專題八 控制與設(shè)計(jì)知識(shí)框架控制與設(shè)計(jì)控制的含義控制的含義控制的應(yīng)用控制的手段簡單控制系統(tǒng)的分析開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程控制系統(tǒng)的方框圖控制系統(tǒng)的干擾因素簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能模擬方法和思維方法控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案復(fù)習(xí)要點(diǎn) 1理解控制對(duì)象、控制目的和控制手段。了解控制在生產(chǎn)過程中對(duì)壓力、溫度、水位、光照、流量的控制；了解生活中電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)等現(xiàn)代化生活用品的控制技術(shù)，會(huì)分析典型的案例。 2了解手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的區(qū)別，了解機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制的區(qū)別熟悉簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作過程。 3能畫出一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，能確定系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(被控對(duì)象、執(zhí)行器、控制器、反饋環(huán)節(jié))；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(tǒng)中流動(dòng)和傳遞的方向。理解其中的控制器、執(zhí)行器、比較環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)的作用。 4能結(jié)合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運(yùn)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(duì)控制系統(tǒng)影響的辦法。能用功能模擬方法、黑箱方法對(duì)簡單控制系統(tǒng)的組成方框及其作用進(jìn)行分析。 5了解簡單的被控對(duì)象的基本特性，能確定被控量、控制量、畫出控制系統(tǒng)的方框圖，并形成初步的控制設(shè)計(jì)的方案。 6能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，制作一個(gè)控制裝置，學(xué)會(huì)調(diào)試運(yùn)行，提出改進(jìn)方案。重點(diǎn)提示 1控制的實(shí)現(xiàn)需要通過一定的手段從控制過程中人工干預(yù)的情形區(qū)分，控制可分為人工控制和自動(dòng)控制。按照控制中執(zhí)行部件的不同，控制可分為機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制等?？刂品绞揭部赡苁蔷C合的。 2控制系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 與開環(huán)控制系統(tǒng)框圖不同，閉環(huán)控制系統(tǒng)中信息流經(jīng)一個(gè)閉合環(huán)路，將輸出信號(hào)反傳給比較環(huán)節(jié)，我們把這種做法稱做反饋。沒有反饋也就沒有閉環(huán)，沒有反饋的控制系統(tǒng)即為開環(huán)控制系統(tǒng)。 3在控制系統(tǒng)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(gè)控制系統(tǒng)的干擾因素往往不止一個(gè)，所有控制系統(tǒng)在工作運(yùn)行過程中都會(huì)受到干擾。因此設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，必須學(xué)會(huì)分析這個(gè)控制系統(tǒng)可能有哪些干擾因素，以及這些干擾因素是如何影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的。從而盡可能避開或抑制干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠很好地避開或抑制干擾，我們就認(rèn)為這個(gè)控制系統(tǒng)有較好的抗干擾性。 4對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)象的基本特性。了解被控對(duì)象在正常的工作狀態(tài)下，其輸出量與輸入量之間的關(guān)系，分析控制系統(tǒng)有哪些干擾因素，輸出與干擾因素有何關(guān)系。 (2)分析被控量與控制量。如以分析聲控?zé)粝到y(tǒng)為例，聲音是輸入信號(hào)，被控對(duì)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(tǒng)的構(gòu)成方案。在以上分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象的基本特性；根據(jù)控制精度、抗干擾性、經(jīng)濟(jì)性等方面，確定控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (4)繪制控制系統(tǒng)的框圖。按確定的設(shè)計(jì)方案繪制控制系統(tǒng)的框圖，框圖內(nèi)容的表達(dá)要求完整。例題解析 【例1】普通家用調(diào)光臺(tái)燈的燈光亮度控制屬于( ) A自動(dòng)控制 B電子控制 機(jī)械控制 D氣動(dòng)控制 答案：B （分析） 本題考查“控制的手段與方法”。