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(共39張PPT)
　控制與設計
　干擾與反饋
1．反饋的含義
自動控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程稱為 。
反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。
2．簡單控制系統運行的主要干擾因素
在控制系統中，除輸入量(給定值)以外，引起被控量變化的各種因素稱為________________。
注意以下幾點：
①來源問題。有的干擾因素是由于環境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風等；有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。
反饋
干擾因素
②數量問題。在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。
③處理問題。控制系統在工作中必須克服干擾，使被控量穩定。空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器檢測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。
④利用問題。在一般控制系統中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統進行干擾，使之不能正常工作。但在生產生活中，我們需要以謹慎、嚴謹的態度對待干擾因素的利用。
3．閉環控制系統中反饋環節的作用
將輸出量通過適當的檢測裝置，返回到輸入端并與輸入量(給定值)進行比較，從而減少輸出量的偏差，使________________控制在給定值附近。
被控量
4．閉環控制系統的工作過程
當干擾因素作用在閉環控制系統上時，會引起系統輸出量(被控量)偏離給定值；此時閉環控制系統中的檢測裝置能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較；然后控制器根據比較得到偏差信號控制執行器工作，執行器得到指令后直接控制被控對象進行調節，從而使系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。
5．功能模擬方法和黑箱方法
方法 含義
(1)_____________ 以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法。
(2)_____________ 把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。
功能模擬方法
黑箱方法
例1　[2020.1浙江]如圖所示是澆鑄機結晶器鋼水液位控制系統示意圖。澆鑄時，中間包連續向結晶器澆注鋼水，鋼水在結晶器內冷卻結晶后被拉坯裝置拉出形成鋼坯。結晶器內鋼水液位的穩定和高低，直接影響鋼坯的質量和產量。鋼水液位波動引起電渦流傳感器與液面之間的間隙產生變化，從而引起電渦流信號變化，液位儀根據信號的大小計算出實際液位，送給PLC與液位設定值比較，PLC根據比較差值通過驅動器控制電動缸運動，帶動塞棒升高或降低，改變中間包澆注口的大小，調節流入結晶器內鋼水的流量，從而使液位穩定在一定范圍內。該控制系統中對結晶器鋼水液位控制精度沒有影響的是(　　)
A．液位設定值
B．液位儀的性能
C．電動缸的運動精度
D．電渦流傳感器的靈敏度
A 勝券解析：本題考查控制系統的基本組成。由“從而使液位穩定在一定范圍內”知，該控制系統為閉環控制系統，液位設定值是輸入量，對控制精度沒有影響。
Ｂ
　【解析】本題考查控制系統的分析。該汽車蓄電池電量控制系統控制的是蓄電池的電量，故被控對象是蓄電池，輸出量是實際蓄電池的電量，給蓄電池充電的是發電機，所以發電機是執行器，發電機給蓄電池充入的電是控制量。汽車電氣負載變化（不是輸入量）能夠引起蓄電池電量的變化，屬于干擾因素。
C
A
例５　［２０１８．４浙江］下列關于控制系統的說法中，正確的是（　　）
Ａ．有檢測傳感器的控制系統就是閉環控制系統
