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第四单元 控制及其设计
第5节　控制系统的设计与实施
（1）明确控制的目的。
（2）分析被控对象的主要特性。
（3）控制系统的方案选择：根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。
（4）确定被控量和控制量（控制方案的关键）：对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为___________，控制量应选择可控制的，对抑制____________和保持系统稳定有明显作用的量。
被控量
干扰因素
（5）分析主要的干扰因素：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。
（6）控制系统的调试、运行和评价。
（7）控制系统的成本分析。
（8）实施控制系统所需的设备、元器件等：执行器、检测器的选择，一是要根据__________和__________的需求，二是要根据控制的条件进行。
（9）控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书等。
被控量　
控制量
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。
（1）一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
（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量之差应控制在允许范围之内。
（3）闭环控制系统应有较好的____________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。
抗干扰
D　
例1　D　为听觉障碍者的住所设计门铃控制系统，以灯作为门铃提醒听觉障碍者，当有人来时灯亮提醒，控制过程无须反馈，应为开环控制系统。
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，下列构思中不可行的是 （　　）
A.该控制系统可选用自动控制
B.执行器可选用电子开关
C.声音传感器可做检测部件
D.该控制系统可选用闭环控制
···
[2022浙江学考]在校园农业劳动实践中，同学们为植物栽培设计了一个营养液循环控制系统（图a所示为系统框图模型，图b为控制系统示意图），该系统包括微控制器、环境感知部分、调节部分等。温度传感器、液位传感器、pH传感器和流速计均安装在栽培槽中。根据微控制器指令，加热器与制冷器、蠕动泵、水泵联合调节栽培槽中营养液的温度、pH、液位和流速。下列关于该营养液循环控制系统的说法中合理的是 （　　）
A.流速控制子系统的执行器可以使用流速计
B.栽培槽中营养液的pH控制子系统可以采用闭环控制
C.为提高温度控制效率，配液箱越大越好
D.为提高pH控制精度，pH传感器应安装在酸碱液箱中
B　
例2　B　A项，流速计是检测装置，不能作为执行器；B项，栽培槽中营养液的pH控制子系统的目的是使pH维持在合适的数值，即输入量是设定的pH，输出量是实际pH，系统需要通过pH传感器检测反馈，应采用闭环控制系统；C项，配液箱需要考虑系统的相关性，考虑和其他部分匹配，过大是一种浪费；D项，pH传感器用于检测栽培槽的pH，应安装在栽培槽中。
下图所示为一款新颖的代步工具电动平衡车，采用电力驱动，具有自我平衡能力，短途代步非常方便。目前电动平衡车主要通过伺服控制器、传感器、电机三大部分组成。平衡车平衡控制系统的工作原理被称为动态平衡原理，采用运动补偿算法，利用其内部的陀螺仪和加速度传感器，来精确检测车体姿态的微小变化，并利用精密的伺服控制系统，灵敏地驱动电机，进行相应调整，以保持整个车体的稳定和平衡。此外，电动平衡车还具有自动断电控制系统，当人摔倒或者不在平衡车上时，平衡车能自动断电，保持电量。从控制系统的角度分析，下列说法中恰当的是（ ）　
A.电动平衡车的平衡控制系统和自动断电控制系统都是开环控制系统
B.设计生产电动平衡车自动断电功能时，选用红外传感器最合适
C.电动车平衡控制系统的控制器是伺服控制器，被控对象是电机
