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高考复习 ：
控制系统
高考内容及要求：
1类:知道知识的内容和含义,并能在有关问题中识别和直接使用他们；
2类:对所列知识要理解其确切含义及其中的技术思想方法,能够进行叙述和解释,并在解决技术设计的实际问题中运用。
控制与设计 控制的含义 I
控制的应用 I
控制手段 I
开环控制系统的基本组成和工作过程 II
闭环控制系统的基本组成和工作过程 II
控制系统的方框图 II
控制系统的干扰因素 II
控制系统设计方案 II
控制系统的实现与调试 II
1、控制的含义
人们按照一定的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。
(射手射箭；电冰箱保温：生产计算机控制）
（1）明确：控制的对象是什么
要达到什么目的
采取什么手段
（又：音响 燃气热水器温度控制 喷雾器撒农药）
（2）分类：人工控制和自动控制
举例：自行车刹车控制过程
有人直接干预
一、控制的手段与应用
控制的含义 控制的应用 控制手段
2、控制的应用
生活中（提高生活质量，满足人们的要求）（银行取款机 自动水龙头）
生产中(温度、湿度、压力、速度）（自动装配，农田节水）
国防中
3、控制的手段和方法
控制的实现需要一定的手段。从控制过程中人的作用分人工控制与自动控制；按照执行部件的不同有机械控制、气动控制、液压控制和电子控制等。很多情况下手段是综合的。
问题：
(1)在生产生活中，有那些控制分别是利用机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等手段实现的？
机械控制：普通水龙头、电饭煲
电子控制：电子计算器、家用电冰箱、自动门和汽车变速器的电子控制装置
气动控制：化工生产中常用的气动阀门、公共汽车车门开关控制
液压控制：建筑工地打桩机、修理汽车用的液压千斤顶
(2)洗衣机的演变
普通洗衣机（自动正反交替地运动，到达定时后自动停转）; 半自动洗衣机（洗涤、漂洗、脱水中的三大步骤中的两步合并在同一缸，通过顺序控制实现步骤转换，由人把物由一个缸里取出放到另一个缸中）;
全自动洗衣机（不需要人工干预，三大步骤全都由控制系统实现）
开环控制系统的基本组成和工作过程
闭环控制系统的基本组成和工作过程
控制系统的方框图
控制系统都由若干环节组成，控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
二、控制系统的工作过程与方式
4、开环控制系统（p、104 )
游泳池定时注水控制
控制系统的输出量，不对系统的控制产生任何的影响，这种控制系统的称为开环控制系统。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
对于开环控制系统，通常可以用以下的方框图表示：
定时器
进水阀门
游泳池
设定注水时间
游泳池的水位
水流量
开环控制系统，信号的传递是单向的。
例：行车刹车控制过程如下：刹车时，施加一定的
握把力，通过杠杆系统，使刹车片压紧车圈（或轮
轴），车轮减速。刹车握紧力与车轮转速一一对
应。这是一个开环控制系统，请画出控制方框图。
控制对象：
控制手段：
控制目的：
自行车
手刹车闸
减速
例子：十字路口的红绿灯、楼宇的报警系统、火灾自动报警系统、电风扇、电灯控制等
3.家用缝纫机的缝纫速度控制系统
1.遥控器控制电视系统
节目
遥控器发出红外线
控制电路
换台装置
显示器
操纵
2.普通全自动洗衣机控制系统
接通
电源
控制
电路
电机等
装置
洗衣机
运行或
停止
传感器
常开接点
电灯
灯亮/灭
有/无声响
5. 声控灯系统
设定的
档位
控制
电路
可变
电阻
灯泡
灯泡
亮度
电流
大小
4.可调光台灯控制系统
楼道里使用的自动声（或：光)控灯：可以节约能源，还可以减少开关的磨损，极大的方便过客。
问题：
1、自动门的控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
红外装置是否发出的信号检测到人体辐射
控制电路
电机
转动
自动门
门的开启和关闭
方便人们的出入，医院手术室、银行或宾馆，当人走进大门时自动打开。
原理是：当人走进门时，门上的红外装置检测到人体热辐射发促的红外信息，控制电路接收到该信号后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动门自动开启（或控制气动装置,使门向两边打开）。当门开启后，控制电路将作出判断，如果没有人在四周，就通知电机做反向运转，使门关闭。
2.1）宾馆、酒店自动叫醒服务装置控制方框图
工作原理：客人拨通自动叫醒服务电话，电脑
自动应答，并提示客人输入房间号和需叫醒的
时间，到时电脑将自动打电话叫醒客人。
输入房