Ｂ．直接對被控對象進行控制的裝置或元件稱為執行器
Ｃ．控制器發出的控制信號稱為控制量
Ｄ．能引起被控量發生變化的因素都是干擾因素
【解析】檢測傳感器是否存在不能作為開環控制系統和閉環控制系統的區別標志，在開環控制系統中可能存在檢測傳感器用于檢測外部環境變化，給系統提供輸入信號，而在閉環控制系統中檢測傳感器常用于檢測輸出量，故Ａ 項錯誤；執行器產生控制量，控制量作用到被控對象上后引起輸出量的改變，因此執行器直接對被控對象進行控制，故Ｂ項正確；控制器發出的信號是對執行器產生作用的命令信號，該信號決定執行器是否動作，控制量是執行器發出的信號，故Ｃ 項錯誤；根據干擾因素的定義，除輸入量（或給定量）外，能引起被控量發生變化的因素統稱為干擾因素，因此Ｄ 項錯誤。
B
D
B
例8　恒溫式燃氣熱水器的溫度控制系統為閉環控制。下列因素中，不屬于該溫度控制系統干擾因素的是(　　)
A．燃氣的流量
B．進水的流量
C．進水的溫度
D．出水的溫度
D
例9　下列方法中不屬于黑箱方法的是(　　)
A．用儀器測試集成電路輸出信號判斷集成電路的功能
B．通過腦電波檢查診斷病人大腦的狀況
C．列車司機用錘子敲擊車輪，通過聲音判斷有無故障
D．通過胃鏡檢查診斷病人的胃部疾病
D
例10　如圖所示為中科院研發的一款智能機器人，能模仿人唱歌、跳舞等。這種用機器人模仿人的功能和行為的方法屬于(　　)
A．黑箱方法
B．移植方法
C．虛擬方法
D．功能模擬方法
D
【解析】本題考查功能模擬法的概念。功能模擬法是指用“模型”模擬“原型”的特定功能、行為的方法。“用機器人模仿人的功能和行為”符合功能模擬法的概念，因此D項符合題意。
控制系統方案的設計
(1)對控制系統的設計：①明確控制要達到的目的；②分析被控對象的主要特征；③控制系統的方案選擇；④控制系統的調試、運行和評價；⑤系統的成本分析。
(2)開環控制系統的設計：明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統的方案。
(3)閉環控制系統的設計：①控制精度必須符合要求，系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；②控制系統必須是穩定的；③要有較好的抗干擾性能。
例11　如圖所示是一款寵物自動喂水機，寵物靠近時，閥門自動打開，離開后自動關閉。該控制系統的控制方式和宜采用的傳感器是(　　)
A．開環控制、紅外傳感器
B．閉環控制、壓敏傳感器
C．開環控制、濕敏傳感器
D．閉環控制、聲敏傳感器
A
例12　如圖所示為公共廁所人體感應自動供水系統示意圖。當探頭檢測到有人進入廁所，控制器控制電磁閥打開，向水箱供水。適合用作探頭的是(　　)
A．紅外傳感器
B．壓力傳感器
C．水位傳感器
D．光敏傳感器
A
A
A
C
B
B
　【解析】（１）根據題干可知，該控制系統不存在反饋，故為開環控制系統。（２）在系統設計時，對相關工作參數進行定量分析，體現了系統分析的科學性原則。（３）滾柱直徑的變化是輸入量，不屬于干擾因素。（４）當上方電磁翻板未打開時，能
保證滾柱在翻板上順利滾下，可排除Ａ、Ｂ方案；考慮到電磁翻板的轉軸在末端，并要實現平滑開啟，可排除Ｄ 方案。（５）金屬表面處理中電鍍可防止生銹。
例14　[2020浙江模擬]如圖所示是蔬菜大棚自動化控制系統。它通過控制加熱器及制冷器、通風設備對溫度進行自動調節，同時通過控制加濕機與除濕器的工作自動調節環境的相對濕度，使環境的溫度和濕度達到適宜的范圍。并采取可靠的光纖通訊網絡實現遠程設備的操作和相關數據的報警提示。請根據示意圖和描述，完成以下任務。
(1)蔬菜大棚自動化控制系統中溫度控制和相關數據的報警提示的控制方式分別屬于________和________控制(在A.人工；B.自動；C.開環；D.閉環中選擇合適的選項，將序號填入“________”處)；
D
C
(2)該濕度控制子系統的執行器是________(單選：在A.加濕機；B.除濕器；C.加熱器；D.制冷器；E.加濕機和除濕器中選擇合適的選項，將序號填入“________”處)；
(3)防盜報警子系統中的傳感器最好選用________(在A.①③④；B.②③④；C.③④⑤中選擇合適的選項，將序號填入“________”處)；
①濕度傳感器；②速度傳感器；③紅外人體熱輻射檢測裝置；④磁控開關探測器；⑤玻璃破碎探測器
