排气管排出。小明构思了下列几种电加热器控制方案，较合理的是(　　)
A.在出水龙头处安装传感器，有水流动时开始加热，无水流动时停止加热
B.在排气管上安装传感器，有水蒸气流动时停止加热，无水蒸气流动时开始加热
C.与水位开关联动，高水位时开始加热，低水位时停止加热
D.与进水电磁阀联动，电磁阀通电时开始加热，电磁阀断电时停止加热
1.小明要为听觉障碍者的住所设计一个门铃控制系统，当有人来访时“门铃”能提醒听觉障碍者。设计时他将指示灯确定为被控对象，下列构思不可行的是(　　)
A.该控制系统的控制手段可选用自动控制
B.执行器可选用电子开关
C.声音传感器可作检测部件
D.该控制系统的控制方式可定为闭环控制
2.如图所示为城市道路十字路口交通管理系统，免去了交通警察值岗。可按设定的时间间隔定周期开放红绿灯，还可以监控、抓拍交通违章。由于车流量的随机性，小马发现有时在绿灯亮时，路口并无车辆需要通过，而另一方向的车辆却在等待。分析解决该问题的方法，下列说法中合理的是(　　)
A.延长两个方向红绿灯变化的周期
B.由交通警察值岗，人工控制红绿灯亮的时间
C.把路口交通量的实际情况作为反馈信号控制红绿灯亮的时间
D.当出现该情况时，允许另一方向的车辆在红灯亮时通过
某厂设计了一款智能煤气泄漏报警灯，它的工作原理是：当探测器检测到厨房的煤气浓度超过设定值时，外置主控制器控制电磁继电器导通，使报警灯报警；报警的同时，该装置还能够自动向事先设定的手机号码发送信息，提醒使用者注意。根据描述，完成第3题。
3.下列选项中，对智能煤气泄漏报警灯控制系统描述正确的是(　　)
A.控制量是电磁继电器的通、断
B.被控对象是手机
C.探测器主要起反馈作用
D.输入量是预事先设定的手机号码
4.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(　　)
5.如图所示为缺失了水位控制装置的自动供水系统，以下对该系统的修复方案中，合理的是(　　)
课时5　控制系统的设计与实施
案例导学厘清重难点
例　D　[选项A：闭环的精确度更高，选项错误；选项B：更换传感器，不能解决题干设定情景的问题，选项错误；滑台是被控对象，需要提高滑台控制精度，被控量确定为滑台的位置，需要检测并反馈滑台位置，选项D更有效。]
变式训练　A　[选项B：蒸气流动是在加热进行中检测的，不符合要求；选项C和选项D：与设计情景不符，要求用水时加热。]
随堂达标检测
1.D　[已经确定指示灯为被控对象，输出量是灯的亮灭，输入量是访客按下门铃，这是开环控制系统，选项D不合理。]
2.C　[被控对象是红绿灯，现在是开环控制系统无法满足要求，则设计成为闭环控制系统，实时设置时间，选项C符合要求。]
3.A　[被控对象是报警器；该控制系统是开环，不存在反馈；输入量是煤气浓度。]
4.C　[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，所以排除A和B；另外被控对象应该是被控量的主体，本题的被控对象为储气罐，排除D。]
5.C　[水位自动控制系统，需要设计成闭环控制，当缺少时，水位下降，浮子下降，带动连杆，打开阀门，进水；当水位达到要求，则停止进水。选项C最符合要求。]

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