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第四单元 控制及其设计
第3节　闭环控制系统的工作过程
（1）闭环控制系统的概念：系统的输出端返回到___________，并对控制过程产生影响的控制系统。
（2）简单闭环控制系统方框图：
输入端
给定量
检测装置
（3）闭环控制系统的基本组成：
①给定量：即输入量。
②比较器（ ）：将给定量与所检测的被控量进行_________，求出偏差值。
③控制器：将比较器求出的偏差值进行运算处理，并向执行器下达下达控制指令。
④执行器：根据指令对__________进行控制，从而使被控量稳定在给定的范围内。
⑤被控量：即输出量。
⑥检测装置：测量出__________并返回到系统的输入端。
比较
被控对象
被控量　
（4）闭环控制系统的工作过程：检测出被控量并返回到系统的_________；比较器将给定量与检测装置所检测到的___________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____________进行控制，从而使被控量稳定在给定的范围内。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____________。
输入端
被控量
被控对象
反馈通道
（5）闭环控制系统的特征：
①系统的输出量与输入端信号之间存在一个回路——反馈回路。
②不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要输出量偏离预定目标，就会产生相应的控制作用去消除偏差。闭环控制系统具有______________的能力。
抑制干扰
（1）反馈的概念：在自动控制系统中，将_________通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。
（2）反馈的作用：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。在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
（3）注意：反馈只存在于______________系统中，开环控制系统没有反馈。
输出量
闭环控制
（1）传感器的概念：传感器是一种____________，能检测到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
（2）传感器的特点：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。
检测装置
（1）在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起__________变化变化的各种因素都可以视为干扰因素。
（2）在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。有的干扰因素是环境造成的，如冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电；有的干扰因素是人为原因所致，如当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中等。
（3）对于大多数控制系统，在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。但在生产生活中，我们需要以慎重、严谨的态度对待干扰因素。
被控量
（1）开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。受到干扰时，系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工。
（2）开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统 。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。
（3）在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用_________控制系统。
低
闭环
（1）黑箱方法：把将要研究的系统作为“黑箱”，通过对系统系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统____________及其功能的方法。
（2）黑箱方法的作用：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。
内部结构
根据示意图及工作过程的描述，下列属于闭环控制的是 （　　）
B　
例1　B　A项，当超声波检测到距离较小时，蜂鸣器工作，此过程中无反馈，为开环控制系统；B项，当油量达到设定值时，关闭电磁阀，该系统需对当前的控制结果（油量）进行实时检测，存在反馈，是闭环控制系统；C项，烟雾传感器检测的烟雾浓度为输入量，该系统为开环控制系统；D项，传感器检测红外线的信号强度，检测的是输入量，为开环控制系统。
