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《控制與設計》單元復習與練習課件
控制與設計單元復習
一、控制的方式與應用
1.控制的含義
人們按照自己的意愿或目的,通過一定的手段,使事物向期望的目標發展,這就是控制。
2.控制產生的原因：由于事物的發展與變化具有多樣性，為了讓事物發展的結果是人們所期望的，需要“控制”。
3.控制的三要素
三要素 對象 目的 手段
含義 被控制的事物 人們的意愿或期望的方向 控制實施的方式和方法
4.控制的手段：控制的實現需要通過一定的手段
(1) 按照是否有人工干預情形來分類:
人工控制:控制的過程是在人的直接干預和全程干預下進行。
自動控制: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。
智能控制是自動控制領域里的一個新的分支和發展方向，具有智能信息處理、智能信息反饋和智能決策的控制方式，它能在無人干預的情況下，自主地驅動智能機器實現控制目標。
(2)按照控制信號流和執行部件的不同，自動控制可分為：機械控制、氣動控制、液壓控制、電動控制、電子控制等。
（3）控制按是否有反饋可分為開環控制、閉環控制
控制與設計單元復習
在很多控制的事例中，控制的手段是多樣、綜合的。
5.控制的應用
控制在日常生活、工農業生產、軍事、航天、現代科技等領域都有著廣泛應用
二、控制系統的工作過程與方式
（一）控制系統
1.控制系統的含義
任何一種控制的實現,都要通過若干個環節共同實現,這些環節所涉及的裝置就構成了一個系統,稱為控制系統。
2.控制系統的輸入與輸出
(1)輸入量:控制系統的啟動信號。
(2)輸出量（被控量）:控制系統所要控制的信號,即控制系統的輸出信號。
（3）控制系統的輸入與輸出之間有一定的對應關系。
控制與設計單元復習
3.控制系統的分類
開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統
4.控制系統的方框圖
在控制系統中,為了分析的方便,常采用方框來表示系統的環節,用單向
信號線來表示系統信號傳遞的方向,這種圖稱為控制系統的方框圖。
控制與設計單元復習
方框圖：
（二）開環控制系統
1.開環控制系統的概念
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響,這種控制系統稱為開環控制系統（例如自動打鈴系統、自動門控制、定時控制的紅綠燈、電風扇的速度控制、防盜報警控制系統）。
2.開環控制系統的方框圖
控制與設計單元復習
輸入量
輸出量
控制器
執行器
被控對象
檢測裝置（傳感器）
控制量
3.開環控制系統各部分的說明
(1)被控對象:控制系統中所要求控制的裝置或生產過程。
(2)控制器的作用:對輸入信號進行處理并發出命令。
(3)執行器的作用:直接對被控對象進行控制。
(4)控制量:執行器的輸出信號。
4.開環控制系統特點
輸入量決定輸出量，信號單向傳遞，輸出量對整個系統的控制不產生任何影響，系統不能對控制結果加以修正、調節。
控制與設計單元復習
（三）閉環控制系統
1.閉環控制系統的概念
系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。例如空調溫度控制系統、水箱水位自動控制系統。
2.閉環控制系統的方框圖

控制與設計單元復習
3.閉環控制系統各部分的說明
(1)給定量:即輸入量。
(2)被控量:即輸出量。
(3)檢測裝置:檢測出被控量并返回到系統的輸入端。
(4)比較器:將給定量與所檢測的被控量進行比較,求出偏差值。