D.凹凸不平的路面是平衡控制系统的干扰因素
D　
例3　D　A 项，电动平衡车的平衡控制系统是闭环控制系统；B 项，设计自动断电功能时，选用力敏传感器最合适；C 项，平衡控制系统的被控对象是平衡车车体。
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。由于丝杆传动的误差和滑台移动时的摩擦，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 （　　）
D　
例4　D　A项，高精度电机、开环控制等方法没有克服滑台移动时的摩擦造成的误差；B项，换用高精度传感器提高了检测精度，但仍没有消除误差，只能对误差进行更精准的了解；C项，检测丝杆的转动角度，没有消除因滑台移动时的摩擦造成的位置误差；D项，滑台上安装传感器，检测滑台位置，检测到的数据再次传给控制装置，控制装置输出信号给驱动器重新驱动电机修正滑台位置，比较合理。
右图所示是板带材轧制过程中的厚度控制系统。通过测厚仪对板带材实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变轧棍的位置、张力或轧制速度，把板带材厚度控制在允许偏差范围之内。下列关于板带材轧制厚度控制系统的分析中正确的是 （　　）
A.输入量是板带材
B.输出量是轧辊的位置、张力或轧制速度
C.当板带材厚度出现偏差时，测厚仪与轧辊之间
的距离L越大，控制系统调整越及时
D.使用一段时间后，轧辊略微磨损，不会影响控制
系统的精度
D　
例5　D　A项，由题意可知该控制系统工作过程中存在反馈，属于闭环控制，因此输入量为设定的板带材厚度；B项，输出量为实际板带材厚度；C项，若测厚仪与轧辊之间的距离L越大，则测厚仪检测到偏差的时间就越长，控制系统调整越不及时；D项，该系统存在反馈，故虽然轧辊有磨损，但是系统会通过反馈回路及时调整板带材厚度，使其维持在设定的板带材厚度，不会影响控制系统的精度。
下图所示为超声波加湿器工作原理简图。超声波加湿控制模块产生每秒200万次的超声波高频振荡，利用雾化片的超频谐振将水珠雾化为1 微米~5 微米的超微粒子，在风机的作用下使之产生悬浮的水雾，从而达到湿润空气的效果。为了使室内的空气湿度能够自动准确地控制在设定值，下列控制方案中合理的是（　　）
A.当人体感受到室内空气湿度合适时，人工将
加湿器关闭
B.当水汽汽化腔中的水位降到一定值时，自动
将加湿器关闭
C.采用定时器设定加湿周期，让加湿器周期性自动工作
D.采用湿度传感器检测室内实际湿度，自动控制加湿器的开和关
D　
例6　D　根据题目要求要想使空气湿度自动地控制在设定值，需要设计成闭环控制，则要求能够检测空气的湿度，并与设定值进行比较，再通过执行器自动控制是否加湿。
下图是一款可伸缩的防雨晾衣装置示意图。晾衣时按动开关，电机带动滑轮转动，将晾衣杆连同衣物移到室外，下雨时，传感器检测到信号后，电机带动滑轮反向转动，将晾衣杆和衣物收回室内。请根据示意图和描述，完成以下任务：
（1）该装置的防雨控制属于________（单选，填字母）；
A.手动控制 B.自动控制
B　
（2）该系统中的传感器可选用_________（单选，填字母）；
A.热敏传感器 B.光敏传感器 C.湿敏传感器
（3）该系统的执行器是_________（单选，填字母）；
A.晾衣杆 B.电机 C.开关
C　
B　
（4）为了实现傍晚时能将衣物收回室内，对该系统优化的有效措施是_______（多选，填字母）；
A.提高传感器的灵敏度
B.增加温度检测及对应的控制子系统
C.增加光线检测及对应的控制子系统
D.增加定时控制子系统
CD　
（5）下列因素中，不属于影响本系统优化的因素是________（单选，填字母）。
A.传感器的灵敏度
B.控制系统的精度和可靠性
C.系统的制造和使用成本
D.环境温度、湿度和光线的变化
···
D　
下图所示为钢制滚柱自动分选控制系统，其工作过程：PLC控制气缸使推杆运动，推动滚柱至测量位置，传感器测量头下移压住滚柱进行直径测量；PLC根据测定的直径值控制相应容器的电磁翻板开启，并使限位挡板下移，推杆推动滚柱落入容器中。请根据示意图和描述，完成以下任务：
（1）该系统的控制属于________（单选，填字母）；
A.开环控制
B.闭环控制
