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第四章　控制与设计
[考试标准]
考试内容
考试要求
考试属性
已考点
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
未考
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
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b
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c
必考＋加试
2015年10月选考(第10、14题)
2016年4月选考(第10、14题)
2016年10月选考(第10、14题)
2017年4月选考(第9、10题)
2017年11月选考(第10题)
2018年4月选考(第10题)
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
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c
b
b
a
必考＋加试
未考
控制系统的设计与实施
c
必考＋加试
未考
控制系统方案的设计
一、控制的手段与应用
1.控制的含义
(1)含义：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，这就是控制。
(2)构成控制的三要素：控制的对象、控制要达到的目的和控制手段。理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。
2.控制的手段和方法
(1)按控制过程中人工干预的情形分：
①人工控制：控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行。
②自动控制：在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
(2)按执行机构的不同分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
①机械控制：利用控制论的理论与方法解决机械工程实际问题。
②气动控制：靠空气压缩原理进行工作；如汽车轮胎充气，属于气动控制过程：有气泵，气罐，有阀门开关决定通气与否，有压力表查看压力，流量表看流量(不是非有不可)等最简单的设施。
③液压控制：使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出动作，完成各种设备不同的动作需要。
④电子控制：以电子电路为信息采集、处理核心，并根据设计输出指令的控制技术。
3.控制的应用
(1)生活：控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程序下按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。例如：空调、ATM自动取款机、红外线感应式水龙头。
(2)生产：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，控制在生产中得到了广泛的应用。如汽车自动装配生产线、自动喷漆、数控机床。
(3)军事国防：精密的制导武器、神州飞船的发射等，有着广泛的应用。如精密制导导弹、火箭、宇宙飞船。
二、控制系统的工作过程与方式
1.控制系统
(1)概念：任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
(2)主要环节：输入量、被控对象、输出量(三要素)。
(3)控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。
例如：电风扇的风速控制
→→
(输入)　　　　　　　　　　　　　(输出)
2.简单开环控制系统的组成及工作过程
(1)定义：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。
(2)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。
(3)方框图：
输入量→→→输出量
输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要控制的装置或生产过程。
输出量：控制系统所要控制的量。
(4)典型案例：红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。
例如：红外线自动门控制系统
(输入)红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号→控制电路→电机→自动门→门的开启或关闭(输出)
3.闭环控制系统的组成及方框图
(1)定义：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。
(2)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。
(3)闭环控制系统的方框图：
控制器：对输入信号(偏差值)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。
(4)典型案例：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。
三、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(给定值)以外，引起被控制量变化的各种因素称为干扰因素。
2.反馈
(1)涵义：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进行比较的过程，就是反馈。
(2)作用：减少输出量的偏差，稳定输出量。
(3)反馈方法：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的方法。
(4)闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量(输出量)的偏差。闭环控制系统的工作过程：
①由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；
②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，与给定值进行比较；
③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值，达到精确控制的目的。
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
(5)开环、闭环对被控量的控制比较
开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。
3.功能模拟法与黑箱方法
(1)功能模拟法：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。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。
(2)黑箱方法：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：通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统(即黑箱)的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。
四、控制方案的设计与实施
1.控制系统设计的一般思路
(1)系统要达到的目标
(2)控制的对象
(3)被控对象的特性
(4)被控量和控制量