下图所示为某造纸厂采用的纸张厚度自动控制系统。其工作原理：β射线穿过纸后被另一侧β射线接收器接收，如果纸偏厚或偏薄，穿过纸以后的β射线就会变化，控制器根据接收到的变化发出指令，控制轧机中轧辊调整装置来调整轧辊之间的间隙，使纸张达到要求的厚度。该控制系统中，输入量是 （　　）
A.轧辊之间的间隙
B.输入纸浆的厚度
C.加工出来的纸张厚度
D.设定的纸张厚度
D　
例2　D　由题意可知，纸张厚度自动控制系统的目的是控制纸张达到要求的厚度，控制过程中存在反馈，是闭环控制。因此输入量应为设定的纸张厚度。
下图所示为电冰箱温度控制系统，当电冰箱内的温度上升时，感温包里面的气体膨胀，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　
例3　D　由题意可知，温度控制系统存在反馈，应为闭环控制系统；检测装置为感温包和传动盒，输出量应为实际温度，输入量为设定温度。
下图所示为空气压缩机，当储气罐内的压缩空气排放到一定程度时，压力开关自动接通电源，电机带动气泵运转，向储气罐补充压缩空气，使储气罐内的气压保持在设定范围内。下列关于该压缩机的气压控制系统分析中，正确的是（　　）
A.该系统属于开环控制系统
B.输入量是电能
C.控制量是气泵输出的空气流量
D.输出量是储气罐内的压缩空气
C　
例4　C　该控制系统控制的目的是使储气罐的气压保持在设定范围内，检测装置检测的是输出量，该控制系统为闭环控制系统；输入量是设定气压，执行器是气泵，控制量是气泵的空气流量，输出量是储气罐内的实际气压。
下图所示为自动跟踪太阳灶，其工作原理：光敏跟踪装置检测到太阳灶未对准太阳时，把信号传给控制模块，启动伺服电机转动太阳灶，保证太阳灶始终对准太阳，以获得最大的能量。下列关于该控制系统的说法中，不正确的是（　　）
A.检测装置是光敏跟踪装置
B.该系统属于闭环控制系统
C.控制量是伺服电机的转速
D.输入量是太阳灶实际对向太阳的方向
···
D　
例5　D　由题意可知，该控制系统存在反馈，是闭环控制系统；输入量是设定的太阳灶对向太阳的方向，检测装置是光敏跟踪装置，控制器是控制模块，执行器是伺服电机，控制量是伺服电机的转速，被控对象是太阳灶，被控量是太阳灶实际对向太阳的方向。
下图是某炉温控制系统的示意图，其工作过程：热电偶检测加热炉内温度，PLC将检测到的温度与设定值进行比较，如果与设定值不符，则通过电动机调节阀门大小控制煤气进量，从而控制加热炉内温度，直至与设定值相符。下列关于该炉温控制系统的说法中正确的是 （　　）
A.输入量是热电偶测得的温度
B.该系统属于开环控制系统
C.被控量是炉内实际温度
D.被控对象是阀门
C　
例6　C　由题意可知，该系统存在反馈装置，属于闭环控制系统。该炉温控制系统的输入量是炉内设定温度，被控对象是加热炉，被控量是炉内实际温度。
［2024浙江学考］下图所示是某油料自动定量灌装系统示意图。其中油料定量控制子系统的工作过程如下：灌装油料时，流量变送器将检测到的油料体积信号传送至计量控制器，计量控制器根据收到的信号同步算出灌装量，当实际灌装量达到设定值时，气动球阀关闭。在油料定量控制子系统中，油料作为被控对象，下列分析中不正确的是（　　）
A.流量变送器检测输入量
B.计量控制器的输出信号不是控制量
C.气动球阀是执行器
D.温度变化会引起油料密度改变，属
于干扰因素
···
A　
例7　A　根据题意可知，该系统的输入量是设定的油料量，输出量为实际的油料量，为闭环控制系统。流量变送器检测的是输出量。
下图所示是一种注塑机系统示意图。注塑机中液压控制子系统的工作过程：根据注塑工艺要求，在控制面板上输入所需的注塑压力值，由压力变送器检测当前液压机体内压力值，伺服控制器将检测所得的压力数值与设定压力值进行对比，计算并控制伺服电机的转速与转矩，带动液压泵运转，使液压机体内的压力值和注塑所需压力值保持一致。下列关于液压控制子系统的分析中，恰当的是（　　）
A.控制器是控制面板
B.控制量是液压机体内的压力值
C.输出量是液压泵的转速
D.反馈信号是压力变送器测得的压力值
D　
例8　D　分析控制过程可知，液压控制子系统的目的是控制液压机体内的压力值，控制过程存在反馈，是闭环控制。A 项，控制器是伺服控制器，控制面板是设定输入量的装置；B 项，控制量是执行器的输出信号，液压机体内的压力值是被控量；C 项，液压泵的转速是控制量。
下图是一种全自动称重系统控制示意图，又叫全自动配料机，系统由主机、风机、配料称重器、配料箱、电子开关、PLC等部分组成。其工作过程：将不同产品的一种或多种物料放入配料箱中，通过主机设定好配方规定的重量配比，PLC根据程序发出指令使电子开关闭合，带动风机启动，往配料平台上输入相应配料，配料称重器能实时检测相应的配料量，从而实现自动定量配料。下列关于该控制系统的分析中正确的是 （　　）
A.该系统的输出量不对控制过程产生影响
B.配料称重器检测相应的配料量作为输入量
C. PLC信号异常属于控制系统的干扰因素
D.风机是该控制系统的被控对象
C　
