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第4單元 控制與設計(2)
5、閉環環控制系統的基本組成和工作過程【Ⅱ】
（1）閉環控制系統案例分析：
在游泳池的注水系統中，將輸入由設定注水時間改為設定游泳池水位，增加一個檢測游泳池水位的裝置（如水位電極），檢測游泳池的實際水位，并把測量值返回到控制系統的輸入端，通過一個具有計算功能的裝置（比較器），與給定值相比較，當實際水位比設定水位低時，水位控制器控制進水閥門繼續注水；當實際水位達到設計的水位時，控制器發出信號關閉進水閥門。
（2）閉環控制系統：系統的 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。
（3）開閉環控制系統的判斷依據：
A、如果控制系統是被控量是一個“可持續變化的量”，同時系統控制的最經終目的是將該量控制到某個設定的值則是閉環；反之，如果控制系統控制的是幾種“狀態”，那么可以判斷是一個開環控制系統。
B、閉環控制系統必定存在檢測裝置，這個檢測裝置檢測的是被控量的變化。
【案例1】飲水機保溫控制系統的工作原理：當飲水機接通過電源后，飲水機內膽中的水開始加熱，并由感溫包來檢測水溫，并把檢測到的水溫通過比較器與預先設定的溫度進行比較，當實際溫度與設定的溫度相同時，由控制電路發送指令給加熱器停止加熱，則水溫隨之下降，當內膽中的水溫低于設定水溫時，加熱器則又開始加熱，這樣就形成了飲水機 “燒燒停停”的保溫方式。
【分析】
被控量：水的溫度，它是一個可持續變化的量，而控制的最終目的是將水溫控制至指定溫度。
檢測裝置：感溫包檢測的是內膽中的實際水溫（即被控量）。
【案例2】小黃發現辦公室的飲水機在沒人時電源還開著。為了解決這一問題，他嘗試設計一個能自動控制電源的控制系統，通過紅外線傳感器獲取幾米以內的人體熱輻射信號來控制電源的開啟或關閉。
【分析】
被控量：該系統中最終控制目的是電源的開關，這是一種狀態，不是可持續變化的量，所以該系統是開環控制系統。
檢測裝置：紅外線傳感器也可稱之為檢測裝置，但它檢測的是輸入而不是輸出（被控量）。
6、閉環環控制系統的基本組成和工作過程【Ⅱ】
（1）閉環控制的框圖
（與開環相比，閉環比開環多了反饋回路）
（2）反饋的含義：控制系統中將輸出量通過適當的 返回到輸入端并與 進行比較的過程。
（3）閉環控制系統中反饋環節的作用：閉環控制系統的核心是通過 來減少 的偏差。
（4）典型閉環控制系統：電冰箱的溫度控制系統、空調、紅綠燈自動控制（根據車流量改變紅綠燈時間）、抽水馬桶水箱水位控制系統等
7、控制系統的干擾因素【I】
（1）干擾因素：在控制系統中，除 （給定值）以外，引起 變化的各種因素稱為干擾因素。
（2）控制系統可以通過 來減少被控量的偏差，減少干擾因素對系統的影響。
（3）由于某種干擾因素的存在，系統的被控量偏離給定值時，閉環控制系統中的反饋環節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，控制器根據比較得到的偏差信號進行調節，從而使系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。
【案例】在游泳池的注水系統中，如果進水管單位時間的水流量一定，那么游泳池水位高度與進水時間是一一對應的。現通過將注水時間值（假設1小量）設定到定時器中，開啟進水閥門注水，一旦時間到達，定時器就會通過進水閥門關閉，停止向游泳池注水。
有時，在注水過程中，可能由于進水管的水流量變小，在指定時間內游泳池無法達到指定水位的情況。
【分析】
該系統是開環控制系統還是閉環控制系統？
在以上案例中的干擾因素是 。
被控量：該系統的被控量是游泳池的水位。
檢測裝置：沒有檢測裝置檢測被控量（即游泳池的實際水位）是否達到指定水位。
8、功能模擬方法和黑箱方法【I】