（2）系统设计时，需要对气缸、电磁翻板等的工作参数进行计算和反复调试，体现了系统分析的________（单选，填字母）；
A.整体性原则
B.科学性原则
C.综合性原则
A　
B　
（3）下列不属于该控制系统干扰因素的是_________（单选，填字母）；
A.滚柱直径的变化
B.测量头的磨损
C.PLC输出信号异常
A　
···
（4）小明设计了四种结构的电磁翻板盖，其中合理的是_________（单选，填字母）；
C　
（5）为防止电磁翻板盖生锈，下列表面处理方法中合理的是_________（单选，填字母）。
A.锉削
B.电镀
C.砂纸打磨
B　
1．小明同学想要设计一款智能风扇控制系统，提出的功能设计要求是当人远离风扇时，风扇能够自动断电关闭，反之则能启动；当人在风扇周围时，人走到某一位置，风扇也能够朝相应方向吹风。下列是小明同学的构思，其中不恰当的是 (　　)
A．智能风扇设计时，应分成自动开关子系统和自动跟踪子系统
B．在设计自动跟踪子系统时，该子系统可以设计成闭环控制系统
C．在设计自动开关子系统时，可以采用电子开关作为执行器
D．智能风扇控制系统只需要检测人，则该系统只需红外线传感器
D
2．小明坐地铁时经常会碰到有的车厢比较空，而有些车厢比较拥挤的情况。于是他想设计一种可以显示地铁车厢拥挤程度的系统，用来引导乘客向空位较多的车厢移动，使每节车厢的乘客数保持基本持平。关于该系统，下列构思中最合理的是 (　　)
A．该控制系统可选用闭环控制
B．被控对象可以选用大屏幕，安装在售票窗口，通过不同颜色的显示来表达每节车厢的拥挤程度
C．列车到站，屏蔽门打开，车厢内的检测系统开始工作；列车准备离开，屏蔽门关闭，检测系统上传数据到终端处理后在下一站点的显示装置上更新信息
D．检测元件可选用热敏传感器，利用人体体温和周边环境的温度差进行精确的检测
C
3.［2023 浙江学考］下图所示是某杂粮自动定量包装系统示意图。系统工作过程如下：加料时，传感器获取称料斗中的料量信息，并传送给控制器，与设定料量比较，当称料斗中的实际料量达到设定料量时，进料阀关闭；接着，装料机构完成装袋，装有杂粮的包装袋由传送带送至封口机构，完成封口。下列关于称量控制子系统的方框图中正确的是 (　　)
C
4．下图所示是一款智能车铃，用户可以录制自己的声音作为铃声播放，还能礼貌地向行人致歉。它拥有自动音量控制技术，当使用者按下按钮，系统根据检测到的环境噪声强度自动调节铃声的播放响度，以保证行人可以清楚地听见。它还具备防盗功能，一旦车铃离开自行车把手，就会鸣叫报警。下列关于该车铃的自动音量控制子系统的说法中正确的是 (　　)
A．被控对象是铃声
B．环境噪声为干扰因素
C．检测装置参与了系统的反馈过程
D．该系统为开环控制系统
D
4．D　该车铃的自动音量控制子系统中，输入量是环境噪音，被控对象是车铃，输出量是铃声的响度；该系统虽然有检测装置，但检测的是输入量，没有参与反馈，故该系统为开环控制系统。
5．下图所示是大门开关自动控制系统。其工作原理是当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生一个偏差电压信号，经放大器放大后驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起，同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，使桥式测量电路重新达到平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之同理，当合上关门开关时，伺服电动机反转，带动绞盘转动使大门关闭。关于该控制系统，下列说法中不正确的是 (　　)
A．被控对象是大门
B．输出量是大门的开或关
C．该控制系统是闭环控制系统
D．控制量是伺服电动机的转向
C
5．C　该控制系统是通过开关控制门的开闭，输出量不对输入量产生影响，属于开环控制系统。
6．下图是一款疲劳驾驶提醒控制系统的示意图。其工作过程:摄像头摄取驾驶人员的人脸状态信息，通过控制中心与预设的疲劳状态的人脸特征比对，确定驾驶人员处于疲劳驾驶时通过继电器控制声音震动提醒装置，发出声音和震动。下列关于该控制系统的分析中正确的是 (　　)
A．被控对象是人 B．输入量是设定的疲劳状态人脸信息
C．控制量是声音和震动 D．执行器是继电器
D