(5)控制器的作用：將偏差值進行運算處理，并向執行器下達控制指令。
(6)執行器的作用：根據指令直接對被控對象進行控制。
4.閉環控制系統特點
信號傳遞路徑有兩條，正向通道和反向（反饋）通道，形成閉合回路。
閉環控制系統抗干擾能力強。當被控量偏離正常值，就會產生相應的控制作用去消除偏差，從而使被控量穩定在一定范圍內。閉環控制系統的給定量與被控量是同一性質的物理量。
控制與設計單元復習
（四）開環控制系統與閉環控制系統的判斷
1.開環控制系統與閉環控制系統的判斷方法
根據定義判斷 輸出量對控制系統的工作不產生影響的是開環控制系統,輸出量影響控制系統工作狀態的是閉環控制系統
根據信號傳遞特征判斷 開環控制系統信號單向傳遞,閉環控制系統信號雙向傳遞
根據反饋的有無判斷 開環控制系統不存在反饋,閉環控制系統存在反饋
判斷檢測裝置檢測的量 檢測裝置檢測的量是輸入信號是開環；檢測裝置檢測的量是被控量，并且返回到輸入端與輸入量進行比較才是閉環
控制與設計單元復習
簡單控制系統的工作過程分析
控制與設計單元復習
如圖所示為某同學設計的自動干手器原理示意圖，當手靠近傳感器時，傳感器將感應信號發送給控制器，控制器控制繼電器閉合，電吹風開始工作。畫出其控制系統方框圖。
控制器
繼電器
電吹風
電吹風工作/停止
傳感器測到手信號
定時器
設定注水的時間
進水閥門
游泳池
游泳池的水位
水流量
定時器控制
游泳池的定時注水控制
公共汽車車門的開關控制
控制器
執行器
被控制對象
（按開關）
輸入量
（電磁閥）
（控制電路）
（推動活塞）
控制量
（車門）
（車門開或閉）
輸出量
為了方便人們的出入，一些醫院、賓館和銀行都安裝了自動門。當有人走近大門時，大門就會自動打開，如圖所示。
當有人走近自動門時，門上方的紅外線裝置檢測到人體熱輻射發出的紅外線信息，控制電路接收到該信號后，便會發出相應的指令，啟動電機運轉，從而帶動門自動開啟(或者控制氣動裝置，使門向兩邊打開)。當門開啟之后，控制電路將作出判斷，如果沒有人在檢測范圍內，就通知電機做反向運轉，使門關閉。可見自動門的開啟或關閉只與紅外線裝置是否檢測到人體發出的信號相對應。
（人體紅外信號）
輸入量
（電機）
（控制電路）
（門）
（門開或閉）
輸出量
控制器
執行器
被控制對象
游泳池閉環控制改進
水位檢測裝置
控制器
進水閥門
游泳池
實際水位
水流量
控制器
檢測水位裝置
+
-
設定水位
比較器
控制與設計單元復習
如圖所示是花盆土壤濕度控制系統示意圖。其工作原理是：控制電路將探頭測得的濕度值與設定值相比較，根據偏差值控制電磁閥門打開或關閉，使土壤濕度值達到設定值。請根據上述說明，完成以下任務。
（1）該控制系統屬于 。
A 人工開環控制 B 自動開環控制 C 人工閉環控制 D 自動閉環控制
（2）請將系統方框圖補充完整。
A 控制電路 B 土壤濕度 C 花盆 D 電磁閥門 E 進水
探頭
比較器
設定土壤濕度

閉環控 制系統 恒定輸 出類 電冰箱恒溫控制系統
感溫元件測出冰箱內的實際溫度,與設定的溫度進行比較,若冰箱內的溫度高于設定值,溫度控制器將啟動壓縮機給電冰箱制冷,使冰箱內的溫度降低,直至與設定值一致
動態跟 蹤類 風力發電機跟蹤風向的控制系統
風向測定裝置將檢測到的風向信號送給比較器與設定值比較,迎風控制裝置根據風向角度偏差信號控制偏航電機運轉,調整風輪角度,使風輪始終對準風向
控制與設計單元復習
　　控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入（feedback）端并與輸入量進行比較的過程就是反饋。
什么是反饋？