(5)外界的主要干扰因素
(6)制定既达到目的、又经济、易于实现的方案
(7)设备和元件
在以上问题都确定后：
(1)要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。
(2)画出控制方框流程图。
(3)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。
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，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。
3.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。
(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的范围之内。
(3)闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
(4)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。
【例1】　(2017·11月浙江选考)如图所示是三相异步电动转速控制系统示意图。系统通过改变交流电的频率来改变电动机的转速。通过触摸屏设定电动机的转速，变频调速器将50 Hz的交流电转变成与设定转速相对应频率的交流电，驱动电动机转动；装在电动机输出轴上的测速发电机随电动机一起转动并发电；PLC根据测速发电机的电流大小，判断电动机实际转速与设定转速之间的差值，向变频调速器发出指令，改变驱动电流的频率。下列关于该控制系统的分析中正确的是(　　)
A.执行器是电动机
B.控制器是变频调速器
C.输出量是测速发电机的电流信号
D.控制量是变频调速器输出的电流频率
解析　执行器是变频调速器，控制器是PLC，输出量是电机的是实际转速。
答案　D
[变式1]　如图所示为高速公路汽车速度监测系统，测速雷达测量车速，经控制器判断后，控制摄像头将超速车辆的图像信息记录下来，作为违章处罚的证据。该速度监测系统中的被控制对象是(　　)
A.汽车 B.测速雷达
C.速度显示器 D.摄像头
解析　首先确定输入、输出，输入量为汽车速度，输出量为记录超速车辆的图像信息，其次确定被控对象，哪个装置记录超速车辆的图像信息，题干中容易看出，摄像头。所以答案是D。如果再深入研究可以发现，该题的执行器也是摄像头。
答案　D
【例2】　(2018·11月浙江选考)如图所示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
答案　A
[变式2]　巡航导弹原理是：导弹上装有卫星定位系统和小型喷射器，设定弹道后，卫星会时刻检测导弹的位置，看其是否在预设轨道上行驶。当导弹偏离预设轨道时，卫星将通过无线通信技术告诉导弹往哪个方向调整，导弹收到信号后，再通过自身的小型喷射器来修正导弹的飞行，直至命中目标。小型喷射器属于该控制系统的(　　)
A.被控对象 B.输入元件
C.执行器 D.控制器
答案　C
【例3】　(2016·3月浙江统考)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(1)～(2)题。
(1)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
答案　D
(2)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
答案　B
[变式3]　如图所示是一款普通抽水马桶的水箱水位控制装置。扳动放水手柄，水箱冲水，与此同时，浮球下降，打开进水塞，水箱开始进水。当水位开始上升，浮球上浮到原设定位置时，水箱停止进水。下列有关该水箱水位控制系统的说法中正确的是(　　)
A.进水量是该系统的输入量
B.出水量是该系统的主要干扰
C.该系统的控制手段是液压控制
D.往水箱中放入少量砖块，水箱水位的设定值将受影响
答案　B
【例4】　如图所示为某仓储运货工作示意图，运货车的工作过程是：当传感器检测到车上的载货量达到设定值时，控制电路控制电机转动，车驶向卸货平台；当车上的限位开关接触到卸货平台，电机停止转动，车停下等待卸货；当传感器检测到货物被卸，电机反向转动，车返回装货平台。请回答下列各题，填写“________”处的相应内容。
(1)该运货车的控制方式属于________。(在①闭环控制；②开环控制中选择一项，填写序号)
(2)该运货车的控制手段属于________。(在①手动控制；②自动控制中选择一项，填写序号)
(3)该控制系统中，若车上与卸货平台相接触的限位开关损坏，可能造成________。(在①车到了卸货平台后，电机继续转动；②车到了卸货平台后，不等卸货马上返回装货平台；③传感器无法检测载货量中选择一项，填写序号)
(4)为了防止装货时载货量达到设定值的瞬间，车就开走，产生危险。针对此情况，以下对该系统进行优化的措施中合适的是________。(在①提高传感器的灵敏度；②增加延时装置，装货后延时几秒钟再开动；③降低电机转速中选择一项，填写序号)
答案　(1)②　(2)②　(3)①　(4)②
[变式4]　LEGO魔方机器人近几年深受广大青少年儿童的喜爱，它的工作原理是先用传感器采集魔方6个面上每块(1面有9块)的颜色，然后由主控制器根据特定算法计算结果，控制机械手翻转魔方，从而达到自动解魔方的效果。如果魔方的颜色不标准或者周围的光线太暗，都会对魔方机器人解魔方形成干扰。根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①人工控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该控制系统的被控对象是________(在①LEGO主控制器；②机械手；③魔方中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中的传感器应选用________(在①声音传感器；②颜色传感器；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高LEGO魔方机器人识别魔方6个面颜色的效果，设计人员针对不同的光线环境做了大量的实验，得出一系列数据，对魔方的感光敏感度进行了调整，该工作人员采用了________的系统分析的方法(在①整体性原则；②科学性原则；③综合性原则中选择合适的选项，将序号填写在“________”)。
答案　(1)②　③　(2)③　(3)②　(4)②
【例5】　(2016·4月浙江选考)根据消防要求，仓库、图书馆等场所都要安装火灾自动报警系统。当烟雾探测器检测到的烟雾浓度超过设定值时，电子开关被接通，报警器发出声光信号进行报警。关于该报警控制系统，以下说法中正确的是(　　)
A.输出量是有无声光信号
B.被控对象是仓库、图书馆等场所
C.控制器是电子开关
D.反馈装置是烟雾探测器
解析　该控制系统中，输入量是烟雾浓度信号，输出量是有无声光信号，控制器是烟雾探测器，执行器是电子开关，被控对象是报警器。
答案　A
[变式5]　(2017·3月绍兴一模)如图所示是一加热炉的恒温自动控制示意图。以下关于该控制系统的说法正确的是(　　)
A.该控制系统的设计模拟了人的功能和行为，这种研究方法是黑箱方法
B.电热丝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
答案　D
【例6】　(2018·4月浙江选考)下列关于控制系统的说法中，正确的是(　　)
A.有检测传感器的控制系统就是闭环控制系统
B.直接对被控对象进行控制的装置或元件称为执行器
C.控制器发出的控制信号称为控制量
D.能引起被控量发生变化的因素都是干扰因素
解析　开环的输入端也有传感器，A错误；执行器发出的控制信号称为控制量，C错误；除了给定量以外，能引起被控量发生变化的因素都是干扰因素，D错误。