6．D　根据题意，该控制系统工作过程中不存在反馈，是开环控制。被控制对象是声音震动提醒装置；输入量是摄取的驾驶人员人脸状态信息；执行器是继电器；控制量是继电器的控制信号。
7．洗地机系统内包含喷水子系统和恒压刮挤子系统。喷水子系统的工作过程是：红外线浊度传感器实时感应地面脏污情况，单片机根据脏污情况实时对喷头的喷水量进
行精准控制，若污渍少，则喷水少，若污渍严重，则喷水多；恒压刮挤子系统的工作过程是：压力传感器实时检测挤水条和滚刷之间的压力，当压力减少时，单片机控制电机，使挤水条上移，以保证刮挤的压力恒定，自始至终深度挤压滚刷。下列关于以上两个子系统控制分析中不恰当的是 (　　)
A. 两个传感器检测的信号不一样
B. 单片机是两个控制系统的控制器
C. 喷水子系统和恒压刮挤子系统的被控对
象分别是喷头和挤水条
D. 喷头堵塞是恒压刮挤子系统的干扰因素
D
7．D　喷头堵塞不会影响恒压刮挤子系统。
8．要设计水箱水位的闭环控制系统，如图所示的器材中，适合用作检测装置的是 （　　）
D
9.［2023 浙江选考］如图所示的装配系统，包含工件输送子系统和机械手装配子系统，其工作过程：工件A 整齐排列在传送带Ⅰ上，当位置检测传感器检测到工件A 时，传送带Ⅰ暂停；工件B 放置在传送带Ⅱ上，当工件B 进入相机的拍摄范围时，传送带Ⅱ暂停；相机拍摄工件B 的图像并传送到工控机，工控机根据工件B 相对于基准位置的偏差确定工件B 的坐标，控制机械手抓取工件A 并装配到工件B 上。下列关于机械手装配子系统控制的分析中合理的是 (　　)
A. 装配速度是该装配子系统的被控量
B. 基准位置的调整是工件装配的干扰因素
C. 相机拍摄的工件B 的图像信息是输入量
D. 把工件A 装配到工件B 的过程采用了闭
环控制方式
C
10．下图所示为高位水池自动供水系统示意图，其工作过程为：通过在低位泵房和高位水池分别安装测控终端，监控中心根据高位水池液位，联动控制泵站的泵阀启停，当水位达到设定值时停止供水。减少了人力投入，供水精准高效。下列关于高位水池自动供水系统工作过程的分析中正确的是 (　　)
A. 监控中心根据高位水池液位，联动控制泵站的泵阀启
停，所以泵阀是被控对象
B. 为了提高控制精度，可以将该系统设计成开环控制系统
C. 监控中心是该控制系统的控制部分，所以其发出的信号
是控制量
D. 供水水压保持稳定，水管密封性要好，所以水管密封性不好属于干扰因素
D
11．下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
A
11．A　对于该即热式饮水机电加热器控制系统的设计，较为理想的控制目的应为在出水龙头取水时，电加热器迅速将煮水箱中的水加热至100 ℃，保证出水龙头处获得持续稳定的热水，且作为即热式饮水机应具有良好的节能特性，不取用水时不加热。故选用开环控制，控制系统应检测水龙头取水信号(输入量)。B、C、D项会造成能源浪费或供水不连续。
（1）小明完成模型的制作后进行了测试，他接下来需要做的是　　　　（单选，填字母）；
A. 收集信息
B. 方案构思
C. 方案评价
D. 绘制技术图样
12．在磨制谷物粉时，谷物从料斗进入，经传送装置送至磨粉机。谷物湿度会影响出粉量，小明设计制作了全自动谷物湿度控制装置（如图所示）。湿度传感器检测谷物湿度，当湿度低于设定值时，调节器控制电磁阀往谷物中加水，直至达到设定湿度。当储水箱水位传感器检测到水位低于设定值时，调节器控制电控阀门向储水箱注水，直至达到设定水位。请根据题图及其描述完成以下任务：
C
（2）以下关于A、B 处的连接正确的是　　　　（单选，填字母）；
A. A 处接料斗，B 处接磨粉机
B. A 处接磨粉机，B 处接料斗
（3）小明在设计该系统时，进行了以下分析，其中恰当的是　　　　（单选，填字母）；
A. 储水箱水位控制子系统与谷物湿度控制子系统相互独立，互不影响
B. 为了提高储水箱补水的速度，应去掉闸阀
C. 选择电控阀门和电磁阀时，需要考虑调节器的驱动能力
D. 储水箱水位控制子系统与谷物湿度控制系统共用一个执行器
A
C
（4）请根据题图及其描述填写谷物湿度控制子系统方框图（填写文字）。
调节器
电磁阀
谷物
湿度传感器

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