控制與設計單元復習
（五）反饋與干擾因素
閉環與開環的比較
①有檢測裝置，一定是閉環嗎？錯誤，開環輸入可能有檢測裝置；
閉環一定有檢測裝置；
②閉環開環可以通過有無反饋來區分？正確
誤區
③閉環開環均會受到干擾？正確
開環受干擾后影響大；閉環可以克服干擾，注意，不是消除，是克服。
什么是干擾？
關于干擾
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干擾（interference）因素。
干擾因素都是作用在被控對象上，其作用是破壞控制系統的平衡
干擾因素可能有一個，也可能有若干個；
干擾因素有自然環境造成的，也有人為的；
幾乎所有控制系統都存在著干擾因素，干擾不可能被杜絕
干擾既存在于閉環控制中，也存在于開環控制中；
在一般控制系統中，干擾因素需要被克服。
在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現某種目的。
干擾因素
控制與設計單元復習
三、控制系統的設計與實施
控制與設計單元復習
1.控制系統的設計要素：
明確控制目的——了解被控對象的基本特性——分析被控量和控制量及控制系統的干擾因素——確定執行器和控制器——確定控制類型及方案——控制系統的成本分析——畫出必要的設計圖紙——選擇元器件——控制系統的制作、調試、運行、優化、評價。
2.開環控制系統的設計
對控制精度要求不高，系統本身很穩定的應用，采用開環控制系統，開環控制系統，結構簡單，成本低。開環控制系統的設計在明確設計要求、被控對象、被控量、和控制量后，就可考慮具體方案。
3.閉環控制系統的設計
對控制精度要求高，高可靠，較好的抗干擾性，考慮采用閉環控制系統，閉環控制系統，結構復雜，成本高。在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重解決。
1.如圖所示是一款測量耳溫的溫度計。它有一個聲光警報裝置,當測得的溫度高于37.5℃時,就會發出嘟嘟聲并閃爍。這個溫度報警控制系統的控制手段和方式屬于 (　　)

A.機械控制、開環控制　　
B.電子控制、開環控制
C.機械控制、閉環控制　　
D.電子控制、閉環控制
B
單元檢測
控制與設計單元復習
2.如圖所示是某同學設計的自動干手器原理示意圖,當手靠近傳感器時,傳感器將感應信號發送給控制器,控制器控制繼電器閉合,電吹風開始工作。若將電吹風看做被控對象,則執行器是 (　　)
A.傳感器　 B.控制器
C.繼電器 D.插頭
C
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3.如圖所示為一款高鐵站自動取票機，用戶點擊屏幕上“互聯網取票”菜單命令并將身份證置于讀取器位置后，電腦(單片機)接收到信息，打印車票并驅動相關電機及機械裝置，將車票從取票口送出。關于自動取票機的控制，下列說法正確的是(　　)
A．該控制是閉環控制
B．被控對象是車票
C．輸出量是電機的驅動
D．執行器是電腦(單片機)
B
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4.為提高城區道路通行率，某些城區道路試用了行人“請求式信號燈”。其工作原理是：行人按下行人過街按鈕后，請求信號立即傳遞到信號控制器，信號控制器根據機動車通行的實況，在適當的時間后發出指令，使行人信號燈由紅燈轉換為綠燈。關于請求式信號燈控制系統，以下分析不正確的是
(　　)
A．控制方式為開環控制
B．控制量是按下行人過街按鈕
C．“請求式信號燈”使行人過馬路安全高效，體現了系統的目的性