答案　B
[变式6]　关于闭环控制系统的下列说法中，正确的是(　　)
A.检测装置是计算被控量和给定量之间的差值的装置
B.控制器控制被控对象
C.反馈可以克服干扰
D.被控量就是控制量
答案　C
【易混易错】
1.闭环控制系统常考案例流程图
(1)抽水马桶的工作过程
(2)加热炉的温度自动控制系统
(3)恒温控制系统
(4)空调控制系统
(5)高压锅的恒温控制系统
(6)粮库的湿度和温度自动控制
2.正反馈和负反馈
反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。对负反馈的研究是控制论的核心问题。
起增强输入信号作用——正反馈。
起减弱输入信号作用——负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。
负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差。
红外光幕电梯门保护系统是一种非接触式保护，通过安装在轿厢门两侧的红外发射器和接收器循环探测红外光束，当乘客或物体进出轿门平面时，阻挡其中任何一束红外线，控制系统就会发出信号，驱动电动机转动，使得正在关闭的电梯门打开，从而起到保护作用。请完成1～2题。
1.该电梯门保护控制系统的控制手段和控制方式属于(　　)
A.人工控制、开环控制 B.自动控制、开环控制
C.自动控制、闭环控制 D.人工控制、闭环控制
解析　该控制系统人没有全程参与，整个控制过程由系统自动完成，且输出量对本系统的输入量无任何影响。信号是单向传递。
答案　B
2.下列有关该电梯门保护控制系统的说法中，错误的是(　　)
A.该控制系统存在检测装置
B.输出量是电梯门打开
C.被控对象是红外光束
D.执行器是电动机
解析　被控对象是电梯门。
答案　C
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
解析　该控制系统人没有全程参与，整个控制过程由系统自动完成，且输出量对本系统的输入量无任何影响。信号是单向传递。
答案　B
4.如图所示为纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理是：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。请回答(1)～(3)题。
(1)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
解析　题干中信息比较明确，检测浓度，故选A。
答案　A
(2)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
解析　写出该控制系统的流程图，可以发现手动取样阀与系统控制无关，故选D。
答案　D
(3)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
解析　根据题意分析可知，该控制系统是闭环控制系统，输入量是设定浓度值，输出量为实际配浆浓度，故选C。
答案　C
5.某校学生设置了雨天自动关窗装置，其工作原理是：下雨时，湿度传感器把检测到的雨水信号传给放大及处理电路，启动电动机关闭窗户。关于这个控制系统，下列说法中正确的是(　　)
A.雨水信号是输出量 B.控制器是电动机
C.执行器是湿度传感器 D.被控对象是窗户
解析　该系统是开环控制系统，输入量是雨水信号，控制器是放大及处理电路，执行器是电机，被控对象是窗户，输出量是窗户关或开。因此，D项正确。
答案　D
6.如图所示是自动门示意图。当人靠近自动门时，探头探测到人体信号，控制电路接收到该信号后，发出相应的指令，启动电动机把门打开。关于该控制系统，下列说法中错误的是(　　)
A.输入量是人体信号 B.输出量是门的打开
C.被控对象是人体 D.执行器是电动机
解析　这是一个开环控制系统，输出量是门的打开或关闭，所以被控对象是门。
答案　C
7.下列方法中，不属于黑箱方法的是(　　)
A.用仪器测试集成电路输出信号判断集成电路的功能
B.通过脑电波检查诊断病人大脑的状况
C.列车司机用锤子敲击车轮，通过声音判断有无故障
D.通过胃镜检查诊断病人的胃部疾病
解析　黑箱方法是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，不需要直接考查其内部结构；功能模拟法是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。A、B、C都是对系统输入与输出的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，所以是黑箱方法，D通过胃镜检查诊断病人的胃部疾病是直接考查其内部结构，所以不是黑箱方法。
答案　D
8.如图所示是一款盲人导航手表，手表内的声纳和传感器测量障碍物与人的距离，并将信号发送给微处理器，随着盲人与障碍物距离的缩短，手表上的震动马达震动加快，使手表的震动频率加快。关于该控制系统，下列说法中不正确的是(　　)
A.控制器是微处理器
B.控制量是障碍物与人的距离
C.被控对象是手表
D.执行器是震动马达
解析　控制量是马达震动的频率。
答案　B
9.如图所示是小刘同学设计的花盆土壤湿度控制系统示意图。其工作原理是：控制电路将探头测得的湿度值与设定值相比较，根据偏差值控制电磁阀门打开或关闭，使土壤湿度值达到设定值。关于该控制系统，下列说法中不正确的是(　　)
A.控制方式属于开环
B.该控制系统不存在反馈
C.被控对象是电磁阀门
D.控制量是流过电磁阀门的水流量
解析　被控对象是花盆(土壤)。
答案　C
10.如图所示的抽屉，每次拉开，抽屉内的LED(发光二极管)灯会自动点亮30秒。该LED灯自动开关控制系统的输出量是(　　)
A.房间的亮度 B.抽屉的开或关
C.设定的亮灯时间 D.灯的亮或灭
答案　D
11.如图所示是某同学设计的自动干手器原理示意图，当手靠近传感器时，传感器将感应信号发送给控制器，控制器控制继电器闭合，电吹风开始工作。若将电吹风看作被控对象，则执行器是(　　)
A.传感器 B.控制器
C.继电器 D.插头
解析　通过图形可以看出让被控对象产生动作的是继电器给吹风机供电，故执行器为继电器。
答案　C
12.如图所示是常见的锅炉液位控制系统原理图。当蒸汽的耗气量与锅炉进水量相等时，液位保持为正常标准值。当锅炉的给水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少时，引起锅炉液位发生变化。不论出现哪种情况，只要实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去打开或关小调节阀，使液位恢复到给定值。则该控制系统的控制器是(　　)
A.过热器 B.变送器
C.调节器 D.定值器
答案　C
13.如图所示是一款防瞌睡帽。该帽子内置加速度计和陀螺仪，能感知驾驶员的头部动作，并利用智能算法较为准确地比较区分驾驶员瞌睡动作与检查仪表盘、看后视镜等驾车动作。一旦该帽子中的主控制器确认为驾驶员瞌睡中，会发出指令使电子开关闭合，从而发出声音、光线、震动等叫醒驾驶员。下列关于该控制系统的分析中正确的是(　　)
A.执行器是电子开关
B.被控对象是驾驶员
C.控制量是声音、光线、震动等信号
D.该系统含有检测装置和比较部分，所以属闭环控制系统
解析　该控制系统是开环控制，D错误；控制量是执行器的输出，C选项错误；驾驶员根本就不是本系统的组成部分，B选项错误。故选A。
答案　A
14.某种磁盘驱动器读取数据时，需将磁头定位到某个磁道。当控制装置接收到预期磁头位置信号后，控制电机驱动支撑臂及磁头移动到相应的磁道。传感器检测磁头的位置，并将检测到的信号发送给控制装置与预期信号进行比较，控制装置根据比较偏差值做出调整。该控制系统的被控对象是(　　)
A.控制装置 B.控制电机
C.支撑臂及磁头 D.传感器
答案　C