所謂自動(dòng)控制和手動(dòng)控制是以控制過程中人工干預(yù)的不同情形來區(qū)分的。家用調(diào)光臺(tái)燈的燈光亮度的調(diào)整一般是用轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)旋鈕來實(shí)現(xiàn)的，故屬于手動(dòng)控制。若按照控制系統(tǒng)執(zhí)行部件的不同來區(qū)分，控制又可分為機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、電子控制等，家用調(diào)光臺(tái)燈燈光亮度的調(diào)整是通過改變電子元件來實(shí)現(xiàn)的，故屬于電子控制。 【例2】下列關(guān)于控制系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)的信息只能從輸入端傳至輸出端 D閉環(huán)控制系統(tǒng)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(tǒng)的工作過程與方式?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)分成開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)是控制的精確度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理比較復(fù)雜，信息流經(jīng)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(huán)節(jié)。它的優(yōu)點(diǎn)是有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗干擾性能。 【例3】 自動(dòng)門的工作過程為：當(dāng)門口沒有人時(shí)，門是關(guān)閉的；當(dāng)有人來到門口時(shí)門自動(dòng)打開；當(dāng)人離開門口一段時(shí)間后，門又自動(dòng)關(guān)閉。請(qǐng)根據(jù)上述的功能要求完成以下設(shè)計(jì)內(nèi)容： (1)確定自動(dòng)門的技術(shù)要求。 (2)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的打開和閉合。(提示：可以參照教科書97頁的齒輪齒條結(jié)構(gòu)) 提示(1)自動(dòng)門的技術(shù)要求可設(shè)計(jì)為當(dāng)人距離門1m(也可其他值)時(shí)，門自動(dòng)打開；在無人走動(dòng)的情況下門打開延遲l0s(也可其他值)后，門自動(dòng)關(guān)閉；門開啟的寬度應(yīng)為兩門的寬度之和。 (2)自動(dòng)門打開和閉合可選擇電動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)動(dòng)變移動(dòng)結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)，工作原理為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)門打開；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)門閉合。裝置結(jié)構(gòu)可采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)。門開啟和閉合的行程還必須有行程開關(guān)控制。 （分析）本題考查控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)需要確定其技術(shù)要求，自動(dòng)門的技術(shù)要求一般是指當(dāng)人離門為多少距離時(shí)門自動(dòng)打開：門打開延遲多少時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉；門開啟的寬度為多大。根據(jù)門的結(jié)構(gòu)和重量確定采用執(zhí)行裝置的類型。 【例4】聲控?zé)暨m用于多種場(chǎng)合，如在公共樓道里安裝聲控?zé)艏确奖?，又安全。它與普通的電燈控制電路相比，去掉了手動(dòng)開關(guān)，而增設(shè)了聲傳感器、控制器和電子開關(guān)。其中聲傳感器的靈敏度可調(diào)整。以適應(yīng)不同場(chǎng)合使用的需要。請(qǐng)根據(jù)聲控?zé)舻墓δ芊治觯?(1)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)的輸入和輸出是什么?兩者的關(guān)系怎樣? (2)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)的被控量和控制量是什么? (3)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)為什么可以采用開環(huán)控制系統(tǒng)? (4)畫出聲控?zé)糸_環(huán)控制系統(tǒng)的框圖。 提示 (1)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)的輸入量是聲響；輸出量是燈泡中的電流。兩者的關(guān)系是聲強(qiáng)達(dá)到某給定值時(shí)燈亮：聲強(qiáng)達(dá)不到某給定值時(shí)燈滅。 (2)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)的被控量是燈的亮、滅，控制量是電流。 (3)聲控?zé)艨刂葡到y(tǒng)只有燈亮與燈滅兩種運(yùn)行狀態(tài)，不需要對(duì)輸出量的誤差進(jìn)行控制，因此，可以采用開環(huán)控制系統(tǒng)。(4)聲控?zé)糸_環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖所示：輸入（聲音信號(hào)）控制器開關(guān)（執(zhí)行器）燈泡（被控對(duì)象）傳感器電流輸出（燈的亮滅） （分析）本題考查控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，考查的知識(shí)點(diǎn)較多。