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课时22　闭环控制系统的工作过程　控制系统的设计与实施
考点一　闭环控制系统的工作过程
一、闭环控制系统
1.定义
系统的输出量返回到输入端,并对控制过程　　　　影响的控制系统称为闭环控制系统。
2.基本组成
与开环控制系统相比,闭环控制系统多了　　　　、　　　　。
3.闭环控制系统的方框图
给定量:即输入量。
检测装置:测量出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。
二、干扰因素
1.含义
在控制系统中,除　　　　　　　　以外,引起输出量变化的各种因素,称为干扰因素。
2.来源
(1)环境造成的。如,教室空调温度控制系统,环境温度的变化。
(2)人为原因所致。如,教室空调温度控制系统,频繁地开门等。
3.数量
在控制系统中,干扰因素可能有一个,也可能有若干个。
三、反馈
1.含义
在自动控制系统中,将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程,称为反馈。
2.作用
反馈可以　　　　干扰,反馈可以减少　　　　的偏差。
四、黑箱方法
1.含义
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,就是黑箱方法。
2.作用
黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。
考向　闭环控制系统的工作过程分析
【典例】 (2024·1月浙江选考)如图所示是调压铸造炉的压力控制系统。铸造炉内抽真空及加热后,控制器控制先导阀接通控制气路,经减压阀Ⅰ减压的氩气驱动背压阀接通主气路,经减压阀2减压的氩气大流量、快速进入铸造炉。压力计检测炉内压力,当压力达到设定值时背压阀断开主气路,低于设定值时背压阀接通主气路充气,使炉内压力保持稳定。下列关于压力控制系统工作过程的分析中正确的是(　　)
A.背压阀受先导阀控制,所以背压阀是被控对象
B.压力计测得的压力值传送给控制器,所以测得的压力值是输入量
C.经过减压阀1减压的氩气驱动背压阀接通主气路,所以减压阀1属于执行器
D.炉内压力保持稳定,气路密封性要好,所以气路密封不严属于干扰因素
答案　D
解析　该压力控制系统的工作方框图如图所示。该系统的被控对象是调压铸造炉,选项A错误;该系统是闭环控制系统,压力计测得的压力值是输出量,选项B错误;执行器是背压阀,选项C错误;气路密封不严会导致炉内实际压力值发生改变,此时输入量没变,它是干扰因素,选项D正确。
【变式】 (2026·1月浙江选考)如图所示的工件加工系统,由工件定位控制、机床加工和计数子系统组成,其工作过程为:位置控制器将位置传感器获取到的工件位置信息与设定位置进行比校,当工件到达设定位置时,位置控制器发送指令给传送机构,传送机构停止运行,此时工件加工位置处于刀具下方。同时计数器计数,位置控制器向通用机床控制电路发出加工信号,刀具开始对工件进行加工。
下列关于工件定位控制子系统的说法,正确的是 (　　)
A.位置传感器用来反馈工件位置信息
B.计数器显示的数值是输出量
C.刀具是执行器
D.通用机床控制电路属于控制器
答案　A
解析　法一　控制方框图如下所示,故选A。
法二　题中是分析“工件定位控制子系统”,根据题干描述可知,这个子系统是控制工件位置的,控制的目的是在加工前使工件位置处于刀具下方;所以被控对象是“工件”,被控量(输出量)是“工件的实际位置”;位置传感器获取了工件的位置信息(检测了输出量),所以该控制系统是闭环控制系统,位置传感器参与了反馈过程;A选项正确,B选项错误。位置控制器是该子系统的控制器,传送机构是执行器,刀具和通用机床控制电路不是该子系统中的要素,C、D两个选项均错误。
闭环控制系统的深度理解
闭环控制系统方框图
1.闭环控制系统的判断
(1)根据定义判断
输入量决定输出量,而输出量对这个控制过程产生影响。
(2)根据控制的目的判断
闭环控制系统可以使被控量稳定在给定量附近。
(3)根据有无反馈判断
闭环控制系统存在反馈,开环控制系统没有反馈。
(4)根据检测装置检测的量来判断
检测装置检测的是输出量,可以判断控制系统是闭环控制系统。
2.干扰因素
(1)除输入量(给定值)以外,引起被控量变化的各种因素为干扰因素。
注意:①输入量不是干扰。
②输出量不是干扰。
③控制器、执行器等输出信号异常是干扰。
考点二　控制系统的设计与实施
一、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。
二、设计与实施雨水收集池水位控制系统
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。
考向　控制系统的设计
【典例】 (2024·1月浙江选考节选)小明在通用技术实践课上设计制作了植物定时浇水控制装置。使用中发现需要人工向水箱中加水,小明想增加自动补水控制子系统(如图所示),实现全自动浇水。控制器分别控制水泵和电控阀门,浇水时启动水泵抽水,当水位下降到下限时,打开电控阀门,向水箱补充自来水,当水位上升到上限时,关闭电控阀门。请根据题图及其描述完成以下任务:
(1)请根据题图及其描述填写补水控制子系统方框图(填写文字,全对得分)。
答案　①控制器　②电控阀门　③水箱　④水位传感器
解析　自动补水控制子系统的本质是对水箱水位区间进行自动控制,保证水箱中的水位保持一个稳定的区间,结合题干描述和闭环控制系统方框图可知:①是控制器,题干中并未对控制器做具体描述说明,所以写“控制器”即可;②是执行器“电控阀门”;③是被控对象“水箱”;④是检测实际水位的检测装置“水位传感器”。