(4)蔬菜大棚自動化控制系統由上位機、通訊主機、數顯控制器、農業大棚、大棚增溫降溫器等組成。其中農業大棚不能被稱為系統的________(單選：在A.子系統；B.部分；C.要素；D.環節中選擇合適的選項，將序號填入“________”處)。
(5)小明為了響應國家節能降耗的號召，需要對系統進行優化，下列不屬于影響系統優化的因素是________(在A.改裝LED燈具；B.安裝自然通風管道；C.安裝太陽能熱水器；D.安裝實時監控系統中選擇合適的選項，將序號填入“________”處)。
E
C
D
D
(3)該系統的執行器是________(在①晾衣桿；②電機；③開關中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為了實現傍晚時能將衣物收回室內，對該系統優化的有效措施是________和________(在①提高傳感器的靈敏度；②增加溫度檢
例15　如圖所示是一款可伸縮的防雨晾衣裝置示意圖。晾衣時按動開關，電機帶動滑輪轉動，將晾衣桿連同衣物移到室外，下雨時，傳感器檢測到信號后，電機帶動滑輪反向轉動，將晾衣桿和衣物收回室內。請根據示意圖和描述，完成以下任務：
(1)該裝置防雨控制的手段屬________(在①手動控制；②自動控制中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(2)該系統中的傳感器可選用________(在①熱敏傳感器；②光敏傳感器；③濕敏傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
②
③
②
③
④
測及對應的控制子系統；③增加光線檢測及對應的控制子系統；④增加定時控制子系統中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(5)下列因素中，不屬于影響本系統優化的因素是________(在①傳感器的靈敏度；②控制系統的精度和可靠性；③系統的制造和使用成本；④環境溫度、濕度和光線的變化中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
④
【解析】本題考查手動控制和自動控制、傳感器、控制系統的工作過程與方式、系統的優化、影響因素和約束條件。　(1)手動控制指的是控制過程需要人的直接干預和全程干預；自動控制指的是在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。　(2)該控制系統的傳感器用于檢測有沒有下雨，所以用濕敏傳感器。　(3)該系統執行器是電機，被控對象是晾衣桿。　(4)為了實現傍晚時能將衣物收回室內，可以根據檢測到的光照強度進行控制或用定時控制。　(5)系統優化的影響因素是人為可以調節改變的，而約束條件是人為不能改變的。環境溫度、濕度和光線的變化不是人為能改變的，屬于約束條件。
例16　如圖所示是智能車位引導系統示意圖。該系統能夠準確、快速引導駕駛員到達空余車位，其工作過程是：中央處理器接收到超聲波車位探測器探測的車位信息，經過處理后控制信息發布器把空余車位信息通過引導屏和車位指示燈顯示出來。根據示意圖及其描述，請回答下列問題。
(1)根據上述描述，分析該車位引導系統的控制過程，在方框圖中“________”處填寫相應的內容。
(2)該智能車位引導系統可以分為信息采集、信息處理、信息發布三個子系統，其中的信息發布子系統包括信息發布器、________、________(在①車位指示燈；②超聲波車位探測器；③數據庫；④引導屏中選擇兩項，將序號填寫在“________”處)。
(3)系統設計時要考慮車位定位準確、顯示及時、抗干擾、便于維護，還要統籌兼顧成本、安裝等要素，這體現了系統分析的________原則(在①綜合性；②科學性；③整體性中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
①超聲波車位探測器探測的車位信息　②中央處理器　③信息發布器　④空余車位信息
①
④
①
例17　電子警察是現代道路交通安全管理的有效手段，計算機根據雷達探測到的汽車位置變化信號，計算出汽車的行駛速度并判斷是否超速，如果超速則啟動照相機抓拍，并將拍攝到的圖像信息輸送到監控中心。請根據上述說明，完成以下任務：
