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第4单元 控制与设计(2)
5、闭环环控制系统的基本组成和工作过程【Ⅱ】
（1）闭环控制系统案例分析：
在游泳池的注水系统中，将输入由设定注水时间改为设定游泳池水位，增加一个检测游泳池水位的装置（如水位电极），检测游泳池的实际水位，并把测量值返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），与给定值相比较，当实际水位比设定水位低时，水位控制器控制进水阀门继续注水；当实际水位达到设计的水位时，控制器发出信号关闭进水阀门。
（2）闭环控制系统：系统的 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。
（3）开闭环控制系统的判断依据：
A、如果控制系统是被控量是一个“可持续变化的量”，同时系统控制的最经终目的是将该量控制到某个设定的值则是闭环；反之，如果控制系统控制的是几种“状态”，那么可以判断是一个开环控制系统。
B、闭环控制系统必定存在检测装置，这个检测装置检测的是被控量的变化。
【案例1】饮水机保温控制系统的工作原理：当饮水机接通过电源后，饮水机内胆中的水开始加热，并由感温包来检测水温，并把检测到的水温通过比较器与预先设定的温度进行比较，当实际温度与设定的温度相同时，由控制电路发送指令给加热器停止加热，则水温随之下降，当内胆中的水温低于设定水温时，加热器则又开始加热，这样就形成了饮水机 “烧烧停停”的保温方式。
【分析】
被控量：水的温度，它是一个可持续变化的量，而控制的最终目的是将水温控制至指定温度。
检测装置：感温包检测的是内胆中的实际水温（即被控量）。
【案例2】小黄发现办公室的饮水机在没人时电源还开着。为了解决这一问题，他尝试设计一个能自动控制电源的控制系统，通过红外线传感器获取几米以内的人体热辐射信号来控制电源的开启或关闭。
【分析】
被控量：该系统中最终控制目的是电源的开关，这是一种状态，不是可持续变化的量，所以该系统是开环控制系统。
检测装置：红外线传感器也可称之为检测装置，但它检测的是输入而不是输出（被控量）。
6、闭环环控制系统的基本组成和工作过程【Ⅱ】
（1）闭环控制的框图
（与开环相比，闭环比开环多了反馈回路）
（2）反馈的含义：控制系统中将输出量通过适当的 返回到输入端并与 进行比较的过程。
（3）闭环控制系统中反馈环节的作用：闭环控制系统的核心是通过 来减少 的偏差。
（4）典型闭环控制系统：电冰箱的温度控制系统、空调、红绿灯自动控制（根据车流量改变红绿灯时间）、抽水马桶水箱水位控制系统等
7、控制系统的干扰因素【I】
（1）干扰因素：在控制系统中，除 （给定值）以外，引起 变化的各种因素称为干扰因素。
（2）控制系统可以通过 来减少被控量的偏差，减少干扰因素对系统的影响。
（3）由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时，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，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。
【案例】在游泳池的注水系统中，如果进水管单位时间的水流量一定，那么游泳池水位高度与进水时间是一一对应的。现通过将注水时间值（假设1小量）设定到定时器中，开启进水阀门注水，一旦时间到达，定时器就会通过进水阀门关闭，停止向游泳池注水。
有时，在注水过程中，可能由于进水管的水流量变小，在指定时间内游泳池无法达到指定水位的情况。
【分析】
该系统是开环控制系统还是闭环控制系统？
在以上案例中的干扰因素是 。
被控量：该系统的被控量是游泳池的水位。
检测装置：没有检测装置检测被控量（即游泳池的实际水位）是否达到指定水位。
8、功能模拟方法和黑箱方法【I】
