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第四節　控制系統的設計與實施
考試內容
考試要求
考試屬性
控制系統方案的設計
c
必考＋加試
控制系統方案的設計
1.設計控制系統
明確控制要達到的目的；分析控制對象以及對象的主要特征；被控量和控制量；按要求選擇控制系統的方式；控制系統的調試、運行和評價；系統的成本分析。
2.開環控制系統的設計
明確設計要求，明確被控對象、輸出量和控制量后，即可考慮具體控制系統的方案。
3.閉環控制系統的設計
閉環控制系統要正常工作必須是穩定的；控制精度必須符合要求，系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；要有較好的抗干擾性能。
一、 控制系統的設計與實施
開閉環控制系統設計的要求及優化。
【典例1】　如圖所示為一款遙控編碼探雷器，主要由遙控發送器及接收器組成，采用類似WIFI技術，通過編碼自動識別遙控信號。探雷器在遙控器按鍵的操控下，能在布雷區域內前、后、左、右運動。探雷器底部裝有感應器，可以感應下方埋藏的用磁鐵模擬的“地雷”，當探雷器行駛到“地雷”上方時，探雷器上的紅色LED燈亮，提示此處埋有“地雷”。請根據描述和示意圖，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人工控制；②自動控制；③開環控制；④閉環控制中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(2)該控制系統的被控對象是________(在①地雷；②遙控發送器；③探雷器；④紅色LED燈中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統中的傳感器應選用________(在①紅外傳感器；②干簧管；③溫度傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)人在探雷的過程中操控探雷器找不到埋藏的“地雷”，較可能的原因是________和________(在①編碼地址出問題；②感應器出問題；③電池電力不足；④紅色LED燈正負極接反了中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　探雷過程是在人操縱下進行的故是人工控制。控制過程無反饋是開環控制。系統控制的對象是LED燈，紅色LED燈是被控對象。地雷是磁性的要使得探雷器上的紅色LED燈亮傳感器必須用干簧管。由題意可知探雷器能移動，只能是感應器出問題或紅色LED燈正負極接反了。
答案　(1)①　③　(2)④　(3)②　(4)②　④
[方法總結]　系統方案的設計題型較多，要求全面的掌握控制開閉環系統與設計這方面的知識，還需正確選擇滿足功能等要求的器件或裝置，并能進行調試和分析故障的原因。
變式訓練1　小通設計了如圖所示的一款小音箱，帶有音樂播放控制系統。如果把手伸進它的口中，就會播放幾首歌曲，然后自行停止。在選用該控制系統的傳感器時，以下最合適的是(　　)
A.聲音傳感器 B.紅外傳感器
C.溫度傳感器 D.氣敏傳感器
解析　當手靠近傳感器接收到手的熱輻射信號所以最合適的是紅外傳感器。故答案是B。
答案　B
變式訓練2　(2015·9浙江高考)如圖所示是一款寵物自動喂水機，寵物靠近時，閥門自動打開，離開后自動關閉。該控制系統的控制方式和宜采用的傳感器是(　　)
A.開環控制、紅外傳感器
B.閉環控制、壓敏傳感器
C.開環控制、濕敏傳感器
D.閉環控制、聲敏傳感器
解析　該系統無反饋是開環控制； 寵物靠近傳感器接收到寵物發出的熱輻射信號閥門自動打開，能接收熱輻射的是紅外傳感器。答案選A。
答案　A
變式訓練3　如圖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。若將電吹風看作被控對象，則執行器是 (　　)
A.傳感器 B.控制器
C.繼電器 D.插頭
解析　繼電器接收控制器的指令并直接對被控對象進行控制，繼電器是執行器。故答案選C。
答案　C
如圖為紙漿濃度控制系統工作原理示意圖，其工作原理是：控制器將傳感器檢測到的配漿濃度與設定值相比較，根據偏差值控制電動調節閥調節清水流量，從而使配漿濃度達到設定值。請回答4～5題。
變式訓練4　該控制系統的傳感器應該選用(　　)
A.濃度傳感器 B.流量傳感器
C.壓力傳感器 D.溫度傳感器
解析　為了檢測配漿濃度，應選擇濃度傳感器。故答案是A。