【变式】 (2024·12月北斗星盟节选)小明参加运动会升旗彩排时发现,手动升旗比较费力,于是打算制作一套自动升旗控制装置。如图所示是该控制装置的简易模型。请完成以下任务:
(1)小明准备用定时装置控制会旗上升。以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是(单选)　　　　　。
答案　B
解析　准备用定时装置控制会旗上升,所以设定时间为输入量,输出量为会旗速度,且为开环控制,B正确。
自我校对:
考点一
一、1.产生　2.检测装置　比较器
二、1.输入量(给定值)
三、2.克服　被控量
1.(2020·7月浙江省选考)如图所示是汽车蓄电池电量控制系统示意图。汽车电气负载消耗蓄电池的电能,当蓄电池电量下降到设定值下限时,发电机在动力控制模块的控制下给蓄电池充电,电量检测装置检测到蓄电池电量达到设定值上限时,发电机停止给蓄电池充电。下列关于该控制系统的分析中正确的是(　　)
A.被控对象是汽车
B.汽车电气负载变化属于干扰因素
C.执行器是动力控制模块
D.控制量是蓄电池的电量
答案　B
解析　被控对象是蓄电池,A错误;除输入量以外引起被控量变化的因素,称为干扰因素,汽车电气负载变化属于干扰因素,B正确;动力控制模块是控制器,C错误;蓄电池的电量是被控量,D错误。
2.(2024·3月9＋1)如图所示是液体定量控制系统。通过触摸屏输入需要的定量值,一键启动,泵开始抽液,电磁阀打开,液体通过流量计,流量计将测得的流量信号传送给PLC控制器。达到设定值后,控制器发出控制指令切断交流接触器和电磁阀的电源,泵停止抽液,电磁阀关闭,完成一次向反应容器定量输入液体。下列关于液体定量控制系统的分析中正确的是(　　)
A.泵受交流接触器控制,所以泵是被控对象
B.流进反应容器的液体量需达到设定值,所以流量计之后的管道漏液属于干扰因素
C.流量计测得的流量值传送给控制器,所以测得的流量值是输入量
D.该控制系统主要控制流进反应容器的液体量,所以实际流量值是控制量
答案　B
解析　该系统是液体定量控制系统,所以该系统的目的是将反应容器内注入的液体控制在一定的量,所以将反应容器作为被控对象。泵、电磁阀执行PLC控制器的指令,应为执行器,A项错误;若流量计之后的管道漏液,则实际流进反应容器液体流量将小于设定值,对输出量产生了影响,属于干扰因素,B项正确;输入量是最先给到系统的信号,所以设定流量是输入量,C项错误;控制量是执行器的状态,所以泵和电磁阀控制的液体流量才是控制量,D项错误。
3.如图所示是一种张力控制系统,张力传感器检测卷料的实际张力经PID控制器与设定张力比较、运算后通过励磁信号自动调整磁粉制动器的励磁电流来控制卷料的张力。从控制的角度分析,下列说法中不正确的是(　　)
A.控制量是励磁信号
B.张力设定值对卷料的张力控制精度没有影响
C.该控制系统存在反馈
D.磁粉制动器能够直接对卷料进行控制
答案　A
解析　控制量是励磁电流,故选A。
4.如图所示为某造纸厂纸张卷绕系统示意图,在卷绕过程中,要求纸张卷绕后的侧面整齐一致。卷绕系统由卷筒驱动子系统和纠偏控制子系统组成。驱动系统由伺服电机和传动装置等组成;纠偏控制子系统的工作过程为:光电传感器检测纸张边缘位置信息,并将信息输入PLC控制单元与设定值比较,经分析处理后输出误差信号,控制油泵输出高压油进入油缸,推动活塞带动支架移动,从而将纸张整齐卷绕在卷辊上。下列关于纠偏控制系统的分析中不正确的是(　　)
A.油缸为被控对象
B.纠偏控制子系统为闭环控制
C.活塞的移动量是系统的控制量
D.机械传动装置的振动是干扰因素
答案　A
解析　该控制系统的控制目的是“控制纸张卷绕后的侧面整齐一致”,所以输出量是“纸张卷绕实际位置”,被控对象是“纸张”,有光电传感器检测纸张边缘位置信息,则反馈成立,是闭环控制系统,B正确,A错误;执行器是指直接对被控对象进行控制的装置或元件,所以该系统的执行器是“活塞”,“支架”不具备控制功能,C正确;干扰因素是指除了输入量以外引起被控量变化的各种因素,机械传动装置的振动对纸张卷绕位置有影响,是干扰因素,所以D正确。
5.如图所示为平台小球位置控制系统示意图。其工作过程为:摄像机连续获取小球的实时位置信息(如图a所示),控制器将接收到的小球位置信息与设定位置进行比较,计算出小球与设定位置的偏差值,控制舵机驱动器,通过舵机调整平台倾斜角度(如图b所示),使小球移动到设定位置。下列关于该平台小球位置控制系统分析正确的是(　　)
A.控制量是小球的实际位置
B.被控对象是舵机
C.输入量是摄像头获取的信息
D.平台粗糙度的变化是干扰因素
答案　D
解析　该控制系统属于闭环控制系统,目的是为了将小球实际位置控制于设定位置内,所以被控对象是小球,摄像头获得的小球实际位置是被控量,平台粗糙程度会影响到小球顺利回到设定位置,属于干扰因素,D选项正确。
【基础巩固篇】
1.如图所示为增程式混动汽车电池电量管理系统示意图。该系统由增程式电量控制子系统、能量回收子系统及停车充电子系统组成。汽车在行驶过程中,当实际电池电量低于设定值时,增程控制子系统的控制器会启动内燃机驱动发电机给动力电池充电;当实际电池电量充足时,自动停止发电。汽车减速时,能量回收子系统的控制器控制驱动电机给动力电池反向充电。停车时可通过充电器给动力电池充电。关于增程式电量控制子系统,下列分析不合理的是(　　)
A.内燃机和发电机为该控制系统的被控对象
B.司机踩下加速踏板是该控制系统的干扰因素
C.实际电池电量为该控制系统的输出量
D.电池电量传感器可作为该控制系统的反馈装置
答案　A