15.如图所示为一款3D涂鸦笔特殊颜料被加热到设定的温度后从笔尖流出，冷却后变成具有一定强度的固体。当加热温度过高时，控制芯片会自动启动小风扇降温，使颜料的加热温度维持在一个恒定范围。关于该控制系统，以下说法不正确的是(　　)
A.被控对象是风扇 B.输入量是设定的温度
C.执行器是控制芯片 D.输出量是加热后的颜料
答案　C
16.如图所示是某同学设计的自动干手器原理示意图，当手靠近出风口时，电容式位移传感器的电容量发生变化，导致控制电路输出电压变化，接着电磁继电器常开开关闭合，接通风扇与加热器的电源，手上的水很快就被吹干，当手移开后便又恢复原来状态，下列关于该电子控制系统的说法正确的是(　　)
A.开环控制系统，输入部分是电容式位移传感器
B.闭环控制电路，输入部分是电磁继电器
C.开环控制系统，输出部分是电容式位移传感器
D.闭环控制系统，输出部分是电磁继电器
答案　A
17.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，控制电动机转动，扶梯正常运行。下列关于该控制系统的说法中不正确的是(　　)
A.控制方式属于开环
B.输入量是传感器的检测范围
C.被控对象是扶梯
D.控制量是电动机转速
解析　输入量是红外线信号，故选B。
答案　B
18.如图所示为传送带恒速控制系统示意图，通过皮带控制器设置预设速度，测试传感器检测到实际速度低于设定速度时，皮带控制器控制调速电机加速，反之使调速电机减速，从而使传送带保持一定的速度运行。下列关于该恒速控制系统的说法中正确的是(　　)
A.被控对象是皮带控制器
B.执行器是调速电机
C.检测装置是荷重传感器
D.控制器是传送带
答案　B
19.如图所示是汽车防侧倾控制系统示意图。其工作原理是：车辆转弯时，传感器检测车身倾斜信息并传递给悬架控制单元，控制电磁电机调整避震高度，保持车身平稳。下列关于该系统说法中正确的是(　　)
A.执行器是电磁电机
B.输入量是控制单元发出的控制信号
C.该系统是闭环控制系统
D.控制器是传感器
答案　A
20.电梯都配有超载报警系统，其工作原理是：传感器检测电梯的载重量，控制电路进行判断，若载重量超过设定值则接通电子开关，报警器发出声、光信号进行报警。关于该报警控制系统，下列说法中正确的是(　　)
A.被控对象是电梯 B.控制器是电子开关
C.执行器是报警器 D.输出量是有、无声光信号
解析　依据题意，其流程图为：
→→→能根据工作过程画出流程图，就比较简单，选D。
答案　D
21.(2016·8月温州模考)如图所示为一款循迹小车，在其车头底部装有两个金属感应探测头，当左探测头探测到金属信号，增加小车右轮电机速度，使车子左转，直到探测头探测不到金属信号；右探测头探测到金属信号时，情况相反；当左右探测头都没有探测到金属信号时，左右轮电机转速相同，车子直行。关于该控制，以下说法正确的是(　　)
A.被控对象是轨道 B.控制器是探测头
C.执行器是电机 D.输入量是车子速度
解析　根据题干情景和开闭环分析得知，该控制系统属于开环控制系统。输入量是检测信号(左右探头信号)，控制器题干中没有描述，实为控制电机转速的装置，执行器是电机，被控对象是小车，输出量是车子行驶状态。
答案　C
22.如图所示是地暖供热控制系统示意图。当室内温度与设定温度存在偏差时，温控仪启动供热电缆工作，使得室内温度稳定在设定温度附近。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该地暖供热控制系统的控制方式及控制手段分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处);
(2)该地暖供热控制系统中的传感器可选用________(在①温度传感器；②光敏传感器；③湿敏传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________ ”处)；
(3)该地暖供热控制系统的被控对象是________(在①温控仪；②供热电缆；③室内空气；④水泥板中选择合适的选项，将序号填写在“________”处);
(4)该地暖供热控制系统工作过程中，会受到各种干扰，以下因素中不属于干扰因素的是________(在①室外温度发生变化；②室内温度设定值；③水泥板的厚度；④温控仪的灵敏度中选择所有合适的选项，将序号填入空格内)。
(5)下列因素中，不属于影响本系统优化的因素的是(在①传感器的灵敏度；②控制系统的精度和可靠性；③系统的制造和使用成本；④室外环境温度的变化中选择合适的选项，将序号填写在“________ ”处)。
答案　(1)④②　(2)①　(3)③　(4)②④　(5)④
23.如图所示为某储气罐压力自动控制和自动报警系统示意图。压力变送器检测储气罐中的压力值，该值被送到控制器，与设定压力值进行比较，控制器根据偏差值控制变频气泵的转速，从而使储气罐的实际压力达到设定值。当压力值超出设定上限时，就发出报警信号，并自动排气。请完成下列各题，在有“________”处填上相应的内容。
(1)该系统除了压力自动控制子系统以外，还有________子系统和自动排气装置。
(2)根据示意图及其描述，补充完整压力自动控制系统方框图。
(3)当压力自动控制系统出现故障，导致储气罐内气体压力过高，在此情况下对储气罐有保护作用的是________(在①去车间的送气管道；②自动排气装置中选择一项，填写序号)。
解析　本题考查的是控制系统的工作过程与方式，结合考查了系统的相关知识。第(1)题考查的是系统的分类，该系统除了压力自动控制系统还有自动报警系统。第(2)题考查的是闭环控制系统的工作过程与方式，学生要理解气体压力的控制过程，变频气泵执行控制器的命令，
压力变送器检测储气罐内气体压力。另外，学生要明确控制框图的格式要求，控制框图的方框中一般填写部件的名称，有学生可能会在①中填写“控制器控制气泵”、②中填写“压力变送器检测压力”导致错误。第(3)题中如果气罐内气体压力过高，对储气罐有保护作用的是自动排气装置。
答案　(1)自动报警系统　(2)①气泵　②压力变送器　(3)②
24.如图所示的智能扫地机器人自动工作、自动充电，智能机器人通过电量传感器判定内部电池电量，该电量信息被传送到控制模块，并由控制模块判断是否需要充电。如果电量低于设定电量，控制模块就会做出需要充电决定，机器人充电器自动识别底座，引导机器人进行充电，直至充满。
(1)根据自动充电原理的描述，补充完整方框图，在“________”处填写相应内容。
①________；②________；③________；④________。
(2)为防止充电座被其他物体遮挡或防止机器人进入后无返回的路线，设计师们常需要对常用家具底部高度与家具支撑脚宽度做大量的科学分析与数学统计，这体现了系统分析________原则。
(3)该扫地机器人遇到以下情况工作不会遇到问题的是________(在①沙发与地面间隙过大；②房间之间有台阶；③工作区域有干扰源中选择一项，将序号填写在“________”处)。
答案　(1)①控制模块　②机器人(电池)　③实际电量　④电量传 感器　(2)科学性　(3)①
1.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(　　)
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。
答案　C
2.如图所示为一款宾馆用的感应式液压自动餐炉。当传感器检测到人靠近时，液压装置会自动打开炉盖，方便客人查看或夹取食物，客人离开几秒钟后，炉盖自动关闭，以保持食物的温度与卫生。以下关于该炉盖开合控制系统的分析中正确的是(　　)
A.控制方式属于闭环控制
B.传感器可以选用热敏传感器
C.执行器是液压装置
D.多人同时靠近为其干扰因素
解析　多人同时靠近是输入，不是干扰。
答案　D
3.如图所示是雨量感应式雨刷，当传感器检测到挡风玻璃上有雨点时，把信号传递给单片机，由单片机控制电机驱动雨刷擦拭挡风玻璃。下列分析不正确的是(　　)