答案　A
變式訓練5　該控制系統的輸入量及輸出量分別是(　　)
A.清水流量；配漿流量
B.原漿濃度；配漿濃度
C.紙漿濃度的設定值；實際配漿濃度
D.取樣檢測濃度；配漿濃度設定值
解析　紙漿濃度控制系統通過反饋，使輸出量(實際配漿濃度)穩定在設定量(設定紙漿濃度)附近。該系統輸入量是設定的紙漿濃度，輸出量是實際的紙漿濃度。故答案是C。
答案　C
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.要設計水箱水位的閉環控制系統，下列器材中，適合用作檢測裝置的是(　　)
答案　D
2.如圖是李明同學設計的紅外感應式干手器原理示意圖，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。該控制系統的控制方式和被控對象分別是(　　)
A.開環，傳感器 B.開環，控制器
C.閉環，繼電器 D.開環，電吹風
解析　此系統無反饋是開環控制系統，電吹風是系統控制的裝置。故答案選D。
答案　D
3.如圖是地鐵進站閘機，乘客將車票或公交卡放入讀卡感應區，讀卡器將卡片信息發送給服務器進行驗證，驗證合格后，控制開閘機構開啟閘門。關于閘門的開啟控制，下列說法正確的是(　　)
A.該控制是閉環控制
B.被控對象是乘客
C.輸出量是閘門的開啟
D.控制器是開閘機構
解析　地鐵進站閘機無反饋是一個開環控制系統，閘機的輸出量是閘門的開啟和關閉。故答案是C。
答案　C
4.如下圖甲所示是一款空氣凈化器，其內部結構示意圖如乙所示。空氣凈化器通過預過濾網、多重防護過濾網、活性炭過濾網、高性能復合抗菌涂層過濾網4種過濾部件去除空氣中的污染物，輸出潔凈空氣。凈化器中安裝了空氣質量提示控制系統，它實時監測室內空氣質量，當亮起藍色指示燈表明室內的空氣質量潔凈；另外，健康空氣智能鎖會提醒用戶及時更換濾網：當其中一個濾網已基本盛滿灰塵，必須予以清潔或更換時，相應的濾網更換指示燈就會開始閃爍。如果用戶不更換該過濾網，空氣凈化器將停止工作，相關濾網的濾網更換指示燈會持續亮起。請回答下列問題：
(1)空氣質量提示控制系統的控制手段與方式是________、________控制(在①開環；②閉環；③人工；④自動中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(2)圖乙中，預過濾網應安裝在________處(在圖中的①；②；③；④中選擇一個序號填入“________”處)。若要提高室內空氣濕度，增加加濕功能，則其應安裝在________處較合理(在①入風口；②出風口中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)空氣凈化器使用一段時間后過濾網會變臟影響凈化效果，從系統的特性分析，這體現了系統的________(在①整體性；②環境適應性；③動態性中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　空氣質量提示控制系統無需人參與是自動控制，輸出量是藍色指示燈的亮和熄滅無反饋，控制方式是開環，答案是①④； 預過濾網是過濾較大顆粒的(發絲、蟲等)所以放在最前面故選①，加濕裝置應與潔凈空氣混合才能產生濕潤的潔凈空氣故選②；系統的性能隨時間發生變化是系統的動態性故答案選③。
答案　(1)①　④　(2)①　②　(3)③
5.如圖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。請回答下列問題。
(1)控制系統的檢測裝置與輸出量分別是________、________(在“________”處填寫相應的內容)。
(2)控制系統的流量計損壞，不可能造成________(在①桶泵運行不止；②計量不準確；③軟管損壞中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
(3)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合適的是________(在①減小軟管的直徑；②提高流量計的計量精度；③在軟管出口端加電磁閥與桶泵同步控制中選擇一項，將序號填寫在“________”處)。
解析　(1)該控制系統能使流量穩定在設定值，所以是一個閉環控制系統，被控量是實際的流量值，檢測裝置是檢測流量的裝置，即流量計。(2)流量計損壞，檢測的輸出量不準確，與設定量的比較也不準，將導致控制器做出錯誤的指令，如認為流量沒有到設定值，可能使桶泵運行不止，而與軟管損壞沒有關系。(3)在軟管出口端加電磁閥與桶泵同步控制，使實際流量達到設定值時馬上關閉，提高計量精度。
