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第四單元　控制及其設計
一、選擇題
1.如圖所示是某水溫控制系統示意圖。蒸汽對容器中的水加熱后變成冷凝水排出。熱電偶對出水的溫度進行檢測,并將測得的信號送到PID控制器與設定的溫度比較,PID控制器根據偏差值控制電磁閥調節蒸汽的流量。下列因素的變化對蒸汽流量的調節沒有影響的是(　　)
A.冷凝水的溫度 B.進水的溫度
C.熱電偶的性能 D.PID控制器的設定參數
2.某游泳池水位控制系統的控制過程為:水位傳感器檢測游泳池的實際水位,并將信號返回到輸入端與設定水位進行比較,當實際水位低于設定水位時,控制器發出指令打開進水閥門;當實際水位達到設定水位時,控制器發出指令關閉進水閥門。下列說法中不正確的是(　　)
A.該控制方式是閉環控制 B.設定水位發生變化是干擾因素
C.被控對象是游泳池 D.執行器是進水閥門
3.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,輸送給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
4.為方便人們出入,一些醫院、賓館等場所都安裝了自動門。當人走近門時,紅外裝置檢測到人體熱輻射發出的紅外信息,控制電路接收信號并發出指令,啟動電動機將門打開,反之門關閉。下列關于該自動門控制系統的分析中說法正確的是(　　)
A.紅外裝置起反饋作用 B.電動機的轉動是被控量
C.被控對象是醫院、賓館等場所 D.門的開啟或關閉是輸出量
5.小明要為聽覺障礙者的住所設計一個門鈴控制系統,當有人來訪時,“門鈴”能提醒聽覺障礙者。設計時他將指示燈確定為被控對象,下列構思不可行的是(　　)
A.該控制系統的控制手段可選用自動控制
B.執行器可選用電子開關
C.聲音傳感器可作為檢測部件
D.該控制系統的控制方式可定為閉環控制
6.如圖所示是汽車蓄電池電量控制系統示意圖。汽車電氣負載消耗蓄電池的電能,當蓄電池電量下降到設定值下限時,發電機在動力控制模塊的控制下給蓄電池充電,電量檢測裝置檢測到蓄電池電量達到設定值上限時,發電機停止給蓄電池充電。下列關于該控制系統的分析中正確的是(　　)
A.被控對象是汽車 B.汽車電氣負載變化屬于干擾因素
C.執行器是動力控制模塊 D.控制量是蓄電池的電量
　　如圖所示是液體原料定量控制系統。其工作過程是:流量計檢測到流出的液體原料流量值,把信號反饋給控制器,與設定的流量值進行比較,達到設定的流量值時,控制器控制桶泵關閉。請回答7～8題。
7.關于該定量控制系統,以下說法正確的是(　　)
A.因為有檢測裝置,所以該控制系統是閉環控制
B.該控制系統的被控對象是桶泵
C.該控制系統的控制量是設定的流量值
D.該控制系統的被控量是液體原料的流量值
8.在桶泵停止運行后,由于軟管中的原料具有慣性會繼續流動,導致誤差。為了提高計量精度,以下對該系統進行優化的措施中最合適的是(　　)
A.減小軟管的直徑
B.縮短軟管的長度
C.提高流量計的計量精度
D.在軟管出口端加電磁閥與桶泵同步控制
9.如圖所示是自動門示意圖。當人走進感應區域時,檢測裝置探測到人體信號,控制電路接收到該信號后,發出相應的指令,啟動電動機把門打開。當門開啟之后,控制電路將做出判斷,如果沒有人在感應區域內,就通知電動機做反向運轉,將門關閉。關于該控制系統,下列說法中正確的是(　　)
A.輸入量是人體信號,所以是人工控制
B.門開啟之后可以自動關閉,存在反饋環節
C.自動門的開啟或關閉與檢測裝置是否檢測到人體信號相對應
D.有人在感應區內從門口經過不會對系統的控制產生干擾
10.如圖所示,某數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。其中伺服系統是數控機床的重要組成部分,用于實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統的作用是把接受來自數控裝置的指令信息,經功率放大、整形處理后,轉換成機床執行部件的直線位移或角位移運動。測量元件將數控機床各坐標位的實際位移值檢測出來并經反饋系統輸入到機床的數控裝置中,數控裝置對反饋回來的實際位移值與指令值進行比較,并向伺服系統輸出,達到設定值所需的位移量指令。關于該數控機床說法不正確的是(　　)