A.输入量是雨点信号
B.控制器是单片机
C.被控对象是挡风玻璃
D.该控制系统具有检测装置
答案　C
4.如图所示这款“智能水龙头”融合了多项高新科技，它配有面部识别技术，可以自动识别出用户的脸，从而将水温调节到该用户最常用的温度和水流强度。其内置的LED灯还可以根据温度的不同变换色彩，从而为使用者提供更加直观的感受。下列对该控制系统的分析中正确的是(　　)
A.该控制系统是闭环控制系统
B.该控制系统有多个输出量
C.输入量为人手红外信号
D.执行器是人脸识别传感器
答案　B
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5～6题。
5.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
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。
答案　A
6.无人状态下为了防止煤气泄漏，对该控制系统进行优化，其中最合理的优化措施为(　　)
A.当煤气浓度超过设定值时，主控制器控制电磁阀吸合，将煤气切断
煤气浓度信号→→→→煤气的通断
B.当煤气浓度超过设定值时，主控制器控制电磁继电器吸合，开启排风扇
煤气浓度信号→→→→排风扇排风
C.增加一个煤气检测控制系统，将厨房内的煤气浓度控制在设定浓度
D.增加一个人体红外线感应子系统，有人时可以使用煤气，无人时不通煤气
人体红外线→→→→煤气通断
答案　B
7.汽车的防盗系统是在未经允许的情况下启动汽车，触发器马上就会感应到信号，立即启动警报装置，警报装置便会发出刺耳的报警声的系统。关于该防盗系统，下列说法中不正确的是(　　)
A.该系统是开环控制系统
B.输入量是触发器感应的信号
C.该控制系统有反馈装置
D.输出量是报警声
解析　该控制系统输入量是触发器感应的信号，输出量是有无刺耳的报警声，信息流向单向，无反馈，是开环控制系统。
答案　C
8.为了改善城市的交通管理，有些地方采用了智能化的红绿灯电子控制系统，通过调整红绿灯的持续时间来缓解车辆的拥堵。它的工作原理为：在路口停车线前一段距离内埋下一些环形感应器，感应器将车辆在上面通过所产生的数据传输给微处理器，微处理器根据交叉路口车辆的多少指挥红绿灯的自动切换。该控制系统的被控对象是(　　)
A.红绿灯 B.车辆
C.微处理器 D.环形感应器
解析　红绿灯自动切换，可以看出红绿灯为被控对象。
答案　A
9.如图所示为某学生利用所学的知识设计光控百叶窗启闭控制系统，其工作过程是：光敏电阻检测环境亮度高过某一个亮度时，Arduino控制板发出命令控制电机运转，使百叶窗关闭，反之百叶窗处于开启状态。关于该控制系统说法正确的是(　　)
A.该控制系统存在反馈
B.该控制系统的控制器为光敏电阻
C.该控制系统的执行器为电机
D.该控制系统的被控对象为Arduino控制板
解析　依据题干信息和所学知识分析可知道，本控制系统属于开环控制系统。输入量：检测信号，控制器是Arduino控制板，执行器是电机，被控对象是百叶窗，输出量是百叶窗的状态(开或关)。
答案　C
10.现在市面上的3D打印机都采用分层加工，叠加成型来完成。其工作原理为电脑将切片信息传送到3d打印机，3d打印机的控制组件接收到切片信息后对机械组件发出命令，控制打印头升温、移动，喷出耗材，逐层叠加，形成作品。3D打印机的被控对象是(　　)
A.切片信息 B.控制组件
C.打印头 D.机械组件
解析　本题考查的是开环控制系统的分析。切片信息→控制组件→机械组件→打印头→作品，因此本题选C。
答案　C
11.如图所示的这款智能窗帘由若干独立六边形单元构成，每个单元内都配置了光感应器、微处理器和传动机构，光感应器监测外界光照强度与入射角度，通过微处理器和传动机构控制花瓣形扇叶的开与合，为室内提供适宜的光照与温度。窗帘上变化多样的花式图案也为家居环境增添了些许视觉上的趣味。下列分析中不正确的是(　　)
A.被控对象是智能窗帘
B.控制器是光感应器
C.输入量是设定的外界光照强度与入射角度
D.外界风、灰尘是系统的干扰因素之一
答案　B
12.汽车ABS防抱死制动系统的工作原理如下： 在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定车轮趋于被抱死时，电子控制装置通过一系列的操作来调整制动轮缸的制动压力，从而调节车轮的转速，防止车轮在制动时被完全抱死。关于该控制系统的说法不正确的是(　　)
A.该控制系统是闭环控制系统
B.被控对象是车轮
C.给定量是车轮被抱死
D.控制器是电子控制装置
解析　给定量是车轮不被抱死，故选C。
答案　C
13.智能球—门线技术又称门线监视系统，是将微型传感器植入足球内，在禁区草皮下方铺设线缆，通电后可产生磁场，当球越过门线时，传感器会将信号传递给裁判员。对该控制系统下列说法不正确的是(　　)
A.用传感器代替人感知球是否越过门线，属于功能模拟方法
B.通过输入输出信号来判断传感器的工作状态的方法属于黑箱方法
C.传感器检测球是否越过门线的过程属于反馈
D.传感器过门线时接收的电磁信号属于输入信号
答案　C
14.如图所示为现代工业化养鸡场温度控制系统，当养鸡场内的温度未达到设定值时，温控仪发出控制信号，控制热水供暖系统或降温湿帘等工作，以使养鸡场内温度达到设定值。下列关于该养鸡场温度控制系统分析中，正确的是(　　)
A.控制方式属于开环控制
B.输入量是电能
C.该控制系统存在反馈
D.输出量是养鸡场内的空气
解析　该温度控制系统是闭环控制系统，存在反馈；输入量应该是设定温度，输出量应该是实际温度。故选C。
答案　C
15.如图所示是一种风阻尼器，用于高层建筑应对台风。一个几百吨重的大铁球通过弹簧和液压装置安装在高层建筑物的中上部，当强风来袭时，该装置的传感器探测到建筑物的摇晃程度，通过计算机控制液压装置推动大铁球向反方向运动，从而降低建筑物的摇晃程度。若把大铁球作为被控对象，下列分析中不正确的是(　　)
A.输入量是建筑物的摇晃程度
B.控制器是计算机
C.控制量是风力的大小
D.输出量是大铁球的运动方向和速度
解析　首先确定输入、输出，根据题干大铁球是被控对象，所以输入是建筑物的摇晃程度，输出是大铁球的运动方向和速度。执行器是液压装置，控制器是计算机，控制量应该是液压装置推动的力量和方向。所以选项C错误。
答案　C
16.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
D.被控对象是遮阳篷
答案　B
17.(2015·10月浙江选考)电子警察是现代道路交通安全管理的有效手段，计算机根据雷达探测到的汽车位置变化信号，计算出汽车的行驶速度并判断是否超速，如果超速则启动照相机抓拍，并将拍摄到的图像信息输送到监控中心。请根据上述说明，完成以下任务：
(1)该控制系统的控制方式属于________控制。(在①开环；②闭环中选择一项，将序号填写在“________”处)
(2)该控制系统的控制手段属于________。(在①手动控制；②自动控制中选择一项，将序号填写在“________”处)
(3)该控制系统的输出量是________。(在①汽车的行驶速度；②超速车辆的图像；③雷达信号中选择一项，将序号填写在“________”处)
(4)为了实时监测汽车行驶速度，应用雷达技术探测汽车的位置变化信号，通过数学模型计算出汽车的行驶速度，判断是否超速。这体现了系统分析的________原则。(在①整体性；②科学性；③综合性中选择一项，将序号填写在“________”处)
(5)照相机对超速车辆抓拍时会受到各种干扰，以下因素中不属于干扰因素的是________。(在①雨雾；②沙尘；③车辆速度中选择一项，将序号填写在“________”处)
答案　(1)①　(2)②　(3)②　(4)②　(5)③