间号和
需叫醒
的时间
电脑控
制系统
拨号
装置
电话机
铃声
电流
2）请画出自动升旗控制方框图
定时
时间
定时
装置
电动机
滑轮、
国旗
升旗
速度
3、自动烘手机 红外线感知手的靠近过程，没人的时候，鼓风机和加热电炉丝都自动切断电源；当手的温度在红外传感器监视的范围内，烘手机就启动。
4、水泵抽水控制系统 农民种庄稼，“靠天吃饭”天气干旱，收获困难。水泵就是解决这个问题。当需要灌溉农田时，只要接通电源，电机就带动水泵工作，将水从水源处抽到干旱的农田里。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
接通电源
电机
水泵
水流量
水管？
水管排水
手发出信号
红外线传
感控制器
常开（断开）接点
鼓风机和加
热电炉灯泡
热风
（输入）
（输出）
5、公共汽车车门的开关控制
公共汽车车门的开关控制是气动控制，司机操作开关的装置，,电流控制“电磁阀”的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，最后由压缩空气推动活塞开门或关门。
6、家用压力锅的压力控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
排气孔
重锤
司机操作
开关装置
（输入）
电磁阀启闭
推动活塞
门
开或关
（输出）
知识补充
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。 电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
7、根据消防要求，仓库、图书馆都需要安装火灾自动报警系统。如有火灾发生，感应探测器检测到发生火灾室内浓烈的烟雾，从而报警。画出火灾自动报警控制系统的工作过程方框图。指出方框图的各个环节的具体内容和输入量、输出量、控制量。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
烟雾信号
感烟探测器（感温）探测器
部件：警铃、讯响器、报警灯
报警控制电路（器）
或：火灾开环控制方框图
烟雾信号
探测器
报警
电路
报警
部件
报警
信号
电流
5、闭环控制系统
游泳池注水控制
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称为闭环控制系统。
对于闭环控制系统，通常可以用以下的方框图表示(p106)。
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
比较器
+
-
检测装置
控制器
进水阀门
游泳池
给定水位
水流量
比较器
实际水位
说明：闭环控制系统的检测环节是把系统的输出信号传到系统的输入端，与给定值进行比较。输出信号往往是各种物理量：电压、流量、速度，这些值往往与系统的给定值不同，取值的范围也不同，所以不能与输入信号直接比较，需要测量并转化，检测环节正是起这个作用。相当与眼睛和皮肤，感知输出信号的变化。
控制器：对输入信号（偏差值）进行运算，
并发出控制命令
执行器：根据指令对被控对象直接控制
例：人体温度控制系统
实际体温
-
正常体温
大脑中枢
循环系统
人体（包括皮肤）
+
检测装置
1.电冰箱的温度控制系统
控制
电路
电机-压缩器组
电冰箱
制冷量
箱内温度
预置温度
检测装置
（热敏电阻）
【案例分析】
温度
控制器
冰箱
温度
制冷装置
温度检测装置
+
-
电冰箱
控制量
设定温度
又：冰箱控制方框图：
该控制系统工作时的主要干扰因素有哪些
环境温度、冰箱门的开启
2.瓦特式速度调节器
发动机
进油量
设定转速
离心调
节器
发动机转速
调节阀
转速检测装置
(齿轮组)
比较器
+
-
3、供水水箱的水位自动控制系统p112
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
4、加热炉的温度自动控制系统
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
思考：在加热炉的温度控制系统中，可能有哪些干扰因素，系统是如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内的？
5、自动电热水壶控制系统
P104马上行动
电信号
（输入）
控制系统
锅内温度
（输出）
1、
（1）普通家用电饭煲的煮饭控制方框图
（2）普通家用电饭煲的保温温度控制方框图
+
设定温度
K
(开关）
输出
温度
R
电热盘
双金属片
-
电饭锅
70~80度
饭熟
接通电源
开关
电热盘
内锅
温度
问题：
（输入）
设定亮、灭时序
（输入）
给定车
流量
主控中心
（输出）
信号控
制装置
红绿灯
实际车
流量
+
感应线圈
-