例9　C　由题意可知，该系统存在反馈，为恒定输出类闭环控制系统。A项，闭环控制系统的输出量会对控制过程产生影响；B项，配料称重器检测相应的配料量，检测的是被控量，输入量为设定的配料量；C项，PLC信号异常会影响全自动配料机的配料，且不属于输入量，属于系统的干扰因素；D项，风机是该控制系统的执行器。
下图是浇铸机结晶器钢水液位控制系统示意图。浇铸时，中间包连续向结晶器浇注钢水，钢水在结晶器内冷却结晶后被拉坯装置拉出形成钢坯。结晶器内钢水液位的稳定和高低，直接影响钢坯的质量和产量。钢水液位波动引起电涡流传感器与液面之间的间隙产生变化，从而引起电涡流信号变化，液位仪根据信号的大小计算出实际液位，送给PLC与液位设定值比较，PLC根据比较差值通过驱动器控制电动缸运动，带动塞棒升高或降低，改变中间包浇注口的大小，调节流入结晶器内钢水的流量，从而使液位稳定在一定范围内。该控制系统中对结晶器钢水液位控制精度没有影响的是 （　　）
A.液位设定值
B.液位仪的性能
C.电动缸的运动精度
D.电涡流传感器的灵敏度
··
A　
例10　A　液位设定值是控制系统的输入量，对控制精度不产生影响。
下图所示是一款宠物自动喂水机，宠物靠近时，阀门自动打开，离开后自动关闭。该控制系统宜采用的传感器是 （　　）
A.红外传感器
B.压敏传感器
C.湿敏传感器
D.声敏传感器
A　
例11　A　当宠物靠近时，阀门自动打开，宠物离开后阀门自动关闭，需要用红外传感器检测。
下列医疗诊断方法中不属于黑箱方法的是 （　　）
A.中医把脉
B.口腔检查
C.听诊器诊断
D.脑电波检查
···
B　
例12　B　黑箱方法是指一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法，A、C、D项都属于黑箱方法；B项是对口腔的直接检查，不属于黑箱方法。
1．下图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。电机控制子系统的执行器是 (　　)
A．驱动器 B．控制装置
C．电机 D．丝杆
A
1．A　电机控制子系统的被控对象是电机，根据题中所述，驱动器驱动电机转动，因此驱动器是执行器。
2．下图是中央空调内部简易结构示意图，内置温度控制子系统和空气质量调节子系统。其温度控制子系统的工作原理：当温度传感器检测到室温与设定值不一致时，温度控制器控制电动调节阀，将热风或冷风通过风机，由风门送入房间，实现温度调节。室内温度控制子系统的被控对象是 (　　)
A．风门
B．电动调节阀
C．房间
D．风机
C
2．C　将房间的温度通过检测装置反馈到输入端，当与设定温度不一致时，控制电动调节阀和风机工作，实现房间内的温度稳定，该控制为闭环控制。输入量为设定温度，输出量为房间实际温度，被控对象为房间，执行器为风门和调节阀。
3．风力发电机运行时风轮对准风向才能获得最大风能。下图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
A
3．A　分析题意可知，该系统存在反馈，为闭环控制系统。被控对象是风轮，执行器是偏航电机，控制器是迎风控制装置，输入量是风轮对准风向，输出量是风轮的实际角度，反馈装置是风向测定装置。
4．下图是居民楼的储水供水控制系统原理图，当检测装置检测到水塔中的水位低于设定水位时，控制器控制水泵运转，使水塔的水位升高到设定水位。该控制系统的方框图是 (　　)
C
4．C　根据题意，水泵是否运转，要看水塔中的水位是否低于设定水位，故水塔是被控对象，水泵是执行器，该控制系统存在反馈环节，属于闭环控制系统，输入量为设定水位，输出量为实际水位。
5．下图是水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，温度测量元件把测得的水温传输给温度控制器，温度控制器通过控制蒸汽阀门调节蒸汽流量，从而获得所需温度的热水。根据控制原理示意图及其描述，在控制方框图中“　　　　”处填写相应的内容。
温度控制器
蒸汽阀门
蒸汽流量
实际水温
下图是消防管网的水压控制系统工作示意图。当消防管网压力降至压力下限时，水泵启动，使压力上升；当消防管网压力达到上限时，水泵停止运行，使消防管网压力保持在设定的范围内。请完成第6—7题。
6．该控制系统的执行器是 (　　)
A．水压检测装置
B．电控单元
C．压力罐
D．水泵
D
6．D　根据题干描述可知，该系统的被控对象是消防管网，输入量是设定的水压，输出量是实际水压，执行器是水泵，是能对消防管网的实际水压产生影响的装置。
7．电压、温度等的变化会影响输出量的稳定，这些影响被称为该控制系统的 (　　)
A．反馈
B．干扰
C．被控量
D．控制量
B
7．B　电压、温度的变化是除输入量以外，引起被控量变化的因素，属于干扰因素。
8．打开房间窗户属于空调房间温度自动控制系统的干扰因素，是由于 (　　)
A．打开房间窗户会引起房间设定温度的变化
B．打开房间窗户会引起房间实际温度的变化
C．打开房间窗户会损坏空调，带来安全隐患
D．打开房间窗户会使压缩机工作，增加能耗
B
8．B　干扰因素是指除输入量以外，引起被控量变化的各种因素，房间实际温度的变化会引起空调输出量的变化。