（1）、功能模擬法：用結構不同，但功能和行為相似的模型來模擬原型的方法；模擬人的腦、眼、鼻、耳、舌等身體器官。
如： 等；
（2）黑箱方法：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。它提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構及功能的方法。
系統的輸入 系統的輸出
如：望聞問切， ， 等。
9、控制系統設計方案【Ⅱ】
（1）控制系統設計的基本步驟
明確設計要求（目的）：
設計分析：被控對象、被控量、控制量、主要的干擾因素
方案構思：選擇開（閉）環、簡單的工作原理、對應的開（閉）方框圖
（2）閉環控制系統的基本要求：
A、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是 。
B、控制系統的控制 必須符合要求；
C、閉環控制系統應有較好的 性能；
（3）開環控制設計舉例：電吹風控制系統的設計（P119頁）
【案例】工作原理是設定相應的檔位后（即接通電源），電吹風的電機開始工作，電熱絲發熱、風扇轉動將外部的空氣帶入吹風機的內部后再吹出熱風。
1．夏天買西瓜，可以通過“觀瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性”來判斷西瓜的生熟。像這種通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷系統內部結構的方法，就是( )A．功能模擬方法 B．結構分析方法 C．功能分析方法 D．黑箱方法2、“黑箱“的方法主要是研究系統的( )A．輸入和輸出的關系 B．內部和外部的關系 C．結構與功能的關系 D．要素與整體的關系3、使用者雖然不一定懂得電視機內部的構造和機理，卻知道按哪個開關打開它，調整哪些開關可以得到清晰穩定的畫面效果，判斷什么情況下大概出了什么故障等等。這是（ ）方法的一種具體應用。　 A.功能模擬法 B.箱方法　　　　C.反饋方法 D.控制方法4、干擾對控制系統的影響是（ ）A.使控制系統的輸出量發生變化 B.使控制系統的輸入量發生變化C.使控制系統的控制量發生變化 D.使控制系統的輸出量和輸入量同時發生變化5、閉環控制系統中克服干擾的主要手段是（ ）A．增加反饋環節 B．加強人工監測C．消除外界干擾因素 D．人工控制與自動控制相結合6．右圖是小明設計的一款機器人，工作原理是通過檢測場地預設路線的光值來控制機器人行走。影響該機器人沿預設路線行走的因素有：（ ）A．室內溫度 B．室內濕度 C．室內光的強弱 D．室內聲音7．冰箱在恒溫控制工作過程中，會受下列因素影響而使其溫度發生改變：①開關冰箱門，②電源電壓不穩，③有人在冰箱邊烤火，④箱內溫控器失靈，其中屬于溫度控制系統中的干擾因素的是：（ ）A．①②③④ B．①②③ C．①②④ D．①③④8．冰箱的溫控系統采用閉環控制，為了進一步提高其抗干擾性能，設計中采取的措施：（ ）A．增加反饋環節 B．提高壓縮機制冷量C．提高箱體隔熱性能 D．說明書上建議用戶將冰箱遠離其他家用電器放置9．下列選項中不屬于黑箱方法的是：（ ）
A．國際象棋中的人機對弈 B．用萬用表去測試一段電路是否斷路
C．通過拍打西瓜表面來判斷西瓜成熟情況 D．中醫看病的“望聞問切”10如圖所示是上海世博會“智能化垃圾氣力輸送系統”中的垃圾桶，桶內裝有容量傳感器，當垃圾達到桶容積的80%時，該信息傳輸到垃圾處理控制中心，中心啟動千米外的抽風機開始抽氣，將垃圾吸住“垃圾收集站”。關于這個控制系統，下列說明正確的是A、執行器是容量傳感器 B、控制器是抽風機C、被控對象是桶內垃圾 D、設定值是實際吸出的垃圾量11、醫療診斷方法中不屬于黑箱方法的是