18.如图所示为胎压监测系统，安装在轮胎里的传感器测量轮胎的气压，并利用无线发射器将压力信息送到中央处理器，将实际胎压与正常胎压设定值进行比较，当实际胎压过高或过低时，汽车喇叭发出警报声，同时，车载显示器显示轮胎气压异常信号。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段与控制方式分别是________和________在①人工控制；
②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“____”处)；
(2)该控制系统的输出量及控制器分别是________和________(在①实际胎压；②汽车喇叭的警报声及车载显示器显示的信号；③正常胎压设定值；④中央处理器；⑤汽车喇叭及车载显示器；⑥无线发射器中选择合适的选项，将序号填写在“____”处)；
(3)该系统中的传感器可选用________(在①温度传感器；②压力传感器；③磁敏传感器中选择合适的选项，将序号填写在“____处)；
(4)胎压监测系统运行过程会受到各种干扰，以下因素属于干扰因素的是________(在①其他车辆的喇叭报警声；②调整正常胎压设定值范围；③其他车载装置收发的无线信号中选择合适的选项，将序号填写在“____”处)。
答案　(1)②　③　(2)②　④　(3)②　(4)③
19.如图所示是电热油汀，它主要由可调式温控器、散热片、电热元件等部件组成。这种取暖器是将电热元件安装在带有许多散热片的密封腔体下面，在腔体内电热元件周围注有导热油。取暖器壳体温控过程如下：使用前，先将可调式温控器旋钮轻轻旋转到某一位置，设定好取暖器壳体的温度。接通电源后，电热管周围的导热油被加热，升到腔体上部，沿散热片对流循环，通过腔体壁表面将热量辐射出去，从而加热周围空间。当取暖器壳体温度高于设定温度上限时，可调式温控器会自动切断电源停止加热，内部存的热量继续向外释放，壳体温度下降；当取暖器壳体温度低于设定温度下限时，可调式温控器触点会自动闭合，接通电源，继续加热，壳体温度上升。如此周而复始，可使取暖器壳体温度恒定。请完成以下任务：
(1)从人机关系的角度分析，面板上的指示灯设计主要考虑了________(在“①安全目标；②信息的交互；③高效目标”中选择一项，填写序号)。
(2)该电热油汀取暖器壳体的温度控制方式属于________(在“①闭环控制；②开环控制”中选择一项，填写序号)。
(3)在使用过程中，该电热油汀取暖器发生了爆炸导致导热油溅出伤人，最有可能原因是________、________(在“①可调式温控器损坏，导热油一直处于加热状态；②导热油内混入了水及其它杂质；③电热油汀取暖器持续工作时间过长”中选择两项，填写序号)。
(4)该温度控制系统中，控制器是________ ，执行器是________，给定量是________ ，被控量是________，被控对象是________。
(5)该电热油汀取暖器使用一定时间后，由于密封圈老化，电热元件连接处容易漏油。这体现了系统的________ (在“①整体性；②动态性；③环境适应性；④相关性；⑤目的性”中选择一项，填写序号)。
答案　(1)②　(2)①　(3)①　②　(4)可调式温控器　电热元件　设定温度　实际温度　取暖器壳体或导热油
(5)②
20.(2016·3月浙江统考)如图所示是智能车位引导系统示意图。该系统能够准确、快速引导驾驶员到达空余车位，其工作过程是：中央处理器接收到超声波车位探测器探测的车位信息，经过处理后控制信息发布器把空余车位信息通过引导屏和车位指示灯显示出来。根据示意图及其描述，请回答下列问题。
(1)根据上述描述，分析该车位引导系统的控制过程，在方框图中“________”处填写相应的内容。
―→―→
(2)该智能车位引导系统可以分为信息采集、信息处理、信息发布三个子系统，其中的信息发布子系统包括信息发布器、________、________(在①车位指示灯；②超声波车位探测器；③数据库；④引导屏中选择两项，将序号填写在“________”处)。
(3)系统设计时要考虑车位定位准确、显示及时、抗干扰、便于维护，还要统筹兼顾成本、安装等要素，这体现了系统分析的________原则(在①综合性；②科学性；③整体性中选择一项，将序号填写在“________”处)。
答案　(1)①车位信息　②中央处理器　③信息发布器
④空余车位信息　(2)①　④　(3)①
21.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：
(1)根据示意图及描述，分析自动扶梯系统控制过程，在方框图中“________”处填写相应的内容：
―→―→
(2)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)。
(3)该系统在运行时需要解决下面的问题，当乘客进入检测传感器检测范围时，扶梯正常运行，当乘客随着扶梯运行离开检测范围后，扶梯又回到缓慢运行状态，而此时乘客还没离开扶梯。从合理性、可行性方面考虑，以下措施中合理的是________(在下列措施中选择一项，将序号填写在“________”处)。
①控制器中安装计时器，当有乘客进入时，扶梯正常运行，计时器开始计时；若达到设定的乘客离开扶梯的时间，无其他乘客进入，扶梯自动缓慢运行，有其他乘客进入时，计时器将重新计时。
②在扶梯上布满检测传感器，保证乘客在扶梯上的任一位置都能被检测到，只有乘客完全离开扶梯时，扶梯才会缓慢运行。
③在每个踏步上安装检测传感器，只要踏步上有乘客便正常运行，无乘客时便缓慢运行。
答案　(1)①检测传感器检测到是否有人的信号　②电动机和传动装置　③扶梯　④运行速度　(2)①　(3)①
22.如图是一款仿向日葵设计的太阳能充电器，葵花造型的太阳能电池板架在圆形底座上，底座集成了光传感器，通过电子芯片控制马达转动，从而带动电池板绕水平和垂直的旋转轴运动，实现光线追踪的功能。电池板收集的能量储存在内置电池中，并能给智能手机充电。请回答下列各题：
(1)根据示意图及描述，太阳能充电器的光线追踪控制系统属于________控制(在①开环；②闭环中选择一项，将序号填写在“________”处)；
(2)该光线追踪控制系统的执行器与被控对象分别是________、________；
(3)太阳能充电器使用时间久了，光传感器上会有灰尘覆盖，造成光线追踪功能无法实现。针对这一问题，下列优化措施中不合理的是________(在①充电器要经常人工清理灰尘；②提高光传感器的灵敏度，使其在光线较弱时也能实现追踪；③将光传感器用帆布制防尘罩罩住中选择一项，将序号填写在“________”处)；
(4)在设计该太阳能充电器时，既要考虑充电效率，也要考虑电池容量，还要考虑充电器的体积等方面。这体现了系统分析的________原则(在①整体性；②科学性；③综合性中选择一项，将序号填写在“________”处)。
答案　(1)①　(2)马达　电池板　(3)③　(4)③
23.如图所示是恒温箱。当箱内温度低于设定温度下限80 ℃时，温度控制器打开陶瓷加热灯；当温度高于设定温度上限90 ℃时，温度控制器关闭陶瓷加热灯。从而使恒温箱的实际温度保持在一定范围内。根据以上的描述，完成以下任务。
(1)该系统的控制方式与控制手段分别是________和________(在①人工控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该控制系统的输出量及被控对象分别是________和________(在①实际温度；②设定温度；③陶瓷加热灯；④恒温箱中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)陶瓷加热灯加热关闭后，由于保温箱内部空间较小，加热灯上的余温还会使保温箱温度上升，使得保温箱的实际温度会大于预设的上限温度90 ℃。为了解决这个问题，以下方法可行的是________(在①更换功率更大的陶瓷加热灯；②调低设定温度下限；③调低设定温度上限中选择一项，将序号填入“________”内)；
(4)该恒温箱在使用过程中，会受到各种干扰，以下因素中属于干扰因素的是________(在①恒温箱外界温度发生变化；②调低设定温度下限；③调高设定温度上限中选择一项，将序号填入“________”内)。