自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统。请画控制方框图。
2、交通路口的红绿灯是怎样控制？
电脑
（输出）
时序控
制装置
红绿灯
灯亮、
灭时序
电流
定时控制系统
　　
资料：根据车流量自动改变红绿灯
控制系统属于我市首次引进的国外技术，其内容包括交通信号灯、感应器及信号控制器、主控中心等各路口都将在地下埋放一种感应线圈，车辆从上面通过时，路面感应线圈可以计算出车辆的速度和流量，这些信息输入中心控制室后，由主机电脑统一计算，然后根据车流大小自动变换红绿灯。比如哪个方向的车流量大，该方向的绿灯时间自动延长；没有行人时可以保持一直绿灯，同时也能将同一道路上各路口的红绿灯实现联网，使“一路绿灯”成为可能，大大提高车辆通行速度和交通安全。
控制系统的干扰因素
控制系统设计方案
控制系统的实现与调试
三、闭环控制系统的干扰与反馈
控制系统的设计与实施
1.（1）控制系统的干扰因素（p108 ）
含义：除输入量以外引起被控量变化的各种因素（环境、人为，可以克服也可以利用）
找出干扰的方法：引起输出量变化的原因
说明：控制系统的干扰因素是导致系统不稳定的因素，控制系统的稳定性能与干扰因素有关
例：自动扶梯的升降控制，蔬菜大棚的温度控制
一般控制系统中，干扰因素是需克服的。
（1）消除干扰：
（2）减弱干扰:
(3)提高控制系统性能:
而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。
如在飞机上不能使用通信设备
如采用闭环控制系统
如电器在使用时要远离其他电子设备
（2）反馈
将输出量通过适当的检测装置返回到输入量并与输入量进行比较的过程。
反馈方法：利用反馈来分析和处理控制对象，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。
闭环控制系统的核心:通过反馈来减少被控量的偏差。
反馈在系统的作用与特点的不同，可以将其分为正反馈和负反馈。
负反馈：通过输入、输出之间的差值作用于控制系统，控制器使这个差值不断缩小。这种系统控制精度高，系统稳定。
正反馈：对小的变化进行放大。
（3）闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制 闭环控制
能否调节和补偿
控制精度
结构
适用场合
方框图
否
能
差
好
简单
复杂
稳定场合
相对不稳定
无回路，无反馈
有回路，有反馈
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。
应用：能实现人脑的模拟 电脑 单片机 飞机
（4）控制论的主要方法
功能模拟法和黑箱方法
西瓜
看听拍
生或熟
控制系统
系统的输入
系统的输出
黑箱
黑箱
黑箱方法：将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及其功能的方法
作用:分析系统内部的结构和功能。大脑的研究，卢瑟福粒子散射试验、心电图检查、计算机的基本性能检查
判断生熟鸡蛋：
摇、转、看
鸡蛋
生或熟
心电图检查：
跳动信号
心脏工作
情况
心率波动图
篮球实际投掷的位置
-
篮圈的位置
控制器（大脑）
执行器（手）
被控对象（篮球）
+
检测装置（眼睛）
问题:
p117练习（1-3）
帆船运动：”凭风借力
好行船“
2、1)控制系统设计方案
控制系统的设计p118
1)控制系统的设计主要应明确要达到的目的、控制的对象、被控量和控制量、干扰因素的克服、设计方案应能达到目的，易于实现。
2)设计的基本要求：稳定性、精度和抗干扰性能符合设计要求。
3)设计步骤：
设计要求－－设计分析－－控制过程分析－－方案构思－－方案实施
简单控制系统的设计过程：一、明确设计目的 二、确定设计方案 三、选择实现方法 四、完成设计 五、评估
控制系统的设计
明确控制的目标
确定被控量、控制量
分析主要的干扰因素
分析被控对象的重要特性
控制系统的方案选择
控制系统的调试、运行和评价
系统的成本分析
实施控制系统所需的设备、元件等
……
确定被控量、控制量是关键
对于简单系统，控制量常被确定为被控量
控制系统设计的一般思路
2)控制系统的设计报告
设计描述 （因为什么要进行方案设计）
设计要求 （控制动作、控制精度、成本、外观、结构等要求）
设计分析 （控制方式、控制方框图、各个控制环节）设计准备 (实现控制需要的工具、设备、材料）
方案设计（多个方案）(草图、原理图、三视图、组装图等）
方案筛选
方案实现
1、开环控制系统的设计
例1：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——电风扇；
被控量——电风扇输出的风速；
控制量——电机的转速；
定时器
电机
电风扇
设定转速
风速
转速
例2：电吹风控制系统的设计