D．設計該系統時既要保證行人安全通過，又要減少對車輛通行的影響，體現了系統分析的綜合性原則
B
控制與設計單元復習
5.電子手輪常用于CNC機床工作原點設定、主軸電機微調等動作。當手輪旋轉時，編碼器產生與手輪運動相對應的信號，通過PLC的處理和放大控制機床主軸電機旋轉使負載達到相應角度。關于該控制，下列說法錯誤的是(　　)
A．該控制是開環控制
B．主軸電機旋轉是被控量
C．手輪旋轉是輸入量
D．執行器為主軸電機
B
控制與設計單元復習
6.如圖所示是居民樓的儲水供水控制系統原理圖，當檢測裝置檢測到水塔中的水位低于設定水位時，控制器控制水泵運轉，使水塔的水位升高到設定水位。該控制系統的方框圖是(　　)
C
控制與設計單元復習
7.在孵化箱溫度控制系統設計過程中，衛同學想增加一個高溫報警子系統，當孵化箱溫度控制出故障時，若內部溫度過高，則發出報警聲。要設計該報警子系統，下列構思不可行的是(　　)
A．執行器可選用電子開關
B．揚聲器可以用作被控對象
C．控制器可以采用帶有溫度傳感器的控制電路
D．因為要檢測溫度，所以要通過閉環控制系統實現
D
控制與設計單元復習
控制與設計單元復習
8.學校的自動、定時打鈴系統目前一般都由電腦控制，其控制系統為( )
機械控制、閉環控制系統
電子控制、閉環控制系統
C. 機械控制、開環控制系統
D. 電子控制、開環控制系統
答案：D
9.如圖為吊車設計的遠離危險控制系統。吊車上的感應器一旦感應到重物的存在，微電腦就會自動打開激光頭照射，在重物的下方地面上照射出一個紅色區域，提醒過往的人不要進入，被照射區域的大小也能遠程自動調整。下列關于該控制系統的說法中，正確的是(　　)
A．被控對象是吊車
B．執行器是激光頭
C．輸入量是檢測到人是否靠近
D．輸出量是激光頭照射出紅色區域
D
控制與設計單元復習
10.如圖所示的恒溫控制系統，由熱電偶/熱電阻采集溫度信號，經過變送器的處理后被A/D轉換器識別，并轉換為相應的數字信號。PLC對溫度信號進行處理后，通過模擬量模塊輸出電流信號，電流信號可以通過調壓器來控制電源的開度，從而控制電源的輸出功率。加熱器根據電源輸出功率調節加熱強度，從而達到溫度調節的效果。溫度設定值可以通過計算機進行調整。從控制系統角度分析，下列關于恒溫控制系統的說法中不正確的是(　　)
A．溫度傳感器參與了系統的反饋過程
B．該系統的執行器是調壓器和固體加熱器
C．室外溫度的變化是溫度控制系統的干擾因素
D．控制器是計算機和PLC
D
控制與設計單元復習
11.如圖所示是人行道噴水警示控制系統示意圖，在紅燈時段微波傳感器檢測到行人越過邊界時，控制器啟動水泵使噴頭噴出水霧，以警示行人。關于該控制系統，以下說法中正確的是(　　)
A．被控對象是人行道
B．控制方式屬于閉環控制
C．太陽光是該控制系統的干擾因素
D．執行器是水泵
D
控制與設計單元復習
12.如圖所示為一款賓館用的感應式液壓自動餐爐。當傳感器檢測到人靠近時，液壓裝置會自動打開爐蓋，方便客人查看或夾取食物，客人離開幾秒鐘后，爐蓋自動關閉，以保持食物的溫度與衛生。以下關于該爐蓋開合控制系統的分析中正確的是(　　)
A．控制方式屬于閉環控制
B．傳感器可以選用熱敏傳感器
C．執行器是液壓裝置
D．多人同時靠近為其干擾因素
C
控制與設計單元復習
13.小明正在設計一個簡易教室粉塵凈化控制系統。系統的傳感器檢測教室內粉塵濃度，當粉塵濃度高于一定值時，進氣扇和排氣扇自動開啟，吹入干凈空氣的同時排出含粉塵空氣，降低室內粉塵濃度。關于該控制系統，下列設計分析不正確的是(　　)
A．可以采用光敏傳感器檢測粉塵濃度
B．可以采用電磁繼電器的觸點作為風扇自動開關