聲控?zé)羰且粋€(gè)典型的控制系統(tǒng)案例，控制系統(tǒng)的輸入量就是控制系統(tǒng)的給定量，它可以是設(shè)定的參數(shù)，如時(shí)間、溫度等；也可以是輸入的信號(hào)，如聲音、光照等。輸出量(即被控量)是指控制系統(tǒng)所要控制的量，如水位、流量等?？刂屏渴侵笀?zhí)行器的輸出量，如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、閥門的開度等。控制系統(tǒng)的控制方式(開環(huán)或閉環(huán))是由控制系統(tǒng)是否需要反饋環(huán)節(jié)來決定的。自主練習(xí) 一、基本題1家用空調(diào)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制，其中反饋環(huán)節(jié)的作用是( ) A減少輸入量 B增加輸入量 C穩(wěn)定輸入量 D穩(wěn)定輸出量2家用電視機(jī)最容易受到的影響(即干擾因素)是( ) A環(huán)境溫度 B環(huán)境濕度 C風(fēng)的強(qiáng)度 D電磁干擾3在下面4個(gè)控制系統(tǒng)中，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)的是( ) A電風(fēng)扇的定時(shí)控制系統(tǒng) B公共樓道路燈延時(shí)控制系統(tǒng) 棚室溫度恒定控制系統(tǒng) D商店自動(dòng)門控制系統(tǒng)4不同的傳感器輸入的信號(hào)是不相同的，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制器驅(qū)動(dòng)繼電器工作，則( ) A控制器轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)是溫度信號(hào) B控制器轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)是聲音信號(hào) 控制器轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)是亮度信號(hào) D控制器轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)是電流信號(hào)5普通家用電飯鍋的保溫控制(用雙金屬片開關(guān)控溫)系統(tǒng)為( ) A機(jī)械控制的閉環(huán)控制系統(tǒng) B電子控制的閉環(huán)控制系統(tǒng) 機(jī)械控制的開環(huán)控制系統(tǒng) D電子控制的開環(huán)控制系統(tǒng)6家用冰箱的溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制為了進(jìn)一步提高其抗干擾的性能設(shè)計(jì)中采取的措施是( ) A增加反饋環(huán)節(jié) B提高壓縮機(jī)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(yuǎn)離其他家用電器放置7如圖所示，有這樣一個(gè)“黑箱”，其輸人、輸出關(guān)系的數(shù)據(jù)見下表，則“黑箱”內(nèi)部可能是 ( ) A交流變壓器 B電源穩(wěn)壓器 C日光燈整流器 D電阻分壓器輸入（直流電壓/V）18151296輸出（直流電壓/V）65432 黑箱輸入輸出 8分析題 公共樓道中使用聲控?zé)艨刂坪?，在白天有人通過時(shí)燈泡也會(huì)點(diǎn)亮。為了克服這一缺點(diǎn)小黃同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)方案，其控制系統(tǒng)方框圖如下，請(qǐng)分析該方案的控制過程。 輸入（光、聲信號(hào)）控制器電控開關(guān)燈泡傳感器電流輸出（燈的亮、滅）9作品評(píng)價(jià)題 簡易調(diào)光臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方案是：在照明電路中燈泡與可變電阻串聯(lián)通過調(diào)節(jié)可變電阻的大小來實(shí)現(xiàn)燈泡亮度的調(diào)節(jié)。請(qǐng)你分析評(píng)價(jià)該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。 二、拓展題10把在體育課上練習(xí)投籃看成一個(gè)控制系統(tǒng)，則下列判斷錯(cuò)誤的是( ) A控制系統(tǒng)的控制器是人的大腦 B控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)是人的眼睛 C控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是人的手 D控制系統(tǒng)的被控量是籃球11比較閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)，下列判斷錯(cuò)誤的是( ) A開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度較低 B開環(huán)控制系統(tǒng)無反饋環(huán)節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng) D閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)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(jìn)水流量 B減少進(jìn)水流量 調(diào)節(jié)降低浮球的位置 D調(diào)節(jié)升高浮球的位置13關(guān)于干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)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(huì)作用于開環(huán)控制系統(tǒng) 干擾因素的作用都會(huì)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(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)試過程中，當(dāng)輸出量達(dá)到設(shè)計(jì)要求并穩(wěn)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(dòng)門前經(jīng)過而不進(jìn)門，自動(dòng)門也會(huì)自動(dòng)打開。