解析　增程式电量控制子系统控制的是电量,其被控对象是电池而不是内燃机和发电机;输出量是实际电池电量;电池电量传感器是该控制系统的反馈装置;司机踩下加速踏板是该控制系统的干扰因素。所以选A。
2.如图所示是某注肥控制系统,该系统包含定量注肥控制子系统和过压保护控制子系统。定量注肥控制子系统的工作过程为:通过流量传感器获取系统实际排出的施肥量,与设定值进行比较来控制压力泵,从而精确控制施肥量。下列关于定量注肥控制子系统的分析中正确的是(　　)
A.执行器是电磁阀
B.流量传感器检测到的施肥量是输入量
C.控制量是经过压力泵的肥料流量
D.通过PLC控制器改变设定值属于该系统的干扰因素
答案　C
解析　定量注肥控制子系统闭环控制系统,其控制方框图如图所示。
通过PLC控制器改变设定值,不属于干扰因素,D错。综合方框图可知,C正确。
3.如图所示的四轴无人机能通过气压定高控制系统控制在某一高度悬停,气压定高控制系统利用气压传感器测量大气压力,控制芯片根据测得的气压值参照标准气压表计算出无人机的高度,并与设定值进行对比,根据对比的结果相应地调整电机动力从而使飞行器悬停于设定的高度值附近。关于无人机的气压定高系统,下列说法正确的是(　　)
A.该控制系统是闭环控制系统
B.输入量是目标高度、控制量是实际高度
C.控制器是控制芯片、被控对象是电机
D.由于无检测悬停高度的传感器,该系统无反馈过程
答案　A
解析　定高系统的输入量为设定高度,输出量为实际高度,被控对象是无人机,控制器为控制芯片,发出控制信号给电机,电机控制无人机停在设定的高度,电机的转速为控制量,存在反馈,属于闭环控制系统。
4.如图所示的电子防抖云台系统通过加速度计、陀螺仪等传感器检测手机x、y、z轴六个方向上的位置和角度变化,总控处理器得到反馈后对运动进行分解计算,串级控制云台各关节部位的伺服电机不停地以不同角速度反向修正转动角度,保证手机的空间坐标不变。下列关于电子防抖云台控制系统的说法中,不正确的是(　　)
A.控制器是总控处理器
B.执行器是roll轴电机、pitch轴电机和yaw轴电机
C.roll轴电机可实现以z轴为中心的转动
D.控制方式属于开环控制
答案　D
解析　检测装置是加速度计、陀螺仪等传感器,检测云台的实际位置和角度,与设定的位置角度进行比较,通过总控处理器判断后,由各关节的伺服电机(执行器)进行修正。因此控制方式属于闭环控制。故选D。
5.(2024·4月稽阳联考)如图所示是校园节能直饮水机系统。该系统主要由过滤控制、温度控制、出水控制等子系统组成。其中温度控制子系统采用高效热能交换技术,20 ℃的自来水经波纹管可迅速提温到85 ℃,开水可迅速降温至直接饮用的温度。当加热水胆的感温探头检测到水温低于设定温度时,控制盒输出指令关闭进水电磁阀并控制加热管加热。下列关于内胆水温控制子系统工作过程的分析中正确的是(　　)
A.温水出口放水对内胆水温有影响,所以温水出口放水属于干扰因素
B.自来水经热能交换器后以85 ℃流入内胆,所以85 ℃水温是输入量
C.控制盒发出的指令是控制量
D.加热器通过加热控制内胆的水温,所以加热器是控制器
答案　A
解析　输入量时设定温度,B项错误;执行器的状态才是输入量,电磁阀的进水量和加热管的状态是控制量,C项错误;控制盒是控制器,加热管是执行器,D项错误。
6.(2024·4月嘉兴二模)如图是小马设计的循迹小车控制系统示意图,小车能够按照引导线行驶并在设定的位置无线充电。工作过程为:小车放置在无线充电装置发射端进行充电,当电容充电完成后自行启动。灰度传感器检测实际的路线信号传输给控制电路与设定的轨迹信号进行比较,控制电路根据偏差信号发出指令控制驱动装置分别调整左右车轮的转速,使小车沿引导线行驶。当行驶到下一个无线充电装置发射端后自动停车并再次充电,循环运行。下列关于行进路线控制子系统的分析中不正确的是(　　)
A.控制方式为闭环控制
B.输入量是设定的路线信号
C.储能电容充电速度是干扰因素
D.执行器是驱动装置
答案　C
解析　该系统的输入量是设定行进路线,控制器为控制电路,执行器为驱动装置,被控对象为小车,灰度传感器为检测装置,负责检测小车实际路线并反馈给控制器,所以是闭环控制。电容充电速度对小车行进路线无影响,不是干扰因素。
7.(2024·12月Z20联考)如图所示为两轮平衡车,其工作过程为:MEMS陀螺仪(内部包含微型加速度计和陀螺仪传感器)测量平衡小车的实时倾斜角度和角速度,微控制器MCU通过内部函数程序,将MEMS陀螺仪输进来的信号与车辆平衡值作比较,调节PWM(脉冲宽度调制)波的占空比(高电平时间、信号周期),从而实时控制电机驱动器的输出,进而控制电机的加速度,实现对平衡车的运动控制,使车身恢复平衡状态。下列关于平衡车平衡控制系统的分析中正确的是(　　)
A.该控制系统为开环控制
B.路面的平整度属于控制系统的干扰因素
C.被控量是左、右电机的转动速度
D.控制量是MCU输出的PWM波信号
答案　B
解析　A该系统是闭环系统,题干叙述的实时倾斜角度和角速度,微控制器MCU通过内部函数程序,将MEMS陀螺仪输进来的信号与车辆平衡值作比较,由此看出是闭环控制系统。B.外部路面的平整程度会影响陀螺仪的(内部包含微型加速度计和陀螺仪传感器)判断,所以是该系统的干扰因素。C.小车的实时倾角和角速度是该系统的输出量。D.控制量是执行器的输出信号,所以是电机驱动器的转动为控制量。
【能力提升篇】
1.(2024·6月浙江选考节选)如图所示为教学楼的走廊,小明发现晚上没人时灯也亮着,于是准备制作声光控开关,并用其控制吸顶灯,天黑时检测到一定响度的声音灯就亮,请完成以下任务:
(1)实际使用中发现,天黑有汽车喇叭声时,灯也可能点亮。在该控制系统中汽车喇叭声 　　　　　干扰因素(A.属于;B.不属于);
(2)小明准备用人体感应模块替代声音传感器,天黑检测到人体热辐射信号时,灯就点亮。以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是(单选)　　　　。
答案　(1)B　(2)B
解析　(1)本题是对控制系统干扰因素的考查。控制系统中的干扰因素是指:除了输入量以外,凡是引起被控量(输出量)变化的各种因素都是干扰因素。声控灯在“天黑有汽车喇叭声时”亮灯,这是由于控制系统的输入量的改变而引起的,所以不属于干扰因素,故选B。
(2)本题考查控制系统的方框图,本质是对控制系统工作过程的考查。根据题目情境描述,该控制系统的控制目的是控制灯的亮灭,控制对象是灯,输入是“天黑且有足够响度的声音”,输入决定输出,属于典型的开环控制,其控制方框图如选项B所示。
2.(2024·10月江浙皖高中(县中)发展共同体节选)如图所示的电热水壶具有水沸腾后自动断电、干烧自动断电的功能。小明发现该电热水壶没有保温功能,于是准备改进电路,使水沸腾后自动进入保温状态。请完成以下任务:
以下是小明绘制的具有温度区间控制功能的控制系统方框图,正确的是(单选)　　　　　　　。
答案　D
解析　温度区间控制子系统,被控量是水壶内的实际水温,温度传感器检测水壶内的实际水温并与设定水温进行比较,形成反馈,是闭环控制系统。闭环控制系统中,输入信号一般为设定值,输出为对应实际值。
3.如图所示为小明家的温室大棚。小明通过上网查询了解到瓜果夜晚补光可有效促进瓜果成熟,于是他准备制作一个定时补光控制系统,可通过定时器设定时间,在晚上的固定时间段内控制电子开关自动打开补光灯为植物补光,请完成以下任务:
小明准备增加光照传感器对该系统进行改进,白天阴雨天气时,控制电路判断光照过低,可打开补光灯补光,晚上在固定时间段补光,以下小明绘制的控制系统方框图中正确是(单选)　　　　。
答案　B
解析　从题干可知该控制系统通过设定时间与外界光照来决定补光灯亮度,因此输入量应该为设定时间与光照亮度,故选B。
4.(2025·5月温州三模节选)如图所示是我国某大学自主研制的新型水陆两栖飞行器,能够在空气(如图a)和水(如图b)两种介质中运行。该飞行器搭载水空两用推进单元和舵面倾转机构,可在空中悬停6分钟,在水下巡游约40分钟。请根据题图及其描述完成以下任务:
该飞行器具有定位导航系统,当操作员操作遥控器发出指令后,飞行器即可准确飞行至指定位置。请根据描述,完成控制系统方框图(填写字母,全对得分)。
A.遥控器 B.控制单元
C.马达和旋翼 D.调压装置
答案　①B　②C
解析　直接控制飞行器的装置是马达和旋翼,所以②处选择C;①处需要选择控制器,选项中仅控制单元符合,遥控器参与输入量的设定,不是控制器,所以①处选择B。
5.如图所示的一款康复训练机器人,它具有等速控制、肌肉张力控制等多种训练模式。等速控制模式的工作过程为:先设定好训练速度,将受伤的脚放置侧板上,用足夹固定后启动机器人:电脑根据设定的速度控制马达转动,带动侧板等速运动,以达到主动牵引、拉伸训练的目的。肌肉张力控制模式的工作过程为:肌张力检测仪实时检测训练过程中脚踝肌肉张力变化并传送至电脑,根据变化差值控制马达的转速,来调整侧板速度改变牵引、拉伸的训练强度,保证训练过程中脚踝肌肉张力平稳。请根据题图及描述完成以下任务:
肌肉张力控制系统方框图正确的是(单选)　　　　。
答案　A
解析　根据题干,等张控制模式下,肌张力控制系统为闭环控制系统,控制对象是脚踝的肌肉。因此A选项正确。
6.(2024·11月台州一模节选)小明发现办公场所的饮水机需要使用者手动操作停止出水,容易造成水满溢出烫伤。针对该饮水机的不足,小明设计了一款装置,工作示意图如图a所示,根据用户预设的水温和水量出水,当杯内达到设定水量时自动停止出水,安装在出水管中的霍尔流量计,把通过叶轮转动产生的信号转化为具体的流量值传递给单片机进行控制。请完成以下任务:
(1)下列选项为小明设计的饮水机出水管定量出水控制系统的方框图,其中合理的是(单选)　　　　。
(2)小明准备在如图b所示的位置增加检测装置,要求在接水中若拿开水杯则立即停止出水,下列传感器适合用于该检测装置的是(单选)　　　　。
A.气敏传感器 B.湿敏传感器
C.热敏传感器 D.位移传感器
答案　(1)D　(2)D
解析　(1)该系统是出水管定量出水控制系统,由此可知:①该系统是闭环控制;②该系统的被控对象是出水管;③该系统的输出量是实际出水量,所以选项A、B、C均错误,本小题选择D。(2)用于检测水杯位置移动,可以用位移传感器,气敏、热敏和湿敏均不合适,本小题选择D。
7.如图所示是小明设计的小鸡孵化泡沫箱。系统正常运行时,当温度低于设定值37.8℃时,加热丝加热;当温度高于设定值37.8℃时,加热丝停止加热,使泡沫箱内水床的温度保持在合理的范围之内。
以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是(单选)　　　　。
答案　C
解析　该系统属于水床的恒温控制系统,属于闭环控制,故选C。
8.(2024·11月9＋1联盟节选)小明在通用技术实践课上利用Arduino UNO开发板设计制作了智能感应灭火控制系统。当火焰传感器感应到火焰时,控制电路驱动电动机运转,风扇出风,吹灭火源。请根据题图及其描述完成以下任务:
以下是小明绘制的智能感应灭火控制系统的方框图,其中正确的是(单选)　　　　。
答案　A
解析　由题干“当火焰传感器感应到火焰时,控制电路驱动电动机运转,风扇出风,吹灭火源”可知,该控制系统的输入量为火焰特征信号,输出量为风扇出风,该控制系统的控制方式为开环控制,本小题仅选项A符合要求。