A.數控機床控制系統為閉環控制
B.控制量是向伺服系統輸出的達到設定值所需的位移量
C.給定量是數控機床各坐標軸的設定位移值
D.被控對象是機床主體
11.如圖所示為一款四旋翼無人機及其控制示意圖。四旋翼飛行器的所有姿態和位置的控制都是通過調節四個驅動電機的轉速實現。當無人機處于懸停控制模式時,能根據設定值在空中保持靜止。下列關于無人機懸停控制系統的說法中不合理的是(　　)
A.該控制系統屬于閉環控制系統
B.該控制系統的被控量是無人機
C.空中氣流變化屬于干擾因素
D.該控制系統的控制手段是自動控制
12.外出旅游時家中植物無人照看,小明想設計一個精度較高的植物盆栽土壤濕度控制系統。當土壤干燥時,系統能自動澆水直至符合濕度要求。關于該系統的設計,下列構思最合理的是(　　)
A.該控制系統可選用開環控制方式
B.該控制系統控制手段可選用定時的機械控制
C.檢測元件可選用濕度傳感器
D.檢測裝置可放置在花盆邊緣的土壤表面
13.如圖所示是物料自動混合裝置控制系統示意圖,其基本工作過程如下:物料進口閥門受液位傳感器的影響,當加入的物料達到高液位時,停止進料。若物料混合需要加熱,則開啟加熱器,當檢測到溫度達到或超過設定值時,停止加熱,啟動電動機開始攪拌,當達到設定時間后,電動機停止,開啟排放閥,排放混合后的物料。從控制的角度分析,下列說法不正確的是(　　)
A.物料加熱控制子系統中,執行器是加熱器
B.注料液位控制子系統中,執行器是排放閥
C.液位控制和加熱控制子系統的控制器都是PLC
D.液位控制和加熱控制子系統都是閉環控制系統
14.如圖所示為一款數字扭矩扳手,可以預設扭力值,使用該扳手擰緊螺帽時,高精度扭矩傳感器靈敏有效地將施加的扭矩轉變為電信號,當施加扭矩達到預設扭力值時,控制電路控制電子開關閉合,發出聲音提示和燈光閃爍警示。下列關于該數字扭矩扳手的報警控制系統的描述中正確的是(　　)
A.控制方式屬于閉環控制 B.輸入量是預設扭力值
C.控制量是電子開關的閉合 D.輸出量是實際施加扭矩
　　如圖所示為溫室智能控制系統。其工作過程為各種傳感器采集溫室內的土壤濕度、土壤溫度、光照強度等實時環境數據,傳輸到控制中心,由中心平臺系統將最新監測數據與預先設定適合農作物生長的環境參數進行比較,如發現傳感器監測到的數據與預設數值有了偏差,控制中心會自動發出指令開啟電機、水閥、燈等設備進行調節,給作物提供合適的優良的生長環境。請根據示意圖及其描述完成第15～16題。
15.關于該溫室智能控制系統,下列分析中不恰當的是(　　)
A.溫室智能控制系統由傳感器、控制平臺、電磁閥等部分組成,體現了系統的整體性
B.先進的遠程工業自動化控制技術讓用戶足不出戶遠程控制溫室設備,體現了系統的目的性
C.需要定期檢查更換傳感器,體現了系統的環境適應性
D.該系統各要素之間相互聯系、相互作用,體現了系統的相關性
16.下列關于該溫室智能控制系統分析中正確的是(　　)
A.該系統對土壤濕度的控制屬于開環控制
B.該系統存在反饋裝置
C.被控對象是溫室的環境數據
D.輸入量是土壤
17.如圖a所示的“穩拍器”能保持拍攝設備的相對穩定,如圖b所示是“穩拍器”的原理框圖。加速度和陀螺儀傳感器將“攝像設備”的姿態反饋給中央MCU處理單元,中央MCU處理單元根據檢測到的“攝像設備”的姿態和運動情況,去控制電機做相應的動作,電機動作使“攝像設備”保持相對穩定狀態,拍出來的照片更清楚,錄制的錄像更穩定。下列關于該控制系統的分析中正確的是(　　)
A.被控對象是電機
B.拍攝中的晃動屬于干擾因素
C.執行器是中央MCU處理單元
D.控制量是“攝像設備”的姿態
18.如圖所示是農業大棚多點溫室測控系統。其中包括溫度控制和濕度控制。溫度控制是當大棚內溫度過高時增溫降溫器會降溫,當溫度過低時增溫降溫器會增溫。濕度控制是當大棚內濕度過低時大棚增濕器會在地膜下暗灌一定的水量,當濕度過高時會開啟通風設備,當濕度低于上限時停止通風。下列關于該控制系統的分析中正確的是(　　)
A.溫度控制子系統是閉環控制系統,濕度控制子系統是開環控制系統
B.溫度控制子系統的控制器是增溫降溫器
C.濕度控制子系統的執行器只有增濕器
D.該控制系統的被控量是大棚的濕度和溫度