這個(gè)干擾作用于控制系統(tǒng)的哪個(gè)環(huán)節(jié)?你有什么改進(jìn)的方法?16分析題 若抽水馬桶的進(jìn)水閥門漏水，會(huì)產(chǎn)生什么情況?對(duì)系統(tǒng)構(gòu)件有何影響?17分析題 在養(yǎng)雞場(chǎng)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(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)掛在空中的雞用飲水器方案，圖為其結(jié)構(gòu)原理示意圖。設(shè)飲水盤中的虛線為設(shè)計(jì)水位，當(dāng)飲水盤水位下降到一定值時(shí)，飲水盤重量減輕，彈簧使水閥控制桿向上運(yùn)動(dòng)，將出水閥打開，水從進(jìn)水管流入飲水盤，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，飲水盤重量增加，對(duì)拉簧的拉力增加，使水閥控制桿向下運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉水閥。因此，飲水盤中的水位能自動(dòng)維持在設(shè)計(jì)高度上。該控制系統(tǒng)中：(1)彈簧的作用是什么?(2)畫出自動(dòng)飲水機(jī)的控制系統(tǒng)框圖。18評(píng)價(jià)題 家用電飯鍋因使用方便而被廣泛使用。請(qǐng)根據(jù)你的使用體驗(yàn)，對(duì)家用普通電飯鍋的安全性、控制精度(從飯的口感判斷)、適應(yīng)性(能否做其他烹飪)作出評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)建議。專題八 控制與設(shè)計(jì)l D 2 D 3 C 4 D 5 A 6C 7 D 10 D 11 D 12 C 13 C 14 A8. 普通聲控?zé)粼诎滋煊腥送ㄟ^樓道時(shí)燈泡也會(huì)點(diǎn)亮，這是不必要的為了克服這一缺點(diǎn)，在聲控系統(tǒng)中增加了光控環(huán)節(jié)，光控開關(guān)受光信號(hào)控制，在白天光線強(qiáng)時(shí)，光傳感器將接受的信號(hào)傳送給光控制器光控制器輸出控制信號(hào)將光控開關(guān)打開，這樣白天燈泡就不會(huì)點(diǎn)亮了。9簡易調(diào)光臺(tái)燈可實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的功能，工作原理和制作工藝簡單，工作過程是通過調(diào)節(jié)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(yōu)點(diǎn)。但由于燈泡與可變電阻串聯(lián)可變電阻器也要消耗電能且體積較大，調(diào)節(jié)操作不方便，安全性差因此，日前市場(chǎng)上的調(diào)光燈普遍使用電子元件實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。15如果自動(dòng)門設(shè)計(jì)的技術(shù)要求是人離門lm的距離內(nèi)門自動(dòng)開啟，則人從自動(dòng)門lm前經(jīng)過并不進(jìn)門，自動(dòng)門也會(huì)自動(dòng)打開。原因是傳感器無法確定人走的方向，這個(gè)干擾因素作用于控制系統(tǒng)的輸人環(huán)節(jié)即傳感器上。改進(jìn)的方法是在自動(dòng)門的兩側(cè)加上護(hù)欄(抗干擾措施)，使近門的區(qū)域內(nèi)人不能橫向通過；在自動(dòng)門前設(shè)置臺(tái)階。16. 若抽水馬桶的進(jìn)水閥門漏水，實(shí)際水位將超過設(shè)定值，該系統(tǒng)對(duì)這個(gè)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(jìn)水閥的故障，才能使水位重新回到設(shè)定值。當(dāng)水箱水位升高以后，浮球受到的浮力增加，浮球有往上移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)中連桿機(jī)構(gòu)的作用力增加，對(duì)閥門的壓力增加，構(gòu)件有被彎曲和損壞的可能。為了防止這種現(xiàn)象和水溢出水箱，在抽水馬桶的水箱中應(yīng)裝有防溢出水管道。17(1)彈簧有兩個(gè)作用，一是檢測(cè)水位的變化，二是控制水閥的開和關(guān)。 (2)控制系統(tǒng)的框圖如下：給定水位輸入+水位差彈簧控制水閥飲水盤彈簧檢測(cè)實(shí)際水位 輸出_ 反饋18、對(duì)家用普通電飯鍋的可靠性、控制精度、適應(yīng)性作出的評(píng)價(jià)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(dāng)出現(xiàn)意外時(shí)，熱熔斷器會(huì)自動(dòng)切斷電源，起到保護(hù)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?？刂凭饶軡M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(yīng)性一般。