9.(2024·11月湖丽衢节选)小明发现在用电烙铁焊接元器件时会产生烟雾,于是他准备设计一个放置在桌面上使用的小型排烟装置。请完成以下任务:
小明设想当电烙铁离开烙铁架时,排烟装置自动启动。他选择合适的传感器安装在烙铁架上,并绘制了控制系统的方框图,其中最合理的是(单选)　　　　。
答案　A
解析　该控制系统的输入量是电烙铁离开烙铁架信息,输出量是排烟装置自动启动,它是开环控制,排除选项CD;电烙铁离开烙铁架信息可以用压力传感器获得,而人体热辐射信号不能准确判定电烙铁是否离开烙铁架,所以选项A正确,选项B不正确,本小题选择A。
10.(2024·11月宁波一模节选)如图所示是发球机的储球机构。旋转电机受单片机控制,一旦在3秒内光电传感器未检测到羽毛球,系统就认为该球筒内的球发射完毕,旋转电机会旋转个圆周以实现球筒更换,直到累计旋转一周所有羽毛球发射后,发球任务终止。请完成以下任务:
以下是球筒旋转控制子系统的系统控制方框图,其中正确的是(单选)　　　　　。
答案　A
解析　由题干可知,球筒旋转控制子系统的输入量是光电传感器检测到羽毛球的信息,输出量是球筒旋转,它的工作方式是开环控制,排除选项C和选项D;由输入量可知,选项A正确,选项B错误,本小题选择选项A。(共76张PPT)
必修　技术与设计2
课时22　闭环控制系统的工作过程　 控制系统的设计与实施
目 录
CONTENTS
考点一
01
考点二
02
课堂检测
03
课后作业
04
考点一　闭环控制系统的工作过程
1
一、闭环控制系统
1.定义
系统的输出量返回到输入端,并对控制过程________影响的控制系统称为闭环控制系统。
2.基本组成
与开环控制系统相比,闭环控制系统多了____________、__________。
产生
检测装置
比较器
3.闭环控制系统的方框图
给定量:即输入量。
检测装置:测量出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。
二、干扰因素
1.含义
在控制系统中,除________________以外,引起输出量变化的各种因素,称为干扰因素。
2.来源
(1)环境造成的。如,教室空调温度控制系统,环境温度的变化。
(2)人为原因所致。如,教室空调温度控制系统,频繁地开门等。
3.数量
在控制系统中,干扰因素可能有一个,也可能有若干个。
输入量(给定值)
三、反馈
1.含义
在自动控制系统中,将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程,称为反馈。
2.作用
反馈可以________干扰,反馈可以减少________的偏差。
克服
被控量
四、黑箱方法
1.含义
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,就是黑箱方法。
2.作用
黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。
考向　闭环控制系统的工作过程分析
【典例】 (2024·1月浙江选考)如图所示是调压铸造炉的压力控制系统。铸造炉内抽真空及加热后,控制器控制先导阀接通控制气路,经减压阀Ⅰ减压的氩气驱动背压阀接通主气路,经减压阀2减压的氩气大流量、快速进入铸造炉。压力计检测炉内压力,当压力达到设定值时背压阀断开主气路,低于设定值时背压阀接通主气路充气,使炉内压力保持稳定。下列关于压力控制系统工作过程的分析中正确的是(　　)
D
A.背压阀受先导阀控制,所以背压阀是被控对象
B.压力计测得的压力值传送给控制器,所以测得的压力值是输入量
C.经过减压阀1减压的氩气驱动背压阀接通主气路,所以减压阀1属于执行器
D.炉内压力保持稳定,气路密封性要好,所以气路密封不严属于干扰因素
解析　该压力控制系统的工作方框图如图所示。该系统的被控对象是调压铸造炉,选项A错误;该系统是闭环控制系统,压力计测得的压力值是输出量,选项B错误;执行器是背压阀,选项C错误;气路密封不严会导致炉内实际压力值发生改变,此时输入量没变,它是干扰因素,选项D正确。
【变式】 (2026·1月浙江选考)如图所示的工件加工系统,由工件定位控制、机床加工和计数子系统组成,其工作过程为:位置控制器将位置传感器获取到的工件位置信息与设定位置进行比校,当工件到达设定位置时,位置控制器发送指令给传送机构,传送机构停止运行,此时工件加工位置处于刀具下方。同时计数器计数,位置控制器向通用机床控制电路发出加工信号,刀具开始对工件进行加工。
A
解析　法一　控制方框图如下所示,故选A。
法二　题中是分析“工件定位控制子系统”,根据题干描述可知,这个子系统是控制工件位置的,控制的目的是在加工前使工件位置处于刀具下方;所以被控对象是“工件”,被控量(输出量)是“工件的实际位置”;位置传感器获取了工件的位置信息(检测了输出量),所以该控制系统是闭环控制系统,位置传感器参与了反馈过程;A选项正确,B选项错误。位置控制器是该子系统的控制器,传送机构是执行器,刀具和通用机床控制电路不是该子系统中的要素,C、D两个选项均错误。
闭环控制系统的深度理解
闭环控制系统方框图
1.闭环控制系统的判断
(1)根据定义判断
输入量决定输出量,而输出量对这个控制过程产生影响。
(2)根据控制的目的判断
闭环控制系统可以使被控量稳定在给定量附近。
(3)根据有无反馈判断
闭环控制系统存在反馈,开环控制系统没有反馈。
(4)根据检测装置检测的量来判断
检测装置检测的是输出量,可以判断控制系统是闭环控制系统。
2.干扰因素
(1)除输入量(给定值)以外,引起被控量变化的各种因素为干扰因素。