答案　(1)流量計　實際流量值(流量值)　(2)③　(3)③
6.如圖所示為汽車后倒車雷達。后倒車雷達探頭裝在后保險杠上，以大約45度角輻射，上下左右搜尋目標。擋位桿掛入倒擋時，倒車雷達自動開始工作，當探頭偵測到后方物體時蜂鳴器發出警示，當車輛繼續倒車時，警報聲音的頻率會逐漸加快，最后變為長鳴音。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，將序號填寫在“________”處)；
(2)該系統中的傳感器可選用________(在①紅外傳感器；②位移傳感器；③超聲波傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統的被控對象是________(在①汽車；②蜂鳴器；③駕駛員中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為了提高該系統的提示效果，有效的優化措施是________和________(在①提高傳感器的靈敏度；②增加傳感器數量，以防留有測量死角；③降低距離設定值；④提高蜂鳴器報警音量中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　該控制系統無反饋是開環控制，無需人參與是自動控制故答案選②③，因為是倒車雷達應具有發射信號和接收信號的本領，所以傳感器是超聲波傳感器，故答案選③；輸出量是蜂鳴器的報警聲則被控對象是蜂鳴器(輸出量存在于被控對象中)答案選②；優化措施是為了提高系統的探測性能故答案選①②。
答案　(1)②　③　(2)③　(3)②　(4)①　②
某廠設計了一款智能煤氣泄漏報警燈，它的工作原理是：當探測器檢測到廚房的煤氣濃度超過設定值時，外置主控制器控制電磁繼電器導通，使報警燈報警；報警的同時，該裝置還能夠自動向事先設定的手機號碼發送信息，提醒使用者注意。根據描述，完成第1～2題。
1.下列選項中，對智能煤氣泄漏報警燈控制系統描述正確的是(　　)
A.控制量是電磁繼電器的通、斷
B.被控對象是手機
C.探測器主要起反饋作用
D.輸入量是預事先設定的手機號碼
解析　該題是開環控制系統，繼電器是執行器，它的輸出量是觸點的通、斷即控制量。故答案選A。
答案　A
2.無人狀態下為了防止煤氣泄漏，對該控制系統進行優化，其中最合理的優化措施為(　　)
煤氣濃度信號→→→→煤氣的通斷
A.當煤氣濃度超過設定值時，主控制器控制電磁閥吸合，將煤氣切斷
煤氣濃度信號→→→
→排風扇排風
B.當煤氣濃度超過設定值時，主控制器控制電磁繼電器吸合，開啟排風扇
C.增加一個煤氣檢測控制系統，將廚房內的煤氣濃度控制在設定濃度
人體紅外線→→→
→煤氣通斷
D.增加一個人體紅外線感應子系統，有人時可以使用煤氣，無人時不通煤氣
解析　D選項的缺點是人離開一會兒煤氣就被切斷；C選項當煤氣濃度超過設定值時系統通過反饋使煤氣濃度控制在設定值。故答案選C。
答案　C
3.如圖是某池塘養殖控制系統示意圖，由飼料投放控制和溶解氧控制兩部分組成。飼料投放控制系統可以定時定量給魚喂食。溶解氧控制系統能控制池塘的溶解氧量，當探頭檢測到溶解氧量低于設定值的下限時，控制器發出聲光報警，并啟動增氧機；當溶解氧量達到設定值的上限時，控制器關閉增氧機，使溶解氧量保持在設定范圍內。
(1)溶解氧控制系統的控制方式屬于________控制系統。(在“________”處填寫“開環”或“閉環”)
(2)探頭(傳感器)應選用________。(在下列選項中選擇一項，將序號填寫在“________處)
①溫度傳感器；②壓力傳感器；③水位傳感器；④溶解氧傳感器。
(3)所采用的零部件表面作防腐蝕處理，不易氧化。這反映了系統的________性。(在下列選項中選擇一項，將序號填寫在“________”處)
①相關性；②整體性；③環境適應性。
(4)該系統的兩個子系統分別是________、________。(在下列選項中選擇兩項，將序號填寫在“________”處)
①池塘養殖控制系統；②溶解氧控制系統；③聲光報警系統；④飼料投放控制系統。
(5)該系統中報警的工作流程如下，請補全流程圖中的內容。(在下列選項中選擇兩項，將序號填寫在相應的“________”處)
①溶解氧量是否低于設定值的下限；②溶解氧量是否高于設定值的下限；③報警；④投放飼料。