（1）、功能模拟法：用结构不同，但功能和行为相似的模型来模拟原型的方法；模拟人的脑、眼、鼻、耳、舌等身体器官。
如： 等；
（2）黑箱方法：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。它提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构及功能的方法。
系统的输入 系统的输出
如：望闻问切， ， 等。
9、控制系统设计方案【Ⅱ】
（1）控制系统设计的基本步骤
明确设计要求（目的）：
设计分析：被控对象、被控量、控制量、主要的干扰因素
方案构思：选择开（闭）环、简单的工作原理、对应的开（闭）方框图
（2）闭环控制系统的基本要求：
A、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是 。
B、控制系统的控制 必须符合要求；
C、闭环控制系统应有较好的 性能；
（3）开环控制设计举例：电吹风控制系统的设计（P119页）
【案例】工作原理是设定相应的档位后（即接通电源），电吹风的电机开始工作，电热丝发热、风扇转动将外部的空气带入吹风机的内部后再吹出热风。
1．夏天买西瓜，可以通过“观瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性”来判断西瓜的生熟。像这种通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断系统内部结构的方法，就是( )A．功能模拟方法 B．结构分析方法 C．功能分析方法 D．黑箱方法2、“黑箱“的方法主要是研究系统的( )A．输入和输出的关系 B．内部和外部的关系 C．结构与功能的关系 D．要素与整体的关系3、使用者虽然不一定懂得电视机内部的构造和机理，却知道按哪个开关打开它，调整哪些开关可以得到清晰稳定的画面效果，判断什么情况下大概出了什么故障等等。这是（ ）方法的一种具体应用。　 A.功能模拟法 B.箱方法　　　　C.反馈方法 D.控制方法4、干扰对控制系统的影响是（ ）A.使控制系统的输出量发生变化 B.使控制系统的输入量发生变化C.使控制系统的控制量发生变化 D.使控制系统的输出量和输入量同时发生变化5、闭环控制系统中克服干扰的主要手段是（ ）A．增加反馈环节 B．加强人工监测C．消除外界干扰因素 D．人工控制与自动控制相结合6．右图是小明设计的一款机器人，工作原理是通过检测场地预设路线的光值来控制机器人行走。影响该机器人沿预设路线行走的因素有：（ ）A．室内温度 B．室内湿度 C．室内光的强弱 D．室内声音7．冰箱在恒温控制工作过程中，会受下列因素影响而使其温度发生改变：①开关冰箱门，②电源电压不稳，③有人在冰箱边烤火，④箱内温控器失灵，其中属于温度控制系统中的干扰因素的是：（ ）A．①②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④8．冰箱的温控系统采用闭环控制，为了进一步提高其抗干扰性能，设计中采取的措施：（ ）A．增加反馈环节 B．提高压缩机制冷量C．提高箱体隔热性能 D．说明书上建议用户将冰箱远离其他家用电器放置9．下列选项中不属于黑箱方法的是：（ ）
A．国际象棋中的人机对弈 B．用万用表去测试一段电路是否断路
C．通过拍打西瓜表面来判断西瓜成熟情况 D．中医看病的“望闻问切”10如图所示是上海世博会“智能化垃圾气力输送系统”中的垃圾桶，桶内装有容量传感器，当垃圾达到桶容积的80%时，该信息传输到垃圾处理控制中心，中心启动千米外的抽风机开始抽气，将垃圾吸住“垃圾收集站”。关于这个控制系统，下列说明正确的是A、执行器是容量传感器 B、控制器是抽风机C、被控对象是桶内垃圾 D、设定值是实际吸出的垃圾量11、医疗诊断方法中不属于黑箱方法的是