C．被控對象是進氣扇和排氣扇
D．外界環境的粉塵濃度是該控制系統的干擾因素
C
控制與設計單元復習
14.如圖所示是自適應巡航控制系統(簡稱ACC)。信息感知單元為電子控制單元(EDU)提供車輛行駛狀況、操作狀況和路況信號，EDU根據這些信號與駕駛員設定的安全車距及巡航速度通過運算確定主車的行駛方案(即選擇保持安全車距還是選擇定速巡航的行駛方案)，并指令執行單元操作車輛的油門和剎車，使車輛按照駕駛員設定的要求行駛。下列關于對該控制系統的分析中不正確的是(　　)
A．ACC的輸出量是車輛的行駛速度及車距
B．在前方突然變道的車輛是干擾因素
C．ACC系統的控制器是電子控制單元(ECU)
D．噴入發動機的燃油量是ACC系統的控制量
B
控制與設計單元復習
15.如圖為一款果實采摘機器人，內燃發動機驅動兩臺油壓泵，其中的一臺是用于驅動機械手，另一臺用于驅動車輛行走，機器人內置的一套智能應用系統用以區分水果或者蔬菜成熟度，當采集系統傳感過來的參數與預設的瓜果成熟參數匹配時，智能應用系統驅動伺服電機轉動，從而帶動機械臂及切割刀完成采摘。以下關于該控制系統說法正確的是(　　)
A．此控制系統為閉環控制系統
B．采集系統傳感參數與預設參數比較的過程屬于反饋
C．被控量是伺服電機的轉動
D．預設的瓜果成熟參數不屬于該控制系統的干擾因素
D
控制與設計單元復習
控制與設計單元復習
自行車剎車控制過程如下：剎車時，施加一定的握把力，通過杠桿系統，使剎車片壓緊車圈（或輪軸），車輪減速。剎車握緊力與車輪轉速一一對應。這是一個開環控制系統，其方框圖如下。 在這個控制系統中執行器是（ ）。A．握把 B．杠桿系統 C．剎車片 D．車輪
答案：C
控制與設計單元復習
工業鍋爐是利用重錘進行壓力控制的，重錘掛在橫桿上，桿的支點在最左端，中間是鍋爐的排氣孔。請畫出控制框圖分析它是如何實現壓力控制的，指出橫桿的作用是什么。
橫桿的作用：給定輸入值（即壓力的大小）
控制與設計單元復習
如圖所示是花盆土壤濕度控制系統示意圖。其工作原理是：控制電路將探頭測得的濕度值與設定值相比較，根據偏差值控制電磁閥門打開或關閉，使土壤濕度值達到設定值。請根據上述說明，完成以下任務。
（1）該控制系統屬于 。
A 人工開環控制 B 自動開環控制 C 人工閉環控制 D 自動閉環控制
（2）請將系統方框圖補充完整。
A 控制電路 B 土壤濕度 C 花盆 D 電磁閥門 E 進水
探頭
比較器
設定土壤濕度

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C
B
如圖是某學生設計制作的電子鬧鐘，該電子鬧鐘有安卓控制板、鈴鐺、舵機及連線組成，其工作過程是：電腦編制程序，下載到安卓控制板上，運行后，驅動舵機搖晃鈴鐺發出聲音，請按要求完成以下題目：
1.從系統構成分析，在控制系統中，安卓控制板、鈴鐺、舵機等部件是——（A.簡單疊加 B.獨立工作 C.既相互聯系又相互制約）
2.在該控制系統中，如果舵機供電不足不能正常工作，會導致設定的鈴聲無法準時響起，這體現了系統的——
（A.實用性 B.整體性 C.目的性 D.環境適應性）
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C
A
A
3.在該控制系統方框圖中，將正確的選項字母填入括號內（A.鈴鐺 B.程序 C.舵機 D.安卓控制板 E.電流信號）
4.該控制系統屬于______（A.開環控制系統 B.閉環控制系統）
C
B
B
A

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