解析　(1)該系統有反饋是閉環；(2)探頭是檢測溶解氧量的，應選溶解氧傳感器；(3)零部件表面作防腐蝕處理，不易氧化能在水中發揮系統原有功能是環境適應性；(4)該系統的二個子系統是溶解氧控制系統、飼料投放控制系統聲光報警屬于溶解氧控制系統。(5)通過對流程圖的分析(A)選①(B)選③才符合題意。
答案　 (1)閉環　(2)④　(3)③　(4)②　④
(5)(A)①　(B)③
4.有一種恒溫溫泉池，池內水溫保持在26～28 ℃。當溫度低于設定值的下限(26℃)時，控制器發出信號，熱泵以制冷劑為熱媒，在空氣中吸收熱能(在蒸發器中間接換熱)，經壓縮機將低溫位的熱能提升為高溫位熱能，加熱池水(在冷凝器中間接換熱)，當溫度高于設定值的上限(28 ℃)時，停止加熱。從而池內水溫保持在26～28 ℃。請根據描述，完成以下任務：
(1)該系統的控制方式和控制手段分別屬于________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，將序號填寫在“________”處)；
(2)該系統的被控對象是________(在①熱泵；②池水；③壓縮機中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統中的傳感器應選用________(在①流量傳感器；②濕度傳感器；③溫度傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為了提高該系統的冬季升溫效果，有效的優化措施是________和________(在①減小蒸發器熱交換面積；②增大冷凝器熱交換面積；③降低溫度設定值；④加大空氣通過蒸發器的流量；⑤提高傳感器的靈敏度中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　該系統能使被控量穩定在26～28 ℃，這說明系統有反饋所以控制方式是閉環，控制過程無需人參與是自動控制；系統控制的對象是池水，則被控對象是池水；系統控制的量是池水水溫，檢測裝置是檢測輸出量的必須選用溫度傳感器；增大冷凝器熱交換面積為池水提供更多熱量，加大空氣通過蒸發器的流量可從空氣中吸收更多熱量。
答案　(1)④　②　(2)②　(3)③　(4)②　④
5.很多商場的地下停車場都建立了如圖所示的停車誘導控制系統，該系統通過數據采集系統檢測進出車輛，采集停車場車位變化數據，并將數據傳送到控制處理服務器進行處理，生成空余泊位數據，并在顯示牌上顯示數據。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，將序號填寫在“________”處)。
(2)該控制系統的控制器是________，輸出量是________。
(3)系統在設計時，需要根據商場車流量、停車場的面積、設備的成本、運營利潤等建立數學模型進行研究，這體現了系統分析的________原則(在①整體性；②科學性；③綜合性；④動態性中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
(4)為了增加地下停車場的容納量，商場將引入立體停車系統，這屬于系統優化的________(在①影響因素；②約束條件；③干擾因素中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　停車誘導控制系統控制過程無人參與是自動控制，無反饋方式是開環；(2)控制處理服務器接收車位變化數據并能分析、處理是系統的控制器，系統控制的量是顯示空余泊位的數據則輸出量是顯示空余泊位數據；(4)增加地下停車場的容納量，商場將引入立體停車系統是人為調節，并對優化目標的實現起影響作用是影響因素。
答案　(1)②　③　(2)控制處理服務器　顯示空余泊位數據　(3)②　(4)①
6.如圖所示的掃地機器人，由單片機、傳感器、驅動電機、驅動輪、萬向輪、吸塵器等部件構成，它具有自動繞開障礙物的控制功能。其工作過程是：機器人測距系統通過傳感器檢測行進方向有無障礙物，如果在一定距離中存在障礙物，單片機控制左右驅動電機速度差來實現轉向繞行。請回答下列各題，填寫“________”處的相應內容。
(1)該掃地機器人轉向控制系統的控制手段和控制方式分別是________和________(在①手動控制；②自動控制；③開環控制；④閉環控制中選擇一項，填寫序號)。
(2)該轉向控制系統的執行器是________(在①吸塵器；②萬向輪；③驅動電機中選擇一項，填寫序號)。
(3)掃地機器人測距系統中的傳感器一般是________(在①超聲波傳感器；②紅外線傳感器；③壓力傳感器中選擇一項，填寫序號)。