注意:①输入量不是干扰。
②输出量不是干扰。
③控制器、执行器等输出信号异常是干扰。
考点二　控制系统的设计与实施
2
一、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。
二、设计与实施雨水收集池水位控制系统
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。
考向　控制系统的设计
【典例】 (2024·1月浙江选考节选)小明在通用技术实践课上设计制作了植物定时浇水控制装置。使用中发现需要人工向水箱中加水,小明想增加自动补水控制子系统(如图所示),实现全自动浇水。控制器分别控制水泵和电控阀门,浇水时启动水泵抽水,当水位下降到下限时,打开电控阀门,向水箱补充自来水,当水位上升到上限时,关闭电控阀门。请根据题图及其描述完成以下任务:
(1)请根据题图及其描述填写补水控制子系统方框图(填写文字,全对得分)。
答案　①控制器　②电控阀门　③水箱　④水位传感器
解析　自动补水控制子系统的本质是对水箱水位区间进行自动控制,保证水箱中的水位保持一个稳定的区间,结合题干描述和闭环控制系统方框图可知:①是控制器,题干中并未对控制器做具体描述说明,所以写“控制器”即可;②是执行器“电控阀门”;③是被控对象“水箱”;④是检测实际水位的检测装置“水位传感器”。
【变式】 (2024·12月北斗星盟节选)小明参加运动会升旗彩排时发现,手动升旗比较费力,于是打算制作一套自动升旗控制装置。如图所示是该控制装置的简易模型。请完成以下任务:
B
解析　准备用定时装置控制会旗上升,所以设定时间为输入量,输出量为会旗速度,且为开环控制,B正确。
课堂检测
3
1.(2020·7月浙江省选考)如图所示是汽车蓄电池电量控制系统示意图。汽车电气负载消耗蓄电池的电能,当蓄电池电量下降到设定值下限时,发电机在动力控制模块的控制下给蓄电池充电,电量检测装置检测到蓄电池电量达到设定值上限时,发电机停止给蓄电池充电。下列关于该控制系统的分析中正确的是(　　)
B
A.被控对象是汽车
B.汽车电气负载变化属于干扰因素
C.执行器是动力控制模块
D.控制量是蓄电池的电量
解析　被控对象是蓄电池,A错误;除输入量以外引起被控量变化的因素,称为干扰因素,汽车电气负载变化属于干扰因素,B正确;动力控制模块是控制器,C错误;蓄电池的电量是被控量,D错误。
2.(2024·3月9＋1)如图所示是液体定量控制系统。通过触摸屏输入需要的定量值,一键启动,泵开始抽液,电磁阀打开,液体通过流量计,流量计将测得的流量信号传送给PLC控制器。达到设定值后,控制器发出控制指令切断交流接触器和电磁阀的电源,泵停止抽液,电磁阀关闭,完成一次向反应容器定量输入液体。下列关于液体定量控制系统的分析中正确的是(　　)
B
A.泵受交流接触器控制,所以泵是被控对象
B.流进反应容器的液体量需达到设定值,所以流量计之后的管道漏液属于干扰因素
C.流量计测得的流量值传送给控制器,所以测得的流量值是输入量
D.该控制系统主要控制流进反应容器的液体量,所以实际流量值是控制量
解析　该系统是液体定量控制系统,所以该系统的目的是将反应容器内注入的液体控制在一定的量,所以将反应容器作为被控对象。泵、电磁阀执行PLC控制器的指令,应为执行器,A项错误;若流量计之后的管道漏液,则实际流进反应容器液体流量将小于设定值,对输出量产生了影响,属于干扰因素,B项正确;输入量是最先给到系统的信号,所以设定流量是输入量,C项错误;控制量是执行器的状态,所以泵和电磁阀控制的液体流量才是控制量,D项错误。
A.控制量是励磁信号
B.张力设定值对卷料的张力控制精度没有影响
C.该控制系统存在反馈
D.磁粉制动器能够直接对卷料进行控制
A
解析　控制量是励磁电流,故选A。
A.油缸为被控对象
B.纠偏控制子系统为闭环控制
C.活塞的移动量是系统的控制量
D.机械传动装置的振动是干扰因素
A
解析　该控制系统的控制目的是“控制纸张卷绕后的侧面整齐一致”,所以输出量是“纸张卷绕实际位置”,被控对象是“纸张”,有光电传感器检测纸张边缘位置信息,则反馈成立,是闭环控制系统,B正确,A错误;执行器是指直接对被控对象进行控制的装置或元件,所以该系统的执行器是“活塞”,“支架”不具备控制功能,C正确;干扰因素是指除了输入量以外引起被控量变化的各种因素,机械传动装置的振动对纸张卷绕位置有影响,是干扰因素,所以D正确。
5.如图所示为平台小球位置控制系统示意图。其工作过程为:摄像机连续获取小球的实时位置信息(如图a所示),控制器将接收到的小球位置信息与设定位置进行比较,计算出小球与设定位置的偏差值,控制舵机驱动器,通过舵机调整平台倾斜角度(如图b所示),使小球移动到设定位置。下列关于该平台小球位置控制系统分析正确的是(　　)
D
A.控制量是小球的实际位置
B.被控对象是舵机
C.输入量是摄像头获取的信息
D.平台粗糙度的变化是干扰因素
解析　该控制系统属于闭环控制系统,目的是为了将小球实际位置控制于设定位置内,所以被控对象是小球,摄像头获得的小球实际位置是被控量,平台粗糙程度会影响到小球顺利回到设定位置,属于干扰因素,D选项正确。
4
课后作业
基础巩固篇
能力提升篇
A.内燃机和发电机为该控制系统的被控对象
B.司机踩下加速踏板是该控制系统的干扰因素
C.实际电池电量为该控制系统的输出量
D.电池电量传感器可作为该控制系统的反馈装置
A
解析　增程式电量控制子系统控制的是电量,其被控对象是电池而不是内燃机和发电机;输出量是实际电池电量;电池电量传感器是该控制系统的反馈装置;司机踩下加速踏板是该控制系统的干扰因素。所以选A。
