資源簡介

專題八 控制與設計
知識框架
控制與設計 控制的含義 控制的含義
控制的應用
控制的手段
簡單控制系統的分析 開環控制系統的基本組成和工作過程
閉環控制系統的基本組成和工作過程
控制系統的方框圖
控制系統的干擾因素
簡單控制系統的設計 功能模擬方法和思維方法
控制系統的設計方案
復習要點
1．理解控制對象、控制目的和控制手段。了解控制在生產過程中對壓力、溫度、水位、光照、流量的控制；了解生活中電冰箱、洗衣機、空調機等現代化生活用品的控制技術，會分析典型的案例。
2．了解手動控制和自動控制的區別，了解機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制的區別．熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
3．能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖，能確定系統的各個環節(被控對象、執行器、控制器、反饋環節)；能確定被控量(輸出量)、控制量、輸入量、反饋量、偏差量；能用箭頭表示信息在系統中流動和傳遞的方向。理解其中的控制器、執行器、比較環節和反饋環節的作用。
4．能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素．并能分析盡可能避開或抑制干擾因素對控制系統影響的辦法。能用功能模擬方法、黑箱方法對簡單控制系統的組成方框及其作用進行分析。
5．了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量、畫出控制系統的方框圖，并形成初步的控制設計的方案。
6．能根據開環控制系統的設計方案，制作一個控制裝置，學會調試運行，提出改進方案。
重點提示
1．控制的實現需要通過一定的手段．從控制過程中人工干預的情形區分，控制可分為人工控制和自動控制。按照控制中執行部件的不同，控制可分為機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。控制方式也可能是綜合的。
2．控制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成為閉環控制系統。
與開環控制系統框圖不同，閉環控制系統中信息流經一個閉合環路，將輸出信號反傳給比較環節，我們把這種做法稱做反饋。沒有反饋也就沒有閉環，沒有反饋的控制系統即為開環控制系統。
3．在控制系統中，除輸入量(給定值)以外，引起被控量(輸出量)變化的各種因素稱為干擾因素。一個控制系統的干擾因素往往不止一個，所有控制系統在工作運行過程中都會受到干擾。因此設計一個控制系統，必須學會分析這個控制系統可能有哪些干擾因素，以及這些干擾因素是如何影響系統正常運行的。從而盡可能避開或抑制干擾因素對控制系統的影響。如果一個控制系統能夠很好地避開或抑制干擾，我們就認為這個控制系統有較好的抗干擾性。
4．對于控制系統的設計方案的形成．還必須分析并明確以下一些具體的問題。
(1)分析被控對象的基本特性。了解被控對象在正常的工作狀態下，其輸出量與輸入量之間的關系，分析控制系統有哪些干擾因素，輸出與干擾因素有何關系。
(2)分析被控量與控制量。如以分析聲控燈系統為例，聲音是輸入信號，被控對象是燈泡，被控量是燈的亮滅，控制量是電流。
(3)確定控制系統的構成方案。在以上分析的基礎上，根據被控對象的基本特性；根據控制精度、抗干擾性、經濟性等方面，確定控制系統是開環控制系統還是閉環控制系統。
(4)繪制控制系統的框圖。按確定的設計方案繪制控制系統的框圖，框圖內容的表達要求完整。
例題解析
【例1】普通家用調光臺燈的燈光亮度控制屬于( )
A．自動控制 B．電子控制 Ｃ．機械控制 D．氣動控制
答案：B （分析） 本題考查“控制的手段與方法”。所謂自動控制和手動控制是以控制過程中人工干預的不同情形來區分的。家用調光臺燈的燈光亮度的調整一般是用轉動開關旋鈕來實現的，故屬于手動控制。若按照控制系統執行部件的不同來區分，控制又可分為機械控制、氣動控制、電子控制等，家用調光臺燈燈光亮度的調整是通過改變電子元件來實現的，故屬于電子控制。
【例2】下列關于控制系統工作過程的說法，正確的是( )
A．信息只能從輸入端傳至輸出端
B．信息只能從輸出端傳至輸入端
C．開環控制系統的信息只能從輸入端傳至輸出端
D．閉環控制系統的信息只能從輸出端傳至輸入端