(1)該控制系統的控制方式屬于________控制(在①開環；②閉環中選擇一項，將序號填寫在“________”處)；
(2)該控制系統的控制手段屬于________(在①手動控制；②自動控制中選擇一項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該控制系統的輸出量是________(在①汽車的行駛速度；②超速車輛的圖像；③雷達信號中選擇一項，將序號填寫在“________”處)；
①
②
②
(4)為了實時監測汽車行駛速度，應用雷達技術探測汽車的位置變化信號，通過數學模型計算出汽車的行駛速度，判斷是否超速。這體現了系統分析的________原則(在①整體性；②科學性；③綜合性中選擇一項，將序號填寫在“________”處)；
(5)照相機對超速車輛抓拍時會受到各種干擾，以下因素中不屬于干擾因素的是________(在①雨霧；②沙塵；③車輛速度中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
③
②
例18　如圖所示的隧道內設置有通風控制系統，用于調節隧道內的空氣質量和能見度。當檢測裝置測出隧道內的煙霧濃度值超過設定值時，控制器控制電機帶動風葉運轉。請回答下列各題：
(1)根據上述描述，分析該系統的控制過程，在方框圖中“________”處填寫相應的內容。
①煙霧濃度值信號　②電機　③風葉　④是否運轉
(2)該系統在設計時，根據隧道的長度、車流量、汽車尾氣排放量、氣候建立數學模型進行研究，為確定風機的通風量和機組的數量、布置測控點提供依據，這體現了系統分析的________原則(在①整體性；②科學性；③綜合性中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
(3)該系統發生故障后，當隧道內的煙霧濃度值超過設定值時，容易發生交通事故。為了提高系統的可靠性，確保隧道內行車安全，需要對系統進行優化，以下措施中合理的是________(在下列措施中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
①在隧道口設置聲光報警裝置，提醒司機注意；
②在隧道口設置減速帶；
③增加備用設備，當該系統發生故障時，備用設備能自動投入使用。
②
③
例19　如圖所示是自動變速扶梯系統控制過程示意圖。無乘客時，扶梯緩慢運行；當乘客進入檢測傳感器的檢測范圍時，控制器接收到傳感器的檢測信號，控制電動機和傳動裝置加速轉動，扶梯正常運行。請回答下列各題：
(1)根據示意圖及描述，分析自動扶梯系統控制過程，在方框圖中“________”處填寫相應的內容：
　　　
　　
(2)為防止扶梯加速使乘客站立不穩，檢測傳感器的安裝位置應在________(在①乘客進入扶梯踏步前；②乘客進入扶梯踏步之后中選擇一項，將序號填寫在“________”處)；
①檢測傳感器檢測到是否有人的信號　②電動機和傳動裝置　③扶梯　④運行速度
【解析】本小題考查控制系統的組成分析。該系統是控制扶梯正常運行的開環控制系統，根據信號傳輸的過程，系統各部分依次運轉，因此輸入量①為檢測傳感器檢測到的乘客信號，執行器②為電動機和傳動裝置，被控對象③為扶梯，輸出量④為扶梯正常運行。
①
(3)該系統在運行時需要解決下面的問題，當乘客進入檢測傳感器檢測范圍時，扶梯正常運行，當乘客隨著扶梯運行離開檢測范圍后，扶梯又回到緩慢運行狀態，而此時乘客還沒離開扶梯。從合理性、可行性方面考慮，以下措施中合理的是________(在下列措施中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
①控制器中安裝計時器，當有乘客進入時，扶梯正常運行，計時器開始計時；若達到設定的乘客離開扶梯的時間，無其他乘客進入，扶梯自動緩慢運行，有其他乘客進入時，計時器將重新計時。
②在扶梯上布滿檢測傳感器，保證乘客在扶梯上的任一位置都能被檢測到，只有乘客完全離開扶梯時，扶梯才會緩慢運行。
③在每個踏步上安裝檢測傳感器，只要踏步上有乘客便正常運行，無乘客時便緩慢運行。
①
謝謝！

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