12．李陽同學在做飯過程中，為節省時間，給高壓鍋減壓閥的重錘加重物后進行煮燒，結果高壓鍋爆炸了。根據控制原理，重錘增加重物的目的是：（ ）A．提高了檢測裝置的靈敏度 B．減少了實際壓力C．減少了給定壓力 D．增大了給定壓力13、溫式燃氣熱水器的操作過程為：設定水溫打開水龍頭燃氣燃燒。水龍頭流出的水應保持在設定的水溫，該系統為閉環控制系統。那么其反饋裝置應檢測的量是：（ ）A．火焰的溫度 B．設定的水溫 C．進水管的水溫 D．出水管的水溫14、波是某農科大的學生，暑期回家發現本村的雞繁殖仍依靠母雞的孵化。為了改變這種低效的孵化狀況，他利用電子控制技術設計了一個簡易的溫度控制系統。該系統工作過程如下：設置好上限溫度（39℃）和下限溫度（37℃），確定孵化室的溫度（37℃－39℃）。然后將溫度傳感器安放在孵化室內，用于檢測溫度并隨時將信息反饋給比較器。當反饋的溫度低于下限溫度時，控制器受到觸發后發出接通電加熱器電路的指令，指令信號經接口電路推動電磁繼電器電路動作，閉合電加熱器電路，電加熱器對孵化室加熱；當反饋的溫度達到上限溫度時，控制器則發出斷開指令，電加熱器電路斷開，停止加熱。該控制系統中被控對象是：（ ）A．溫度傳感器 B.電磁繼電器 C.電加熱器 D.孵化室15、（接上題）外界的干擾隨時都可能影響孵化室的溫度。有關干擾因素的說法，正確的是：（ ） A．引起被控量變化的各種因素都是干擾因素 B．干擾因素僅作用與閉環控制系統C．只有人工參與才能克服干擾因素影響，而該控制系統是全自動的，故抗干擾能力較差D．該系統是通過增加溫度傳感器來克服干擾因素影響16．接上題，為克服加熱器在停止工作后余熱對溫度控制的干擾，應該：（ ）A．適當調高預設的上限溫度 B．適當調低預設的上限溫度C．適當調高預設的下限溫度 D．適當調低預設的下限溫度17．有報紙報道，一位8歲小女孩在進某酒店的旋轉大門時，被旋轉大門夾住，結果造成重傷。為此，酒店對大門進行了重新設計，采用壓力傳感器檢測是否受到阻力，使旋轉大門遇到阻力時能夠自動停止轉動。如當人被旋轉大門夾住時，壓力傳感器會檢測到大門遇到阻力，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，從而帶動剎車動作，將門剎住，防止以外事故發生。改進后的酒店旋轉大門控制系統為：（ ）A．自動控制、閉環控制系統 B．自動控制、開環控制系統C．手動控制、閉環控制系統 D．手動控制、開環控制系統18．（接上題）在“壓力傳感器是否檢測壓力異常信號（輸入）→控制系統→門鎖定（輸出）”這一控制系統中，我們主要研究：（ ）A．其輸入和輸出關系 B．控制系統內部組成C．結構和功能的關系 D．內部和外部的關系19．（接上題）根據給定材料，該控制系統中的執行部件是：（ ）A．控制電路 B.壓力傳感器 C.門 D.電機
20、如下圖，是一種多功能充氣機的工作原理圖，即可以給充高壓（給汽車輪胎充氣），也可以充低壓（給排球籃球等充氣）試回答以下問題： （1）該控制系統是開環控制還是閉環控制？（2）該控制系統中的控制量和輸出量分別是什么？（3）畫出控制系統的方框圖。21、李明制作了方便小動物喝水的自動加水器，結構如圖。工作過程是當水龍頭打開，水就流入碗內，碗內的水位逐漸升高，浸沒到塑料管管口時，沒有空氣進入密封的鐵桶，水龍頭停止出水；當碗內水位降低至塑料管管口以下，空氣從塑料管進入鐵桶內，水又流出來，使碗內實際水位控制在管口位置。試分析其控制過程，完成下列問題：（1）該控制系統是開環控制系統還是閉環控制系統？（2）請填寫完成控制系統方框圖中所缺部分。（3）假設原來搪瓷碗內的水位控制在5厘米，現在需要把碗內水位控制在8厘米，請問可以采取什么方法？