12．李阳同学在做饭过程中，为节省时间，给高压锅减压阀的重锤加重物后进行煮烧，结果高压锅爆炸了。根据控制原理，重锤增加重物的目的是：（ ）A．提高了检测装置的灵敏度 B．减少了实际压力C．减少了给定压力 D．增大了给定压力13、温式燃气热水器的操作过程为：设定水温打开水龙头燃气燃烧。水龙头流出的水应保持在设定的水温，该系统为闭环控制系统。那么其反馈装置应检测的量是：（ ）A．火焰的温度 B．设定的水温 C．进水管的水温 D．出水管的水温14、波是某农科大的学生，暑期回家发现本村的鸡繁殖仍依靠母鸡的孵化。为了改变这种低效的孵化状况，他利用电子控制技术设计了一个简易的温度控制系统。该系统工作过程如下：设置好上限温度（39℃）和下限温度（37℃），确定孵化室的温度（37℃－39℃）。然后将温度传感器安放在孵化室内，用于检测温度并随时将信息反馈给比较器。当反馈的温度低于下限温度时，控制器受到触发后发出接通电加热器电路的指令，指令信号经接口电路推动电磁继电器电路动作，闭合电加热器电路，电加热器对孵化室加热；当反馈的温度达到上限温度时，控制器则发出断开指令，电加热器电路断开，停止加热。该控制系统中被控对象是：（ ）A．温度传感器 B.电磁继电器 C.电加热器 D.孵化室15、（接上题）外界的干扰随时都可能影响孵化室的温度。有关干扰因素的说法，正确的是：（ ） A．引起被控量变化的各种因素都是干扰因素 B．干扰因素仅作用与闭环控制系统C．只有人工参与才能克服干扰因素影响，而该控制系统是全自动的，故抗干扰能力较差D．该系统是通过增加温度传感器来克服干扰因素影响16．接上题，为克服加热器在停止工作后余热对温度控制的干扰，应该：（ ）A．适当调高预设的上限温度 B．适当调低预设的上限温度C．适当调高预设的下限温度 D．适当调低预设的下限温度17．有报纸报道，一位8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。为此，酒店对大门进行了重新设计，采用压力传感器检测是否受到阻力，使旋转大门遇到阻力时能够自动停止转动。如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后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动刹车动作，将门刹住，防止以外事故发生。改进后的酒店旋转大门控制系统为：（ ）A．自动控制、闭环控制系统 B．自动控制、开环控制系统C．手动控制、闭环控制系统 D．手动控制、开环控制系统18．（接上题）在“压力传感器是否检测压力异常信号（输入）→控制系统→门锁定（输出）”这一控制系统中，我们主要研究：（ ）A．其输入和输出关系 B．控制系统内部组成C．结构和功能的关系 D．内部和外部的关系19．（接上题）根据给定材料，该控制系统中的执行部件是：（ ）A．控制电路 B.压力传感器 C.门 D.电机
20、如下图，是一种多功能充气机的工作原理图，即可以给充高压（给汽车轮胎充气），也可以充低压（给排球篮球等充气）试回答以下问题： （1）该控制系统是开环控制还是闭环控制？（2）该控制系统中的控制量和输出量分别是什么？（3）画出控制系统的方框图。21、李明制作了方便小动物喝水的自动加水器，结构如图。工作过程是当水龙头打开，水就流入碗内，碗内的水位逐渐升高，浸没到塑料管管口时，没有空气进入密封的铁桶，水龙头停止出水；当碗内水位降低至塑料管管口以下，空气从塑料管进入铁桶内，水又流出来，使碗内实际水位控制在管口位置。试分析其控制过程，完成下列问题：（1）该控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统？（2）请填写完成控制系统方框图中所缺部分。（3）假设原来搪瓷碗内的水位控制在5厘米，现在需要把碗内水位控制在8厘米，请问可以采取什么方法？