(4)若掃地機器人突然無法轉向，以下不可能造成的原因是________和________(在①驅動電機故障；②家用電器發出的電磁輻射；③萬向輪轉動受阻；④集塵室垃圾太多中選擇一項，填寫序號)。
解析　(1)該掃地機器人轉向控制系統無人參與是自動控制；轉向控制系統無反饋是開環控制；(2)驅動電機接收單片機指令直接對萬向輪進行控制是執行器；(3)超聲波傳感器通過發射和接收超聲波可測定與被測物之間的距離。(4))②、④選項是能夠轉向的，只是轉向可能受到干擾。
答案　(1)②　③　(2)③　(3)①　(4)②　④
7.如圖所示是室內濕度控制系統示意圖。
控制器接收到傳感器檢測的室內濕度，當達到設定值的上限時，啟動風扇，將潮濕空氣吸入主機內，由內部的冷凝器凝成水珠，經排水管排出。當傳感器檢測到室內的濕度達到設定值的下限時，關閉風扇及冷凝器的電源。請完成以下任務：
(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，將序號填寫在“________”)；
(2)該系統的被控對象是________(在①風扇；②冷凝器；③辦公室④主機中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統的傳感器應選用________(在①溫度傳感器；②濕度傳感器；③壓力傳感器；④流量傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為了提高該系統的除濕效果，有效的優化措施是________和________(在①加大風扇的轉速；②提高傳感器的靈敏度；③降低濕度的設定值；④加大冷凝器的功率中選擇合適的選項， 序號填寫在“________”處)。
解析　(1)控制過程無人參與是自動控制，控制系統有反饋是閉環控制；(2)系統控制的裝置是辦公室或空氣故被控對象是辦公室；(3)檢測的被控量是濕度應選濕度傳感器；(4)加大風扇的轉速，加大冷凝器的功率可將更多的潮濕空氣吸入主機內，由內部的冷凝器凝成水珠，經排水管排出。
答案　(1)②　④　(2)③　(3)②　(4)①　④
8.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，將序號填寫在“________”處)；
(2)該系統的被控對象是________(在①重錘；②連桿和圓錐氣孔塞子；③鍋爐中的氣體選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統中跟設定氣壓值相關的裝置是________(在①重錘；②連桿；③圓錐；④氣孔直徑和形狀中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)要提高該系統的鍋爐設定的壓力，有效的方法是________和________(在①減輕重錘的重量；②增大重錘的重量；③掛重錘的位置向右移；④掛重錘的位置向左移；選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　(1)該系統控制過程無需人參與是自動控制，被控量鍋內氣壓能穩定在一定范圍是閉環控制；(2)系統控制的對象是鍋內氣體；(3)在重錘重量不變的情況下，改變懸掛在連桿上的位置可改變設定氣壓；(4)增大重錘的重量；③掛重錘的位置向右移根據杠桿原理可提高鍋爐設定壓力。
答案　(1)②　④　(2)③　(3)②　(4)②　③
9.在日本一些餐廳門口設置了自動輪轉的等候椅，當椅子檢測到前面的椅子上沒人時，就會自動前向挪動，空著的椅子會重新來到隊尾開始新一輪的等待。 請完成以下任務：
(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，將序號填寫在“________”處)；
(2)該系統的被控對象是________(在①等候人員；②等候椅；③餐廳中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統中的傳感器應選用________(在①壓敏電阻；②光敏電阻；③熱敏電阻；④壓敏傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為提高該輪轉控制系統的可靠性，以下因素中，屬于系統優化的影響因素是________(在①傳感器的靈敏度； ②環境溫度、濕度和光線的變化； ③系統的制造和使用成本中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(5)設計該輪轉系統時，既要考慮感應距離，又要考慮信息交互的安全性，還要兼顧生產的成本等因素，體現了系統分析的________(在①整體性原則；②科學性原則；③綜合性原則中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　