答案：C （分析）本題考查控制系統的工作過程與方式。控制系統在l_作過程中，若從信息的傳輸過程分析歸類．可以把控制系統分成開環控制系統和閉環控制系統兩類。開環控制系統的結構和原理比較簡單，信息只從輸入端傳至輸出端，僅有一條路徑。它的缺點是控制的精確度不高。閉環控制系統的結構和原理比較復雜，信息流經的路徑有兩條，一條是輸入端傳至輸出端，另一條是將輸出端信息反傳到輸入端的比較環節。它的優點是有較高的控制精度和較強的抗干擾性能。
【例3】 自動門的工作過程為：當門口沒有人時，門是關閉的；當有人來到門口時．門自動打開；當人離開門口一段時間后，門又自動關閉。請根據上述的功能要求完成以下設計內容：
(1)確定自動門的技術要求。
(2)如何實現自動門的打開和閉合。(提示：可以參照教科書97頁的齒輪齒條結構)
[提示](1)自動門的技術要求可設計為當人距離門1m(也可其他值)時，門自動打開；在無人走動的情況下門打開延遲l0s(也可其他值)后，門自動關閉；門開啟的寬度應為兩門的寬度之和。
(2)自動門打開和閉合可選擇電動機(轉動變移動結構)來實現，工作原理為電動機正轉門打開；電動機反轉門閉合。裝置結構可采用齒輪齒條結構。門開啟和閉合的行程還必須有行程開關控制。
（分析）本題考查控制系統方案的設計。、設計一個控制系統需要確定其技術要求，自動門的技術要求一般是指當人離門為多少距離時門自動打開：門打開延遲多少時間后自動關閉；門開啟的寬度為多大。根據門的結構和重量確定采用執行裝置的類型。
【例4】聲控燈適用于多種場合，如在公共樓道里安裝聲控燈既方便，又安全。它與普通的電燈控制電路相比，去掉了手動開關，而增設了聲傳感器、控制器和電子開關。其中聲傳感器的靈敏度可調整。以適應不同場合使用的需要。請根據聲控燈的功能分析：
(1)聲控燈控制系統的輸入和輸出是什么 兩者的關系怎樣
(2)聲控燈控制系統的被控量和控制量是什么
(3)聲控燈控制系統為什么可以采用開環控制系統
(4)畫出聲控燈開環控制系統的框圖。
[提示] (1)聲控燈控制系統的輸入量是聲響；輸出量是燈泡中的電流。兩者的關系是聲強達到某給定值時燈亮：聲強達不到某給定值時燈滅。
(2)聲控燈控制系統的被控量是燈的亮、滅，控制量是電流。
(3)聲控燈控制系統只有燈亮與燈滅兩種運行狀態，不需要對輸出量的誤差進行控制，因此，可以采用開環控制系統。
(4)聲控燈開環控制系統的框圖如圖所示：
（分析）本題考查控制系統方案的設計，考查的知識點較多。聲控燈是一個典型的控制系統案例，控制系統的輸入量就是控制系統的給定量，它可以是設定的參數，如時間、溫度等；也可以是輸入的信號，如聲音、光照等。輸出量(即被控量)是指控制系統所要控制的量，如水位、流量等。控制量是指執行器的輸出量，如電動機的轉速、閥門的開度等。控制系統的控制方式(開環或閉環)是由控制系統是否需要反饋環節來決定的。
自主練習
一、基本題
1．家用空調溫度自動控制系統是閉環控制，其中反饋環節的作用是( )
A．減少輸入量 B．增加輸入量 C．穩定輸入量 D．穩定輸出量
2．家用電視機最容易受到的影響(即干擾因素)是( )
A．環境溫度 B．環境濕度 C．風的強度 D．電磁干擾
3．在下面4個控制系統中，屬于閉環控制系統的是( )
A．電風扇的定時控制系統 B．公共樓道路燈延時控制系統
Ｃ．棚室溫度恒定控制系統 D．商店自動門控制系統
4．不同的傳感器輸入的信號是不相同的，傳感器輸出的信號經控制器驅動繼電器工作，則( )
A．控制器轉換輸出的應是溫度信號 B．控制器轉換輸出的應是聲音信號
Ｃ．控制器轉換輸出的應是亮度信號 D．控制器轉換輸出的應是電流信號
5．普通家用電飯鍋的保溫控制(用雙金屬片開關控溫)系統為( )
A．機械控制的閉環控制系統 B．電子控制的閉環控制系統
Ｃ．機械控制的開環控制系統 D．電子控制的開環控制系統
6．家用冰箱的溫控系統采用閉環控制．為了進一步提高其抗干擾的性能．設計中采取的措施是( )
A．增加反饋環節 B．提高壓縮機的制冷量
C．提高箱體的隔熱性能 D．說明書上建議用戶將冰箱遠離其他家用電器放置
7．如圖所示，有這樣一個“黑箱”，其輸人、輸出關系的數據見下表，則“黑箱”內部可能是 ( )
A．交流變壓器 B電源穩壓器 C日光燈整流器 D．電阻分壓器
輸入（直流電壓/V） 18 15 12 9 6
輸出（直流電壓/V） 6 5 4 3 2
8．分析題 公共樓道中使用聲控燈控制后，在白天有人通過時燈泡也會點亮。為了克服這一缺點．小黃同學設計一個方案，其控制系統方框圖如下，請分析該方案的控制過程。
9．作品評價題 簡易調光臺燈的設計方案是：在照明電路中燈泡與可變電阻串聯．通過調節可變電阻的大小來實現燈泡亮度的調節。請你分析評價該設計方案的優缺點。
二、拓展題
10．把在體育課上練習投籃看成一個控制系統，則下列判斷錯誤的是( )