19.如圖所示為某商場門口的電動液壓升降柱,通過升降柱來限制車輛從而保障交通秩序以及場所安全。電動液壓升降柱是由升降柱柱體、液壓傳動站、自動檢控器三部分共同組成。升降柱控制系統可遙控,也可自動識別,其中自動識別控制過程如下:當汽車靠近時,由車牌識別器識別車牌信息并傳遞給計算機,計算機控制小型大扭矩電機帶動液壓杠中的活塞上下運動,從而實現升降柱柱體的上升和下降。下列對該控制系統的分析中正確的是(　　)
A.被控對象是汽車
B.不同的車牌號碼是該控制系統的干擾因素
C.執行器是電機和活塞模塊
D.控制量是升降柱柱體的上升和下降
如圖所示為某造紙廠紙張卷繞系統示意圖,在卷繞過程中,要求紙張卷繞后的側面整齊一致。卷繞系統由卷筒驅動子系統和糾偏控制子系統組成。驅動系統由伺服電機和傳動裝置等組成;糾偏控制子系統的工作過程為:光電傳感器檢測紙張邊緣位置信息,并將信息輸入PLC控制單元與設定值比較,根據偏差值,控制油泵輸出高壓油進入油缸,推動活塞帶動支架移動,從而將紙張整齊卷繞在卷輥上。請根據示意圖及描述完成第20～21題。
20.從系統的角度分析,下列說法正確的是(　　)
A.伺服電機和傳動裝置是糾偏控制子系統中的兩個要素
B.卷輥上紙張的多少影響著活塞的推力大小,體現了系統的整體性
C.能使紙張卷繞后的側面整齊一致,體現了系統的動態性
D.油泵和油缸的性能是影響該系統優化的因素
21.下列關于糾偏控制子系統的分析中不正確的是(　　)
A.被控對象是油缸
B.糾偏控制子系統為閉環控制
C.活塞的移動量是系統的控制量
D.光電傳感器參與了系統的反饋過程
二、非選擇題
22.某學校安裝了如圖a所示的道閘控制系統,只有登記的機動車才能快速通過。該道閘由車輛識別儀、控制模塊、電機、傳動機構、平衡裝置、機箱、閘桿等部分組成。當登記的汽車駛入識別區域時,控制模塊控制電機轉動,升起閘桿。請根據示意圖和描述,完成以下任務。
(1)該控制系統的控制方式和控制手段屬于　　　、　　　(在“A.開環控制;B.閉環控制;C.人工控制;D.自動控制”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(2)不屬于該控制系統干擾因素的是　　　(在“A.車輛識別儀的靈敏度下降;B.傳動機構各連桿磨損;C.駛入識別區域的機動車的車牌發生變化”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(3)該道閘控制系統在設計時既要考慮系統的先進性、可靠性,同時還要兼顧系統的可擴展性和易維護性,體現了系統分析的　　　(在“A.整體性原則;B.科學性原則;C.綜合性原則”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(4)如圖b所示為閘桿升降運動的驅動機構,此刻若電機軸逆時針轉動,則閘桿的運動方向為　　　(在“A.升起;B.下降;C.保持不動”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(5)小明發現當有車輛沖撞閘桿時,容易造成閘桿彎曲斷裂。小明構思了以下桿把的結構,下列設計方案中合理的是　　　(在下列選項中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處)。
23.如圖甲所示是自動配料控制系統的示意圖。稱重傳感器將檢測到的落料質量信號送到PLC,與設定質量比較,再通過調速流量調節器控制落料;PLC通過速度傳感器檢測驅動電機的轉速,來控制變頻器變頻,調整電機的轉速來達到皮帶速度與設定值一致。根據自動配料系統,完成以下的題目。
(1)自動配料控制系統包括流量控制與速度控制,其中流量控制的控制手段是　　　,速度控制的控制方式是　　　。(在“A.開環控制;B.閉環控制;C.人工控制;D.自動控制”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(2)配料流量控制與電機速度控制的執行器分別是　　　和　　　(在“A.流量調節器;B.料斗;C.驅動電動機;D.變頻器”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處);
(3)如圖所示的是系統啟動時的工作流程圖,以下關于該流程圖(圖乙)說法中,不合理的是　　　(在“A.‘料斗有料 ’的判斷是其中一個環節;B.實時計量與PID調節是串行工序;C.啟動生產線與電動機運行是并行工序”中選擇合適的選項,并將字母填入“　　　”處);