(1)系統控制過程無人參與是自動控制，系統無反饋是開環；(2)等候椅是系統控制的裝置是被控對象；(3)人是否坐壓力不同所以應采用壓敏傳感器；(4)環境溫度、濕度和光線的變化是約束條件，系統的制造和使用成本與該系統的控制無關，提高傳感器的靈敏度可使系統運轉正常；(5)有多個目標需實現，應統籌兼顧是應用系統分析的綜合性原則。
答案　(1)②　③　(2)②　(3)④　(4)①
(5)③
10.如圖所示是公共廁所中小便池自動沖水系統示意圖。其工作過程是：當人走到小便池前的紅外感應范圍內，紅外感應器感應到人體的熱輻射信號，控制電路即發出指令，讓電磁閥打開，出水管就會沖出1.2～3 L的水到小便池。
(1)根據以上描述，可知該自動沖水系統是________控制系統(在以下選項中選一個：①自動、閉環；②自動、開環；③人工、閉環；④人工、開環)。
(2)完成下面控制系統方框圖，如果認為是開環控制系統，請忽略虛線框內部分。
①________，②________，③________。
(3)在實際使用場合中，偶爾會發生有人從小便池前經過，即引發沖水________(選“屬于”或“不屬于”)控制系統的干擾因素。
(4)小便池的下水管采用塑料軟管并彎曲成S形，彎曲處會截留一些水，可以阻止臭氣回流。小便池長期不用時，下水管彎曲處的存水會干涸，導致臭氣回竄，解決此問題的最好方法是________。
①增加出水管每次的沖水量；②將下水管改成直管；③給小便池控制系統新增一個定時器，每隔48小時自動沖水一次；④出水管始終保持流較小的水流。
解析　(1)系統控制過程無人參與是自動控制，系統無反饋是開環；(2)人體的熱輻射信號是系統的給定量是輸入量，電磁閥接收指令而打開是執行器，出水管是系統控制的裝置是被控對象；(3) 有人從小便池前經過，即引發沖水這是有人體的熱輻射信號是輸入量所以不屬于干擾；(4)采用③是最好的方法這樣既節水又能阻止臭氣回流。
答案　(1)②自動、開環　(2)①人體的熱輻射信號　②電磁閥　③出水管　(3)不屬于　(4)③
11.如圖所示是某單位車牌識別系統，攝像機采集駛入車輛的車牌信息傳輸給計算機，計算機將車牌信息與登記的信息進行比較，若判斷為本單位車輛，啟動道閘電機，欄桿豎起放行。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 寫在“________”處)；
(2)該系統的被控對象是________(在①駛入車輛；②攝像機；③道閘電機；④欄桿中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)該系統識別車牌的檢測裝置應為________(在①紅外探頭；②攝像頭；③位移傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)為了提高該系統的識別效率，以下優化措施中有效的是________和________(在①在其它角度增加一臺攝像機；②改進計算機識別車牌信息的算法；③增加系統管理員的人數；④加大欄桿道閘電機的功率中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
解析　無人參與，無反饋是自動、開環控制；系統控制的對象是欄桿所以被控對象是欄桿；攝像機采集駛入車輛的車牌信息傳輸給計算機并進行識別，所以檢測裝置是攝像頭；增加一臺攝像機，改進計算機識別車牌信息的算法可提高識別率。
答案　(1)②　③　(2)③　(3)②　(4)①　②
12.如圖所示為電動平衡車，它的自動平衡控制系統的工作原理是利用車體內部的陀螺儀，來檢測車體姿態的變化，并利用伺服控制系統，精確地驅動電機進行相應的調整，使得車體姿態保持原來的狀態。是現代人用來作為代步工具、休閑娛樂的一種新型的綠色環保的產物。此外，平衡車還具有自動斷電控制系統，當人摔倒或者不在平衡車上時，平衡車自動斷電。
(1)電動平衡車的的自動平衡控制系統屬于________，電動平衡車的自動斷電系統屬于________(在①開環控制；②閉環控制中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