A．控制系統的控制器是人的大腦 B．控制系統的反饋環節是人的眼睛
C．控制系統的執行器是人的手 D．控制系統的被控量是籃球
11．比較閉環控制系統和開環控制系統，下列判斷錯誤的是( )
A．開環控制系統的控制精度較低 B．開環控制系統無反饋環節
Ｃ．閉環控制系統的抗干擾能力強 D．閉環控制系統和開環控制系統都有比較器
12．為了降低家用抽水馬桶水箱水位的高度，可采取的措施是( )
A．增大進水流量 B．減少進水流量
Ｃ．調節降低浮球的位置 D．調節升高浮球的位置
13．關于干擾因素對控制系統的作用．下列說法正確的是( )
A．干擾因素僅作用在被控量上 B．干擾因素不會作用于開環控制系統
Ｃ．干擾因素的作用都會反映在輸出量的變化上 D．干擾因素是不可以利用的
14．在閉環控制系統的調試過程中，當輸出量達到設計要求并穩定后( )
A．比較器求出的偏差值等于零 B．比較器求出的偏差值大于零
C．比較器求出的偏差值小于零 D．比較器求出的偏差值大于或小于零
15．分析題 如果人從自動門前經過而不進門，自動門也會自動打開。這個干擾作用于控制系統的哪個環節 你有什么改進的方法
16．分析題 若抽水馬桶的進水閥門漏水，會產生什么情況 對系統構件有何影響
17分析題 在養雞場給雞飲水如采用放在地上的普通水槽，容易被雞踩翻和污染，不能保證水槽中的水量。為此趙明同學設計了一個掛在空中的雞用飲水器方案，圖為其結構原理示意圖。設飲水盤中的虛線為設計水位，當飲水盤水位下降到一定值時，飲水盤重量減輕，彈簧使水閥控制桿向上運動，將出水閥打開，水從進水管流入飲水盤，當水位達到設計高度后，飲水盤重量增加，對拉簧的拉力增加，使水閥控制桿向下運動，關閉水閥。因此，飲水盤中的水位能自動維持在設計高度上。該控制系統中：
(1)彈簧的作用是什么
(2)畫出自動飲水機的控制系統框圖。
18．評價題 家用電飯鍋因使用方便而被廣泛使用。請根據你的使用體驗，對家用普通電飯鍋的安全性、控制精度(從飯的口感判斷)、適應性(能否做其他烹飪)作出評價，并提出改進建議。
專題八 控制與設計
l D 2 D 3 C 4 D 5 A 6．C 7 D 10 D 11 D 12 C 13 C 14 A
8. 普通聲控燈在白天有人通過樓道時燈泡也會點亮，這是不必要的．．為了克服這一缺點，在聲控系統中增加了光控環節，光控開關受光信號控制，在白天光線強時，光傳感器將接受的信號傳送給光控制器．光控制器輸出控制信號將光控開關打開，這樣白天燈泡就不會點亮了。
9簡易調光臺燈可實現亮度調節的功能，工作原理和制作工藝簡單，工作過程是通過調節可變電阻的大小米改變燈泡兩端的電壓，從而使燈泡亮度變化，這是它的優點。但由于燈泡與可變電阻串聯．可變電阻器也要消耗電能．且體積較大，調節操作不方便，安全性差．因此，日前市場上的調光燈普遍使用電子元件實現調壓。
15．如果自動門設計的技術要求是人離門lm的距離內門自動開啟，則人從自動門lm前經過并不進門，自動門也會自動打開。原因是傳感器無法確定人走的方向，這個干擾因素作用于控制系統的輸人環節．即傳感器上。改進的方法是在自動門的兩側加上護欄(抗干擾措施)，使近門的區域內人不能橫向通過；在自動門前設置臺階。
16. 若抽水馬桶的進水閥門漏水，實際水位將超過設定值，該系統對這個水位的誤差值是不能控制的．只有將水箱的水放去井排除進水閥的故障，才能使水位重新回到設定值。當水箱水位升高以后，浮球受到的浮力增加，浮球有往上移動的趨勢，對系統中連桿機構的作用力增加，對閥門的壓力增加，構件有被彎曲和損壞的可能。為了防止這種現象和水溢出水箱，在抽水馬桶的水箱中應裝有防溢出水管道。
17．(1)彈簧有兩個作用，一是檢測水位的變化，二是控制水閥的開和關。 (2)控制系統的框圖如下：
18、對家用普通電飯鍋的可靠性、控制精度、適應性作出的評價如下：(1)家用普通電飯鍋的可靠性較高，使用安全。在控制電路中均裝有熱熔斷器，當出現意外時，熱熔斷器會自動切斷電源，起到保護作用。
(2)家用普通電飯鍋的控制精度主要決定于磁性溫控元件和雙金屬片溫控元件的性能。控制精度能滿足使用的需求，米飯口感好。
(3)家用普通電飯鍋只能用來煮飯，沒有煮粥的功能．適應性一般。
輸入
（聲音信號）
控制器
開關（執行器）
燈泡（被控對象）
傳感器
電流
輸出
（燈的亮滅）
黑箱
輸入
輸出
輸入
（光、聲信號）
控制器
電控開關
燈泡
傳感器
電流
輸出
（燈的亮、滅）
給定水位
輸入
+
水位差
彈簧控制
水閥
飲水盤
彈簧檢測
實際水位
輸出
_
反饋

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