(4)在設計時,要實現一個穩定的流量輸出,要建立料斗出料與速度之間的數量關系,才能比較精確地實現一定的流量輸出。這在系統分析中符合　　　原則(在“A.整體性;B.綜合性;C.科學性”中選擇合適的選項,將字母填入“　　　”處)。
24.如圖所示是一種車庫門關門控制系統示意圖,圖中汽車從車庫中開出,卷簾門上方的超聲波傳感器檢測汽車開出的距離,當超出一定的距離時,可編程控制器PLC給電動機指令,電動機轉動帶動卷簾門關閉。請根據示意圖和描述,完成以下任務:
(1)該系統的控制手段和控制方式分別屬于　　　和　　　(在“①手動控制;②自動控制;③開環控制;④閉環控制”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(2)該系統的被控對象是　　　(在“①卷簾門;②電動機;③汽車”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(3)系統示意圖中裝在卷簾門兩側的發射燈和光敏傳感器的作用應該是　　　(在“①實現白天超聲波控制卷簾門系統起作用,晚上不起作用;②當汽車開到卷簾門中間的時候,汽車擋住發射燈的光線,卷簾門開始關閉;③防止超聲波傳感器出現故障時,當汽車在卷簾門下方,卷簾門不會被關閉”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(4)為了實現卷簾門關到底部時準確地停止,對該系統優化的有效措施是　　　　和　　　(在“①增加定時器與系統相連,并改用精準度高的電動機;②增加速度傳感器與系統相連,并且降低電動機轉速;③卷簾門的底部安裝限位開關與系統相連;④提高超聲波傳感器的靈敏度”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處)。
25.如圖所示為汽車電動助力轉向控制系統示意圖,其工作原理是電子控制單元ECU根據扭矩傳感器檢測到的轉向盤轉角信號、汽車速度信號和汽車負載信號綜合確定轉向助力大小和方向,并控制電動機相應轉動,電動機作用于減速機構,減速機構帶動轉向齒輪、轉向齒條和連接桿使車輪轉到相應角度。請根據示意圖和描述,完成以下任務:
(1)該系統的控制手段和方式分別屬于　　　和　　　(在“①手動控制;②自動控制;③開環控制;④閉環控制”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(2)該系統的被控對象是　　 　(在“①電動機;②減速機構;③轉向齒輪、轉向齒條和連接桿;④車輪”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(3)該系統中的負載信號的傳感器應選用　　 　(在“①速度傳感器;②力敏傳感器;③磁敏傳感器”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處);
(4)屬于該系統干擾因素的是　　　(在“①汽車剎車減速;②駕駛員猛打方向盤;③汽車進入強力磁場區域;④汽車駛過坑洼地帶”中選擇合適的選項,將序號填入“　　　”處)。
1.A　該控制系統是水溫控制系統,有反饋,所以是閉環控制系統,被控對象是容器中的水,輸出量是水的實際溫度,輸入量是設定的水溫,熱電偶是溫度檢測儀,PID是控制器,電磁閥是執行器,蒸汽的流量是控制量,是執行器的輸出量,被控對象的輸出量發生變化后,系統做出了調整,才會導致控制量的變化,冷凝水的溫度不會影響輸出量的變化,故選A。
2.B　該泳池水位控制系統,“水位傳感器檢測游泳池的實際水位,并將信號返回到輸入端與設定水位進行比較”,存在反饋,故為閉環控制系統,可寫出控制系統框圖如下圖所示,故選項A、C、D說法正確;設定水位是該系統的給定值(輸入量),不是干擾因素,而干擾是指除輸入量外其他會引起系統改變的量,故B選項說法不正確。
3.A　液位設定值是輸入量,并不是干擾因素,干擾因素指的是除了輸入量之外一切能夠引起輸出量變化的因素,其他選項均可以影響輸出量(液位的實際值),故正確答案選A。
4.D　本題考查控制系統分析。題目所描述的是自動門控制系統,所以該系統控制的是門的打開或關閉,所以被控對象是門,門的開啟或關閉是輸出量。在該控制系統中,沒有檢測裝置檢測自動門的打開或關閉狀態并反饋給控制電路,故該控制系統是開環控制系統,也就不存在反饋現象。另外,電動機的啟動是門打開的直接原因,故電動機是執行器,電動機的轉動是控制量;紅外線檢測到的人體熱輻射發出的紅外信息是輸入量。故可知A、B、C選項均錯誤,D選項正確。