答案　(1)④　②　(2)①　④　(3)③　(4)①
课件45张PPT。第四章　控制与设计[考试标准]一、控制的手段与应用
1.控制的含义
(1)含义：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，这就是控制。
(2)构成控制的三要素：控制的对象、控制要达到的目的和控制手段。理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。2.控制的手段和方法
(1)按控制过程中人工干预的情形分：
①人工控制：控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行。
②自动控制：在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
(2)按执行机构的不同分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
①机械控制：利用控制论的理论与方法解决机械工程实际问题。
②气动控制：靠空气压缩原理进行工作；如汽车轮胎充气，属于气动控制过程：有气泵，气罐，有阀门开关决定通气与否，有压力表查看压力，流量表看流量(不是非有不可)等最简单的设施。③液压控制：使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出动作，完成各种设备不同的动作需要。
④电子控制：以电子电路为信息采集、处理核心，并根据设计输出指令的控制技术。3.控制的应用
(1)生活：控制应用到生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程序下按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的需要。例如：空调、ATM自动取款机、红外线感应式水龙头。
(2)生产：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，控制在生产中得到了广泛的应用。如汽车自动装配生产线、自动喷漆、数控机床。
(3)军事国防：精密的制导武器、神州飞船的发射等，有着广泛的应用。如精密制导导弹、火箭、宇宙飞船。二、控制系统的工作过程与方式
1.控制系统
(1)概念：任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
(2)主要环节：输入量、被控对象、输出量(三要素)。
(3)控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。
例如：电风扇的风速控制2.简单开环控制系统的组成及工作过程
(1)定义：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。
(2)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。
(3)方框图：输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要控制的装置或生产过程。
输出量：控制系统所要控制的量。(4)典型案例：红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。
例如：红外线自动门控制系统
(输入)红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号→控制电路→电机→自动门→门的开启或关闭(输出)3.闭环控制系统的组成及方框图
(1)定义：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。
(2)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。
(3)闭环控制系统的方框图：控制器：对输入信号(偏差值)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。
(4)典型案例：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。三、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(给定值)以外，引起被控制量变化的各种因素称为干扰因素。
2.反馈
(1)涵义：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进行比较的过程，就是反馈。
(2)作用：减少输出量的偏差，稳定输出量。
(3)反馈方法：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的方法。(4)闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量(输出量)的偏差。闭环控制系统的工作过程：
①由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；
②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，与给定值进行比较；
③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值，达到精确控制的目的。
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(5)开环、闭环对被控量的控制比较
开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统设计比较麻烦，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。3.功能模拟法与黑箱方法
(1)功能模拟法：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。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。
(2)黑箱方法：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：通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统(即黑箱)的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。四、控制方案的设计与实施
1.控制系统设计的一般思路(1)系统要达到的目标
(2)控制的对象
(3)被控对象的特性
(4)被控量和控制量
(5)外界的主要干扰因素
(6)制定既达到目的、又经济、易于实现的方案
(7)设备和元件
在以上问题都确定后：
(1)要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。 (2)画出控制方框流程图。
(3)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。
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，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。3.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。
(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的范围之内。
(3)闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