(2)電動平衡車的的自動平衡控制系統的控制器是________，執行器是________。
(3)電動平衡車的自動斷電功能，要選擇一個合適的傳感器，下列傳感器可選用________(在①加速度傳感器；②重力傳感器；③紅外線傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
(4)電動獨輪車在遇到凹凸不平的路面也能通過，體現了系統的________性。
解析　(1)電動平衡車的自動平衡控制系統控制的結果是使得車體姿態保持原來的狀態。所以輸入應該是設定了一個車體姿態，輸出是實際的車體姿態，當實際車體姿態與設定車體姿態不同時要不停調節直到相同，所以是一個閉環控制系統，而電動平衡車的自動斷電系統的輸入是當人摔倒或者不在平衡車上時，輸出是斷電，輸出對輸入沒有影響，是單向的，應該是開環控制系統。
(2)控制器是伺服控制系統，執行器是電機。
(3)因為是檢測人摔倒或者不在平衡車上，所以應該是重力傳感器。
(4)在凹凸不平的路面也能行使，應該是環境適應性。
答案　(1)②　①　(2)伺服控制系統　電機　(3)②　(4)環境適應性
13.如圖所示為小倪父親為自家寵物狗購買的自動喂食器和飲水器，小倪發現控制功能比較簡單，當家里多天沒人時不能滿足要求；小倪提出如下設計改進：1.增大儲水箱并外接水龍頭，控制儲水箱中的水位保持在一定范圍內；2.為了控制寵物狗的食量和保持食物新鮮，只有當寵物狗靠近喂食器并且超過了與上次的喂食計時間隔，喂食開關才打開，流出設定的食物量；根據小倪提出的設計構思，完成以下分析任務：
(1)控制儲水箱中水位的控制方式屬于________；控制喂食開關打開的控制方式屬于________(在①閉環控制；②開環控制中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(2)上述喂食控制系統中的被控對象是________，喂食開關打開(輸出量)跟寵物狗靠近喂食器、超過了與上次的喂食計時間隔這兩個條件的邏輯關系是________(在①寵物狗；②儲食物箱；③喂食開關；④與；⑤或；中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(3)上述儲水箱水位控制系統中的輸出量是________，該控制系統宜采用的傳感器是________(在①儲水箱流出水量；②儲水箱水位；③壓敏傳感器；④濕敏傳感器；⑤紅外傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。
答案　(1)①　②　(2)③　④　(3)②　③
14.函數記錄儀是一種通用記錄儀，它可以在直角坐標上描繪電量對時間的函數關系。函數記錄儀通常由變換器、測量元件、放大元件、伺服電動機、測速電機、齒輪系及繩輪等組成。系統的任務是讓記錄筆的在記錄紙上描繪出待記錄的電壓ur曲線。測量元件是由電位器RQ和RM組成的橋式測量電路，記錄筆就固定在電位器RM 的滑臂上，因此，測量電路的輸出電壓up與記錄筆位移成正比。當有變化的輸入電壓ur時，在放大元件輸入口得到偏差電壓Δu＝ ur－up，經放大后驅動伺服電動機，并通過齒輪系及繩輪帶動記錄筆移動，同時使偏差電壓減小。當偏差電壓Δu＝0時，電動機停止轉動，記錄筆也靜止不動。此時up＝ur，表明記錄筆位移與輸入電壓相對應。同時，記錄儀還帶有走紙機構，用以描繪一個電量對時間的函數關系。如果輸入電壓隨時間連續變化，記錄筆便描繪出隨時間連續變化的曲線。
(1)該系統的控制手段和控制方式分別屬于________和________(A.手動控制；B.自動控制；C.開環控制；D.閉環控制)。
(2)該系統的被控對象是________(A.伺服電機；B.記錄筆；C.齒輪系及繩輪；D.測速電機)。
(3)該控制系統的控制量是________(A.記錄筆的位移；B.伺服電機的轉動；C. 待記錄的電壓ur；D.電位器電壓up)。
(4)在設計函數記錄儀時，要充分考慮變換器、測量元件、放大元件、伺服電動機、測速電機、齒輪系及繩輪等方面的性能指標，力求使用中每個部件都能達到理想狀態。這體現了系統分析的________原則(A.綜合性；B.科學性； C.整體性)。
答案　(1)B　D(兩空不能對換)　(2)B　(3)B　(4)A
課件17張PPT。第四節　控制系統的設計與實施控制系統方案的設計
1.設計控制系統
明確控制要達到的目的；分析控制對象以及對象的主要特征；被控量和控制量；按