5.D　本題考查控制系統的設計。根據題意,要設計一個聽覺障礙者住所的門鈴控制系統,該系統可以利用聲音傳感器檢測聲音來判斷是否有來訪者,故選項C正確;可以通過執行器——電子開關控制指示燈來提醒聽力障礙者,故B項正確;整個控制系統是自動控制的開環控制系統,故選項A正確,選項D不正確。
6.B　本題考查控制系統的組成及干擾因素。該系統是閉環控制系統,控制目的是將蓄電池的電量控制在一定的范圍內。輸入量是設定蓄電池電量上下限,控制器是動力控制模塊,執行器是發電機,被控對象是蓄電池,輸出量是實際蓄電池電量值。檢測反饋裝置是電量檢測裝置,控制量為發電機的發電量,汽車電氣負載變化會影響蓄電池的電量,故屬于干擾因素,故選項B正確。
7.D　檢測裝置不是判斷開環和閉環的依據,而是反饋,故選項A不正確;該控制系統的被控對象是液體原料,故選項B說法不正確;設定的流量值是該控制系統的給定量,也是輸入量,故選項C不正確。故選D。
8.D　減小軟管的直徑、縮短軟管的長度、提高流量計的計量精度都與計量精度無關。在軟管出口端加電磁閥與桶泵同步控制,當桶泵關閉時,軟管出口電磁閥也關閉,則軟管中的液體就不會從軟管流出,故選項D正確。
9.C　該系統是自動控制,故選項A不正確;該系統存在檢測,不存在反饋環節,故選項B不正確;有人在感應區內從門口經過,門就會打開,對系統的控制產生干擾,故選項D不正確。故選C。
10.B　11.B
12.C　該系統需要將土壤濕度控制在某一范圍內,需選用閉環控制方式,故選項A不合理;該控制系統的控制手段需要電子控制,故選項B不合理;檢測裝置需放置在土壤中間位置,故選項D不合理。故選C。
13.B　注料液位控制子系統中,執行器應為物料A、B、C閥門,排放子系統的執行器是排放閥,故選項B不正確。
14.C　該控制方式不存在反饋,是開環控制系統,故選項A不正確;輸入量是實際的扭力值,輸出量是聲音提示和燈光閃爍警示,故選項B、D不正確。故選C。
15.C　本題考查系統的性質,溫室智能控制系統需要定期檢查更換傳感器,體現了系統的動態性,所以答案為選項C。
16.B　本題考查開環和閉環控制系統。輸入量為設定的各項參數,控制器為控制中心,電機、水閥、燈等設備為執行器,溫室為被控對象,該控制檢測了實際的濕度、溫度、光照強度,并與設定值進行比較,存在反饋,屬于閉環控制系統,所以答案為選項B。
17.B　18.D
19.C　該系統為電動液壓升降柱控制系統,被控對象為升降柱,故選項A不正確;不同的車牌號碼屬于輸入量,不屬于干擾因素,故選項B不正確;控制量為活塞的上下運動,升降柱柱體的上升和下降應為輸出量,故選項D不正確。故選C。
20.D　伺服電機和傳動裝置是驅動系統的組成部分,不是糾偏控制子系統的組成部分,故選項A不正確;卷輥上紙張的多少影響著活塞的推力大小,體現出系統的相關性,故選項B不正確;系統的動態性是系統隨著時間,內部會發生改變,故選項C不正確。故選D。
21.A　糾偏控制子系統的被控對象是紙張,故選項A不正確;糾偏控制子系統有反饋環節,屬于閉環控制系統,故選項B正確;控制量是執行器輸出量,活塞是執行器,故活塞的移動量是系統的控制量,故選項C正確;光電傳感器用來檢測輸出量,參與了系統的反饋過程,故選項D正確。
22.解析:(1)該控制系統屬于開環控制系統;控制過程由道閘控制系統自動完成,不需要人干預,屬于自動控制。故選A、D。
(2)駛入識別區域的機動車的車牌屬于系統的輸入信號,不是系統的干擾因素,故選C。
(3)先進性、可靠性、擴展性和易維護性都屬于系統的目標,綜合考慮多個目標屬于系統的綜合性原則,故選C。
(4)電機軸逆時針轉動,連桿2在曲柄和連桿1的推動下也逆時針轉動,搖桿在連桿3的推動下也逆時針轉動,搖桿通過方孔與閘桿剛連接,閘桿也逆時針轉動,所以閘桿的運動方向為下降,故選B。
(5)車輛沖撞閘桿的力是往前的,所以閘桿在碰撞時應向前轉動,
故選B。
答案:(1)A　D　(2)C　(3)C　(4)B　(5)B
23.(1)B　D　(2)A　D　(3)C　(4)C
24.(1)②　③　(2)①　(3)③　(4)①　③
25.(1)②　③　(2)④　(3)②　(4)③、④

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