被控对象——电吹风；
被控量——风的速度和温度；
控制量——电机的电压；
干扰因素——房间温度、电源电压的波动；
设定电吹风的档位（输入）
电机、风扇、电热丝
风的速度和温度（输出）
闭环控制系统的基本要求：
1.闭环控制系统必须是稳定的；
2.系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；
3.要有较好的抗干扰性能；
2、闭环控制系统的设计
例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计要求是什么？
是开环还是闭环控制？
被控对象、被控量、控制量是什么？
主要的干扰因素是什么？
请用方框图画出水箱的控制过程。
如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，谈谈你的构思。
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
杠杆比较
进水阀门
水箱
预设水位
进水量
水位
浮球
1、电子音乐门铃的控制对象和输出量分别是什么
控制对象：扬声器 输出量：音乐声
2、箱温度控制中不属于干扰因素的是（ ） A、打开冰箱门 B、把食物放到冰箱内
C、市电电压下降 D、房间温度变化很大
３、列不属于开环控制系统的是（ ）
A自动门 B 自动声控灯 C自动烘手机
D电饭锅温控系统
4、有人说“开环控制系统都是人工控制系统”，
自动控制系统都是闭环控制系统你认为这一说
法是否正确，试举例说明。
自动门、声控灯、声控门。
练习
？
5.随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一
种具体应用。其工作过 程是由 “声－电转换装置”
将起伏的音乐强度转换为随之而变化的电信号，这
种电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐声信号强，
水泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就
高。反之，喷出的水柱就低。音乐信号的强弱与喷
泉水柱的高低一一对应。请回答以下问题：
请画出控制方框图.
音乐
信号
声电转
换装置
和电机
水泵
喷头
水柱
高低
1)是开环还是闭环？
2)输入量和输出量分别是什么
蜡烛
点燃
双金属片
受热弯曲
电路导通
蜡烛
火灭
风扇
6.画出自动灭火控制系统方框图
原理是：蜡烛点燃产生高温使双金属片弯曲变形，电路接通，电机通电运转产生风能将蜡烛熄灭。
外界的主要干扰因素有哪些？
电机转速、风速与方向受室内空气流动性影响
风
7.有报纸报道，一位八岁小女孩在进某酒店的旋转
大门时，被旋转大门夹住，结果造成重伤。现请
你帮忙设计一个控制系统的方案，使旋转大门遇
到阻力时能够自动停止转动。请你画出该控制系
统的方框图，说明其工作过程。（提示：可以采
用压力传感器检测是否受到阻力）。
当人被旋转大门夹住时，压力传感器会检测到
大门遇到阻力控制电路接收到该信号 。
压力异
常信号
压力传感器
控制电路
电机刹
车装置
门
门锁定
8．案例分析题 下面两图分别是瓦特蒸汽机的工作原理图和蒸汽供给控制原理图。如右下图所示，套筒与阀门连在一起，当蒸汽机的转速较高时，飞球离心力增大，套筒向上移动，阀门通孔截面积减少，蒸汽流速降低，蒸汽机汽缸内压力减少使其转速下降。
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 （选填开环或闭环）控制系统。
(2) 请补充完整蒸汽机转速自动控制系统方框图。
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 闭环 （选填开环或闭环）控制系统。
1）设计一个家用窗帘简易控制
电路，设计要求天亮时自动
开启，天暗时自动关闭。请
画出控制系统方框图。
9、设计题：
天亮
天暗
光检测
控制电路
电动机
窗帘开启
或关闭
（输入）
窗帘
（输出）
2）现在我们可画出雨天自动关窗系统控制方框图。
是否
有雨
湿度传感器控制电路
电动机
窗户
开或关
3）设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。
4）p124练习1 练习2
（4）画出控制系统的框图。

10、案例分析及设计题：水塔自动抽水控制系统的设计。如图所示是水箱液位控制系统，当水箱出水量大时,水位下降浮子下沉，带动活塞偏离进水口位置，此时进行补水直到水箱里的水位上升到给定水位，浮子上浮，活塞归位。在这个系统中，浮子、活塞以及两者之间的连杆机构组成一个杠杆系统。试回答以下问题：

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