要求選擇控制系統的方式；控制系統的調試、運行和評價；系統的成本分析。2.開環控制系統的設計
明確設計要求，明確被控對象、輸出量和控制量后，即可考慮具體控制系統的方案。
3.閉環控制系統的設計
閉環控制系統要正常工作必須是穩定的；控制精度必須符合要求，系統的輸出量與
給定值之差應控制在允許的范圍之內；要有較好的抗干擾性能。 一、 控制系統的設計與實施
開閉環控制系統設計的要求及優化。【典例1】　如圖所示為一款遙控編碼探雷器，主要由遙控發送器及接收器組成，采用類似WIFI技術，通過編碼自動識別遙控信號。探雷器在遙控器按鍵的操控下，能在布雷區域內前、后、左、右運動。探雷器底部裝有感應器，可以感應下方埋藏的用磁鐵模擬的“地雷”，當探雷器行駛到“地雷”上方時，探雷器上的紅色LED燈亮，提示此處埋有“地雷”。請根據描述和示意圖，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人工控制；②自動控制；③開環控制；④閉環控制中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
?(2)該控制系統的被控對象是________(在①地雷；②遙控發送器；③探雷器；④紅色LED燈中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；(3)該系統中的傳感器應選用________(在①紅外傳感器；②干簧管；③溫度傳感器中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)；
(4)人在探雷的過程中操控探雷器找不到埋藏的“地雷”，較可能的原因是________和________(在①編碼地址出問題；②感應器出問題；③電池電力不足；④紅色LED燈正負極接反了中選擇合適的選項，將序號填寫在“________”處)。解析　探雷過程是在人操縱下進行的故是人工控制。控制過程無反饋是開環控制。系統控制的對象是LED燈，紅色LED燈是被控對象。地雷是磁性的要使得探雷器上的紅色LED燈亮傳感器必須用干簧管。由題意可知探雷器能移動，只能是感應器出問題或紅色LED燈正負極接反了。
答案　(1)①　③　(2)④　(3)②　(4)②　④
[方法總結]　系統方案的設計題型較多，要求全面的掌握控制開閉環系統與設計這方面的知識，還需正確選擇滿足功能等要求的器件或裝置，并能進行調試和分析故障的原因。變式訓練1　小通設計了如圖所示的一款小音箱，帶有音樂播放控制系統。如果把手伸進它的口中，就會播放幾首歌曲，然后自行停止。在選用該控制系統的傳感器時，以下最合適的是(　　)A.聲音傳感器 B.紅外傳感器
C.溫度傳感器 D.氣敏傳感器
解析　當手靠近傳感器接收到手的熱輻射信號所以最合適的是紅外傳感器。故答案是B。
答案　B變式訓練2　(2015·9浙江高考)如圖所示是一款寵物自動喂水機，寵物靠近時，閥門自動打開，離開后自動關閉。該控制系統的控制方式和宜采用的傳感器是(　　)A.開環控制、紅外傳感器
B.閉環控制、壓敏傳感器
C.開環控制、濕敏傳感器
D.閉環控制、聲敏傳感器
解析　該系統無反饋是開環控制； 寵物靠近傳感器接收到寵物發出的熱輻射信號閥門自動打開，能接收熱輻射的是紅外傳感器。答案選A。
答案　A變式訓練3　如圖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。若將電吹風看作被控對象，則執行器是 (　　)A.傳感器 B.控制器
C.繼電器 D.插頭
解析　繼電器接收控制器的指令并直接對被控對象進行控制，繼電器是執行器。故答案選C。
答案　C 如圖為紙漿濃度控制系統工作原理示意圖，其工作原理是：控制器將傳感器檢測到的配漿濃度與設定值相比較，根據偏差值控制電動調節閥調節清水流量，從而使配漿濃度達到設定值。請回答4～5題。 變式訓練4　該控制系統的傳感器應該選用(　　)A.濃度傳感器 B.流量傳感器
C.壓力傳感器 D.溫度傳感器
解析　為了檢測配漿濃度，應選擇濃度傳感器。故答案是A。
答案　A變式訓練5　該控制系統的輸入量及輸出量分別是(　　)A.清水流量；配漿流量
B.原漿濃度；配漿濃度
C.紙漿濃度的設定值；實際配漿濃度
D.取樣檢測濃度；配漿濃度設定值
解析　紙漿濃度控制系統通過反饋，使輸出量(實際配漿濃度)穩定在設定量(設定紙漿濃度)附近。該系統輸入量是設定的紙漿濃度，輸出量是實際的紙漿濃度。故答案是C。
答案　C

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