2.如图所示是某注肥控制系统,该系统包含定量注肥控制子系统和过压保护控制子系统。定量注肥控制子系统的工作过程为:通过流量传感器获取系统实际排出的施肥量,与设定值进行比较来控制压力泵,从而精确控制施肥量。下列关于定量注肥控制子系统的分析中正确的是(　　)
C
A.执行器是电磁阀
B.流量传感器检测到的施肥量是
输入量
C.控制量是经过压力泵的肥料流量
D.通过PLC控制器改变设定值属于该
系统的干扰因素
解析　定量注肥控制子系统闭环控制系统,其控制方框图如图所示。
通过PLC控制器改变设定值,不属于干扰因素,D错。综合方框图可知,C正确。
3.如图所示的四轴无人机能通过气压定高控制系统控制在某一高度悬停,气压定高控制系统利用气压传感器测量大气压力,控制芯片根据测得的气压值参照标准气压表计算出无人机的高度,并与设定值进行对比,根据对比的结果相应地调整电机动力从而使飞行器悬停于设定的高度值附近。关于无人机的气压定高系统,下列说法正确的是(　　)
A
A.该控制系统是闭环控制系统
B.输入量是目标高度、控制量是实际高度
C.控制器是控制芯片、被控对象是电机
D.由于无检测悬停高度的传感器,该系统无反馈过程
解析　定高系统的输入量为设定高度,输出量为实际高度,被控对象是无人机,控制器为控制芯片,发出控制信号给电机,电机控制无人机停在设定的高度,电机的转速为控制量,存在反馈,属于闭环控制系统。
A.控制器是总控处理器
B.执行器是roll轴电机、pitch轴电机和yaw轴电机
C.roll轴电机可实现以z轴为中心的转动
D.控制方式属于开环控制
D
解析　检测装置是加速度计、陀螺仪等传感器,检测云台的实际位置和角度,与设定的位置角度进行比较,通过总控处理器判断后,由各关节的伺服电机(执行器)进行修正。因此控制方式属于闭环控制。故选D。
5.(2024·4月稽阳联考)如图所示是校园节能直饮水机系统。该系统主要由过滤控制、温度控制、出水控制等子系统组成。其中温度控制子系统采用高效热能交换技术,20 ℃的自来水经波纹管可迅速提温到85 ℃,开水可迅速降温至直接饮用的温度。当加热水胆的感温探头检测到水温低于设定温度时,控制盒输出指令关闭进水电磁阀并控制加热管加热。下列关于内胆水温控制子系统工作过程的分析中正确的是(　　)
A
A.温水出口放水对内胆水温有影响,所以温水出口
放水属于干扰因素
B.自来水经热能交换器后以85 ℃流入内胆,所以85 ℃
水温是输入量
C.控制盒发出的指令是控制量
D.加热器通过加热控制内胆的水温,所以加热器是控制器
解析　输入量时设定温度,B项错误;执行器的状态才是输入量,电磁阀的进水量和加热管的状态是控制量,C项错误;控制盒是控制器,加热管是执行器,D项错误。
A.控制方式为闭环控制
B.输入量是设定的路线信号
C.储能电容充电速度是干扰因素
D.执行器是驱动装置
C
解析　该系统的输入量是设定行进路线,控制器为控制电路,执行器为驱动装置,被控对象为小车,灰度传感器为检测装置,负责检测小车实际路线并反馈给控制器,所以是闭环控制。电容充电速度对小车行进路线无影响,不是干扰因素。
7.(2024·12月Z20联考)如图所示为两轮平衡车,其工作过程为:MEMS陀螺仪(内部包含微型加速度计和陀螺仪传感器)测量平衡小车的实时倾斜角度和角速度,微控制器MCU通过内部函数程序,将MEMS陀螺仪输进来的信号与车辆平衡值作比较,调节PWM(脉冲宽度调制)波的占空比(高电平时间、信号周期),从而实时控制电机驱动器的输出,进而控制电机的加速度,实现对平衡车的运动控制,使车身恢复平衡状态。下列关于平衡车平衡控制系统的分析中正确的是(　　)
B
A.该控制系统为开环控制
B.路面的平整度属于控制系统的干扰因素
C.被控量是左、右电机的转动速度
D.控制量是MCU输出的PWM波信号
解析　A该系统是闭环系统,题干叙述的实时倾斜角度和角速度,微控制器MCU通过内部函数程序,将MEMS陀螺仪输进来的信号与车辆平衡值作比较,由此看出是闭环控制系统。B.外部路面的平整程度会影响陀螺仪的(内部包含微型加速度计和陀螺仪传感器)判断,所以是该系统的干扰因素。C.小车的实时倾角和角速度是该系统的输出量。D.控制量是执行器的输出信号,所以是电机驱动器的转动为控制量。
(1)实际使用中发现,天黑有汽车喇叭声时,灯也可能点亮。在该控制系统中汽车喇叭声__________干扰因素(A.属于;B.不属于);
B
1.(2024·6月浙江选考节选)如图所示为教学楼的走廊,小明发现晚上没人时灯也亮着,于是准备制作声光控开关,并用其控制吸顶灯,天黑时检测到一定响度的声音灯就亮,请完成以下任务:
(2)小明准备用人体感应模块替代声音传感器,天黑检测到人体热辐射信号时,灯就点亮。以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是(单选)________。
B
解析　(1)本题是对控制系统干扰因素的考查。控制系统中的干扰因素是指:除了输入量以外,凡是引起被控量(输出量)变化的各种因素都是干扰因素。声控灯在“天黑有汽车喇叭声时”亮灯,这是由于控制系统的输入量的改变而引起的,所以不属于干扰因素,故选B。
(2)本题考查控制系统的方框图,本质是对控制系统工作过程的考查。根据题目情境描述,该控制系统的控制目的是控制灯的亮灭,控制对象是灯,输入是“天黑且有足够响度的声音”,输入决定输出,属于典型的开环控制,其控制方框图如选项B所示。
2.(2024·10月江浙皖高中(县中)发展共同体节选)如图所示的电热水壶具有水沸腾后自动断电、干烧自动断电的功能。小明发现该电热水壶没有保温功能,于是准备改进电路,使水沸腾后自动进入保温状态。请完成以下任务:
以下是小明绘制的具有温度区间控制功能的控制系统方框图,正确的是(单选)________。
D
解析　温度区间控制子系统,被控量是水壶内的实际水温,温度传感器检测水壶内的实际水温并与设定水温进行比较,形成反馈,是闭环控制系统。闭环控制系统中,输入信号一般为设定值,输出为对应实际值。
3.如图所示为小明家的温室大棚。小明通过上网查询了解到瓜果夜晚补光可有效促进瓜果成熟,于是他准备制作一个定时补光控制系统,可通过定时器设定时间,在晚上的固定时间段内控制电子开关自动打开补光灯为植物补光,请完成以下任务:
B
小明准备增加光照传感器对该系统进行改进,白天阴雨天气时,控制电路判断光照过低,可打开补光灯补光,晚上在固定时间段补光,以下小明绘制的控制系统方框图中正确是(单选)________。
解析　从题干可知该控制系统通过设定时间与外界光照来决定补光灯亮度,因此输入量应该为设定时间与光照亮度,故选B。
4.(2025·5月温州三模节选)如图所示是我国某大学自主研制的新型水陆两栖飞行器,能够在空气(如图a)和水(如图b)两种介质中运行。该飞行器搭载水空两用推进单元和舵面倾转机构,可在空中悬停6分钟,在水下巡游约40分钟。请根据题图及其描述完成以下任务:
该飞行器具有定位导航系统,当操作员操作遥控器发出指令后,飞行器即可准确飞行至指定位置。请根据描述,完成控制系统方框图(填写字母,全对得分)。
A.遥控器 B.控制单元 C.马达和旋翼 D.调压装置
答案　①B　②C
解析　直接控制飞行器的装置是马达和旋翼,所以②处选择C;①处需要选择控制器,选项中仅控制单元符合,遥控器参与输入量的设定,不是控制器,所以①处选择B。
5.如图所示的一款康复训练机器人,它具有等速控制、肌肉张力控制等多种训练模式。等速控制模式的工作过程为:先设定好训练速度,将受伤的脚放置侧板上,用足夹固定后启动机器人:电脑根据设定的速度控制马达转动,带动侧板等速运动,以达到主动牵引、拉伸训练的目的。肌肉张力控制模式的工作过程为:肌张力检测仪实时检测训练过程中脚踝肌肉张力变化并传送至电脑,根据变化差值控制马达的转速,来调整侧板速度改变牵引、拉伸的训练强度,保证训练过程中脚踝肌肉张力平稳。请根据题图及描述完成以下任务:
肌肉张力控制系统方框图正确的是(单选)________。
A
解析　根据题干,等张控制模式下,肌张力控制系统为闭环控制系统,控制对象是脚踝的肌肉。因此A选项正确。
6.(2024·11月台州一模节选)小明发现办公场所的饮水机需要使用者手动操作停止出水,容易造成水满溢出烫伤。针对该饮水机的不足,小明设计了一款装置,工作示意图如图a所示,根据用户预设的水温和水量出水,当杯内达到设定水量时自动停止出水,安装在出水管中的霍尔流量计,把通过叶轮转动产生的信号转化为具体的流量值传递给单片机进行控制。请完成以下任务:
(1)下列选项为小明设计的饮水机出水管定量出水控制系统的方框图,其中合理的是(单选)________。
D
D
解析　(1)该系统是出水管定量出水控制系统,由此可知:①该系统是闭环控制;②该系统的被控对象是出水管;③该系统的输出量是实际出水量,所以选项A、B、C均错误,本小题选择D。(2)用于检测水杯位置移动,可以用位移传感器,气敏、热敏和湿敏均不合适,本小题选择D。
7.如图所示是小明设计的小鸡孵化泡沫箱。系统正常运行时,当温度低于设定值37.8℃时,加热丝加热;当温度高于设定值37.8℃时,加热丝停止加热,使泡沫箱内水床的温度保持在合理的范围之内。
以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是(单选)________。
解析　该系统属于水床的恒温控制系统,属于闭环控制,故选C。
C
8.(2024·11月9＋1联盟节选)小明在通用技术实践课上利用Arduino UNO开发板设计制作了智能感应灭火控制系统。当火焰传感器感应到火焰时,控制电路驱动电动机运转,风扇出风,吹灭火源。请根据题图及其描述完成以下任务:
以下是小明绘制的智能感应灭火控制系统的方框图,其中正确的是(单选)______。
A
解析　由题干“当火焰传感器感应到火焰时,控制电路驱动电动机运转,风扇出风,吹灭火源”可知,该控制系统的输入量为火焰特征信号,输出量为风扇出风,该控制系统的控制方式为开环控制,本小题仅选项A符合要求。
9.(2024·11月湖丽衢节选)小明发现在用电烙铁焊接元器件时会产生烟雾,于是他准备设计一个放置在桌面上使用的小型排烟装置。请完成以下任务:
小明设想当电烙铁离开烙铁架时,排烟装置自动启动。他选择合适的传感器安装在烙铁架上,并绘制了控制系统的方框图,其中最合理的是(单选)________。
A
解析　该控制系统的输入量是电烙铁离开烙铁架信息,输出量是排烟装置自动启动,它是开环控制,排除选项CD;电烙铁离开烙铁架信息可以用压力传感器获得,而人体热辐射信号不能准确判定电烙铁是否离开烙铁架,所以选项A正确,选项B不正确,本小题选择A。
10.(2024·11月宁波一模节选)如图所示是发球机的储球机构。旋转电机受单片机控制,一旦在3秒内光电传感器未检测到羽毛球,系统就认为该球筒内的球发射完毕,旋转电机会旋转个圆周以实现球筒更换,直到累计旋转一周所有羽毛球发射后,发球任务终止。请完成以下任务:
以下是球筒旋转控制子系统的系统控制方框图,其中正确的是(单选)______。
A
解析　由题干可知,球筒旋转控制子系统的输入量是光电传感器检测到羽毛球的信息,输出量是球筒旋转,它的工作方式是开环控制,排除选项C和选项D;由输入量可知,选项A正确,选项B错误,本小题选择选项A。

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