22．夏天空調工作過程：打開空調后，用戶須設置一個設定溫度T。接著，微處理器就不斷地將溫度感應器探測出來的室內溫度t與設定溫度T進行比較：如果t > T，則微處理器發出指令使繼電器接通，這時壓縮機開始工作、制冷；如果t < T，則微處理器發出指令使繼電器斷開，這時壓縮機便不工作。這樣就達到了恒溫、制冷的效果。（１）空調的制冷系統是屬于開環控制還是閉環控制？ （2）畫出控制系統方框圖。23．圖中是一個能夠報警的輸液裝置。其中輸液報警器由彈簧、帶觸點的金屬片A、金屬片B、報警器等組成。請回答：（1）鐵架臺上的橫桿與支撐桿之間采用的是剛連接還是鉸連接？要使該裝置保持穩定，對于底座支撐面的大小有何要求？ 、 （2）簡述輸液報警器是如何在輸液瓶中的藥水接近打完時發出報警聲的？ （3）該系統的整體功能是什么？ ；任意換一根勁度系數不同的彈簧，是否會影響整體功能的實現？ 。24．為了保證奧運期間北京的交通順暢有序，北京啟用了一種智能化的地感線圈，通過它能夠感應車流量的多少，使紅綠燈指揮更加智能化。 在交通路口，如果地感線圈感應的通過車輛超過100輛，或者車輛排隊長度超過80米，就說明進入流量飽和狀態了，這時，控制端就會自動給路口的信號機發出指令，加長綠燈的放行時間。反之，縮短綠燈時間，從而保證路口的通行效率。請回答下列問題：（1）此紅綠燈控制系統是 ▲ （填開環或閉環）控制系統。（2）請補充完整該紅綠燈控制系統的方框圖。如果是開環控制系統，則檢測裝置和比較器不存在，⑥不填。
25、如圖所示為高層樓房自動穩壓供水控制系統原理圖，其工作原理是：當用戶用水量變化時，管道中的水壓發生變化，檢測裝置把檢測到的水壓信號反饋給控制器，與設定水壓進行比較，控制器根據偏差值控制電機及水泵的轉速，調節供水量，保持管道中的水壓穩定。
根據示意圖及其描述，在控制系統方（1）框圖中“ ▲ ”處填寫與自動穩壓供水控制系統 原理圖中相對應的內容。
（2）請為該系統的檢測裝置選擇一個合適的傳感器（從水溫傳感器、水壓傳感器、水位傳感器中選擇一個，填在“ ▲ ”處） ▲ 。26如圖所示為磁懸浮地球儀及控制系統原理圖，控制器發出的交流電信號，通過電感線圈產生交變磁場，使地球儀產生感生電流，由于線圈產生的磁場和地球感生電流的磁場是相斥的，從而產生電磁懸浮力，將地球儀懸浮起來。位置傳感器檢測地球儀位置，并將檢測到的信號發送給控制器與設定信號進行比較，控制器根據比較偏差值調整交流電信號。（1）根據控制系統原理圖及其描述，在控制系統方框圖中 處填寫與磁懸浮地球儀控制系統原理圖中相對應的內容。（2）地面振動、風力等都會引起地球儀位置發生變化，這些因素在控制系統中稱為 。
參考答案：
5(2)輸出量
6(1)
(2)檢測裝置 給定量
(3)反饋環節 被控量
7(1).輸入量 被控量
(2)反饋環節
進水管的水流量變小
8(1).機器人\人機對弈
(2).血壓計測血壓的方法\聽診器檢查身體的方法
9(2)穩定 精度 抗干擾
1-10:DABAA CACAC
11-19:BDDD B BBD
20、（1）閉環控制系統
（2）氣流量 實際氣壓
（3）
21、（1）閉環控制系統
（2）水龍頭、實際水位
（3）鐵桶往上升3CM；
22、（1）閉環控制系統
23、
（1）底座的支撐面積要大，底座要重；
（2）隨著藥水瓶重要減輕，彈簧由于藥水瓶的拉力減少而收縮致使金屬片A與金屬片B接觸接通電源發出報警聲。
（3）輸液安全報警裝置，會；
24、
（1）閉環；
（2）
25、（1）給定水壓 電機及水泵 管道 實際水壓 檢測裝置
（2）水壓傳感器
26、給定位置 地感線圈 地球儀 實際位置 位置傳感器 干擾因素
系統的內部結構和功能
輸入量
（①）
控制器
（②）
被控對象
（④）
輸出量
（⑤）
執行器
（③）
檢測裝置（⑥）
比較器
+
-
控制器
執行器
被控對象
檢測裝置
給定量
被控量
觸點開關
增壓泵
儲氣罐
彈簧
給定氣壓
實際氣壓
微處理器
壓縮機
空調
溫度感應器
給定溫度
實際溫度
控制端
信號機
紅綠燈
地感線圈
給定車流量
實際車流量

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