(4)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。【例1】　(2017·11月浙江选考)如图所示是三相异步电动转速控制系统示意图。系统通过改变交流电的频率来改变电动机的转速。通过触摸屏设定电动机的转速，变频调速器将50 Hz的交流电转变成与设定转速相对应频率的交流电，驱动电动机转动；装在电动机输出轴上的测速发电机随电动机一起转动并发电；PLC根据测速发电机的电流大小，判断电动机实际转速与设定转速之间的差值，向变频调速器发出指令，改变驱动电流的频率。下列关于该控制系统的分析中正确的是(　　)A.执行器是电动机
B.控制器是变频调速器
C.输出量是测速发电机的电流信号
D.控制量是变频调速器输出的电流频率
解析　执行器是变频调速器，控制器是PLC，输出量是电机的是实际转速。
答案　D[变式1]　如图所示为高速公路汽车速度监测系统，测速雷达测量车速，经控制器判断后，控制摄像头将超速车辆的图像信息记录下来，作为违章处罚的证据。该速度监测系统中的被控制对象是(　　)A.汽车 B.测速雷达
C.速度显示器 D.摄像头解析　首先确定输入、输出，输入量为汽车速度，输出量为记录超速车辆的图像信息，其次确定被控对象，哪个装置记录超速车辆的图像信息，题干中容易看出，摄像头。所以答案是D。如果再深入研究可以发现，该题的执行器也是摄像头。
答案　DA.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
答案　A[变式2]　巡航导弹原理是：导弹上装有卫星定位系统和小型喷射器，设定弹道后，卫星会时刻检测导弹的位置，看其是否在预设轨道上行驶。当导弹偏离预设轨道时，卫星将通过无线通信技术告诉导弹往哪个方向调整，导弹收到信号后，再通过自身的小型喷射器来修正导弹的飞行，直至命中目标。小型喷射器属于该控制系统的(　　)
A.被控对象 B.输入元件
C.执行器 D.控制器
答案　C【例3】　(2016·3月浙江统考)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(1)～(2)题。
(1)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
答案　D(2)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
答案　B[变式3]　如图所示是一款普通抽水马桶的水箱水位控制装置。扳动放水手柄，水箱冲水，与此同时，浮球下降，打开进水塞，水箱开始进水。当水位开始上升，浮球上浮到原设定位置时，水箱停止进水。下列有关该水箱水位控制系统的说法中正确的是(　　)A.进水量是该系统的输入量
B.出水量是该系统的主要干扰
C.该系统的控制手段是液压控制
D.往水箱中放入少量砖块，水箱水位的设定值将受影响
答案　B【例4】　如图所示为某仓储运货工作示意图，运货车的工作过程是：当传感器检测到车上的载货量达到设定值时，控制电路控制电机转动，车驶向卸货平台；当车上的限位开关接触到卸货平台，电机停止转动，车停下等待卸货；当传感器检测到货物被卸，电机反向转动，车返回装货平台。请回答下列各题，填写“________”处的相应内容。(1)该运货车的控制方式属于________。(在①闭环控制；②开环控制中选择一项，填写序号)
(2)该运货车的控制手段属于________。(在①手动控制；②自动控制中选择一项，填写序号)
(3)该控制系统中，若车上与卸货平台相接触的限位开关损坏，可能造成________。(在①车到了卸货平台后，电机继续转动；②车到了卸货平台后，不等卸货马上返回装货平台；③传感器无法检测载货量中选择一项，填写序号)
(4)为了防止装货时载货量达到设定值的瞬间，车就开走，产生危险。针对此情况，以下对该系统进行优化的措施中合适的是________。(在①提高传感器的灵敏度；②增加延时装置，装货后延时几秒钟再开动；③降低电机转速中选择一项，填写序号)
答案　(1)②　(2)②　(3)①　(4)②[变式4]　LEGO魔方机器人近几年深受广大青少年儿童的喜爱，它的工作原理是先用传感器采集魔方6个面上每块(1面有9块)的颜色，然后由主控制器根据特定算法计算结果，控制机械手翻转魔方，从而达到自动解魔方的效果。如果魔方的颜色不标准或者周围的光线太暗，都会对魔方机器人解魔方形成干扰。根据示意图和描述，完成以下任务：(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①人工控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该控制系统的被控对象是________(在①LEGO主控制器；②机械手；③魔方中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中的传感器应选用________(在①声音传感器；②颜色传感器；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高LEGO魔方机器人识别魔方6个面颜色的效果，设计人员针对不同的光线环境做了大量的实验，得出一系列数据，对魔方的感光敏感度进行了调整，该工作人员采用了________的系统分析的方法(在①整体性原则；②科学性原则；③综合性原则中选择合适的选项，将序号填写在“________”)。
答案　(1)②　③　(2)③　(3)②　(4)②【例5】　(2016·4月浙江选考)根据消防要求，仓库、图书馆等场所都要安装火灾自动报警系统。当烟雾探测器检测到的烟雾浓度超过设定值时，电子开关被接通，报警器发出声光信号进行报警。关于该报警控制系统，以下说法中正确的是(　　)
A.输出量是有无声光信号
B.被控对象是仓库、图书馆等场所
C.控制器是电子开关
D.反馈装置是烟雾探测器
解析　该控制系统中，输入量是烟雾浓度信号，输出量是有无声光信号，控制器是烟雾探测器，执行器是电子开关，被控对象是报警器。
答案　A[变式5]　(2017·3月绍兴一模)如图所示是一加热炉的恒温自动控制示意图。以下关于该控制系统的说法正确的是(　　)A.该控制系统的设计模拟了人的功能和行为，这种研究方法是黑箱方法
B.电热丝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
答案　D【例6】　(2018·4月浙江选考)下列关于控制系统的说法中，正确的是(　　)
A.有检测传感器的控制系统就是闭环控制系统
B.直接对被控对象进行控制的装置或元件称为执行器
C.控制器发出的控制信号称为控制量
D.能引起被控量发生变化的因素都是干扰因素
解析　开环的输入端也有传感器，A错误；执行器发出的控制信号称为控制量，C错误；除了给定量以外，能引起被控量发生变化的因素都是干扰因素，D错误。
答案　B[变式6]　关于闭环控制系统的下列说法中，正确的是(　　)
A.检测装置是计算被控量和给定量之间的差值的装置
B.控制器控制被控对象
C.反馈可以克服干扰
D.被控量就是控制量
答案　C
【易混易错】
1.闭环控制系统常考案例流程图
(1)抽水马桶的工作过程(2)加热炉的温度自动控制系统
(3)恒温控制系统(4)空调控制系统
(5)高压锅的恒温控制系统(6)粮库的湿度和温度自动控制
2.正反馈和负反馈
反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。对负反馈的研究是控制论的核心问题。
起增强输入信号作用——正反馈。
起减弱输入信号作用——负反馈。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。
负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差。

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