9．下图所示是香梨分级自动控制系统。摄像头获取香梨的图像信息，经解码处理后发送给ARM 控制系统。ARM 控制系统根据各种算法，对香梨图像进行增强等处理，然后根据检测结果并按照香梨颜色、瑕疵和直径等参数进行分选识别，确定各个香梨的级别。最后，将分级结果发送给分级执行机构，由分级装置实现分级。下列关于该控制系统的分析，对香梨分级的准确率没有影响的是 (　　)
A. 光源的稳定性
B. 不同参数的识别顺序
C. ARM 控制器的运算精度
D. 分级装置的灵敏度
B
9．B　不同参数的识别顺序不影响香梨的分级。
10．下图是某水温控制系统示意图。蒸气对容器中的水加热后变成冷凝水排出。热电偶对出水的温度进行检测，并将测得的信号送到PID控制器与设定的温度比较，PID控制器根据偏差值控制电磁阀调节蒸气的流量。下列因素的变化对蒸气流量的调节没有影响的是 (　　)
A．冷凝水的温度
B．进水的温度
C．热电偶的性能
D．PID控制器的设定参数
A
10．A　该系统输入量是设定温度，输出量是实际温度，有反馈信息，是一个闭环控制系统。冷凝水的温度是系统内部的变化量，不影响系统的运转。
11．下列医疗技术中不属于黑箱方法的是 (　　)
B
11．B　黑箱方法是一种不需要打开系统研究其内部结构和功能的方法，B 项切片检查是对内部结构的研究，不属于黑箱方法。
下图是一加热炉的恒温自动控制示意图，请完成第12—13题。
12．根据示意图，热电偶属于该控制系统中的 (　　)
A．检测装置 B．显示装置 C．被控对象 D．执行器
A
12．A　可通过排除法来做，控制系统中不存在显示装置，可先排除B项；加热炉的恒温自动控制系统的被控对象应为加热炉，执行器为加热器，故热电偶应为检测装置。
13．下列关于该控制系统说法正确的是 (　　)
A．该控制系统是开环控制系统
B．加热器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
D
13．D　A项，根据该控制系统的名称“恒温自动控制”，并结合示意图可知，该控制系统为闭环控制系统；B项，加热器是执行器，起检测温度并反馈作用的是检测装置即热电偶；C项，调低设定温度是调整该控制系统的输入量，不属于干扰因素。
14．下图所示是一种玻璃塑形的吹气压力自动控制系统。PLC 根据压力传感器的测量值与设定值的比较，通过电动针阀同时调节进气流量和排气流量，使得腔体内的压力快速达到动态平衡。设定值可以是一个不随时间变化的压力恒定值，也可以是根据玻璃吹塑工艺要求设计出来的压力随时间变化的曲线，以此来满足不同压力要求。下列关于恒压腔体控制系统工作过程的分析中正确的是 (　　)
A. 玻璃制品是被控对象
B. 压力传感器检测的是输入量
C. 根据玻璃吹塑工艺要求设计出来的不同压力
要求，属于干扰因素
D. 控制量是进气流量和排气流量
D
14．D　分析恒压腔体控制系统的工作过程可知，控制目的是保持腔体内的压力恒定，存在反馈，是闭环控制系统。被控对象是恒压腔体，输入量是设定压力，输出量是实际压力，控制器是PLC，执行器是电动针阀，检测装置是压力传感器，检测装置检测的是输出量。根据玻璃吹塑工艺要求设计出来的不同压力要求，即设定压力的修改，属于是输入量的改变，不属于干扰因素。
下图是纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理:控制器将传感器检测到的配浆浓度与设定值相比较，根据偏差值控制电动调节阀调节清水流量，从而使配浆浓度达到设定值。请完成第15—17题。
15．该控制系统的传感器应该选用 (　　)
A．浓度传感器 B．流量传感器 C．压力传感器 D．温度传感器
A
16．在该控制系统工作原理示意图中，不直接参与浓度自动控制的部件是(　　)
A．电动调节阀
B．控制器
C．传感器
D．手动取样阀
D
17．该控制系统的输入量及输出量分别是 (　　)
A．清水流量；配浆流量
B．原浆浓度；配浆浓度
C．纸浆浓度的设定值；实际配浆浓度
D．取样检测浓度；配浆浓度设定值
C
18．下图所示为某工作台位置控制系统。当指令电位器接收到工作台位置控制指令，在控制模块处与反馈信号进行比较，工作台未处于指定位置，电液伺服阀打开，液压缸产生压力差控制工作台移动。反馈电位器检测到工作台到达指令位置，电液伺服阀和液压缸停止工作。下列关于该工作台位置控制系统分析中，不恰当的是 (　　)
A．该控制系统为闭环控制系统
B．执行器为电液伺服阀和液压缸
C．被控量是工作台的实际位置
D．位置指令的变化为该控制系统的干扰因素
D
19．[2026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较，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
A
分析控制过程可知，工件定位控制子系统的目的是控制工件停留在设定位置，控制过程存在反馈，是闭环控制系统，输入量是设定工件位置，输出量是实际工件位置，检测装置是位置传感器，控制器是位置控制器，执行器是传送机构，被控对象是工件。刀具和通用机床控制电路不是该子系统中的要素。

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