22．夏天空调工作过程：打开空调后，用户须设置一个设定温度T。接着，微处理器就不断地将温度感应器探测出来的室内温度t与设定温度T进行比较：如果t > T，则微处理器发出指令使继电器接通，这时压缩机开始工作、制冷；如果t < T，则微处理器发出指令使继电器断开，这时压缩机便不工作。这样就达到了恒温、制冷的效果。（１）空调的制冷系统是属于开环控制还是闭环控制？ （2）画出控制系统方框图。23．图中是一个能够报警的输液装置。其中输液报警器由弹簧、带触点的金属片A、金属片B、报警器等组成。请回答：（1）铁架台上的横杆与支撑杆之间采用的是刚连接还是铰连接？要使该装置保持稳定，对于底座支撑面的大小有何要求？ 、 （2）简述输液报警器是如何在输液瓶中的药水接近打完时发出报警声的？ （3）该系统的整体功能是什么？ ；任意换一根劲度系数不同的弹簧，是否会影响整体功能的实现？ 。24．为了保证奥运期间北京的交通顺畅有序，北京启用了一种智能化的地感线圈，通过它能够感应车流量的多少，使红绿灯指挥更加智能化。 在交通路口，如果地感线圈感应的通过车辆超过100辆，或者车辆排队长度超过80米，就说明进入流量饱和状态了，这时，控制端就会自动给路口的信号机发出指令，加长绿灯的放行时间。反之，缩短绿灯时间，从而保证路口的通行效率。请回答下列问题：（1）此红绿灯控制系统是 ▲ （填开环或闭环）控制系统。（2）请补充完整该红绿灯控制系统的方框图。如果是开环控制系统，则检测装置和比较器不存在，⑥不填。
25、如图所示为高层楼房自动稳压供水控制系统原理图，其工作原理是：当用户用水量变化时，管道中的水压发生变化，检测装置把检测到的水压信号反馈给控制器，与设定水压进行比较，控制器根据偏差值控制电机及水泵的转速，调节供水量，保持管道中的水压稳定。
根据示意图及其描述，在控制系统方（1）框图中“ ▲ ”处填写与自动稳压供水控制系统 原理图中相对应的内容。
（2）请为该系统的检测装置选择一个合适的传感器（从水温传感器、水压传感器、水位传感器中选择一个，填在“ ▲ ”处） ▲ 。26如图所示为磁悬浮地球仪及控制系统原理图，控制器发出的交流电信号，通过电感线圈产生交变磁场，使地球仪产生感生电流，由于线圈产生的磁场和地球感生电流的磁场是相斥的，从而产生电磁悬浮力，将地球仪悬浮起来。位置传感器检测地球仪位置，并将检测到的信号发送给控制器与设定信号进行比较，控制器根据比较偏差值调整交流电信号。（1）根据控制系统原理图及其描述，在控制系统方框图中 处填写与磁悬浮地球仪控制系统原理图中相对应的内容。（2）地面振动、风力等都会引起地球仪位置发生变化，这些因素在控制系统中称为 。
参考答案：
5(2)输出量
6(1)
(2)检测装置 给定量
(3)反馈环节 被控量
7(1).输入量 被控量
(2)反馈环节
进水管的水流量变小
8(1).机器人\人机对弈
(2).血压计测血压的方法\听诊器检查身体的方法
9(2)稳定 精度 抗干扰
1-10:DABAA CACAC
11-19:BDDD B BBD
20、（1）闭环控制系统
（2）气流量 实际气压
（3）
21、（1）闭环控制系统
（2）水龙头、实际水位
（3）铁桶往上升3CM；
22、（1）闭环控制系统
23、
（1）底座的支撑面积要大，底座要重；
（2）随着药水瓶重要减轻，弹簧由于药水瓶的拉力减少而收缩致使金属片A与金属片B接触接通电源发出报警声。
（3）输液安全报警装置，会；
24、
（1）闭环；
（2）
25、（1）给定水压 电机及水泵 管道 实际水压 检测装置
（2）水压传感器
26、给定位置 地感线圈 地球仪 实际位置 位置传感器 干扰因素
系统的内部结构和功能
输入量
（①）
控制器
（②）
被控对象
（④）
输出量
（⑤）
执行器
（③）
检测装置（⑥）
比较器
+
-
控制器
执行器
被控对象
检测装置
给定量
被控量
触点开关
增压泵
储气罐
弹簧
给定气压
实际气压
微处理器
压缩机
空调
温度感应器
给定温度
实际温度
控制端
信号机
红绿灯
地感线圈
给定车流量
实际车流量

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