粤科版2019 必修 技术与设计2 高中通用技术学业水平考试综合复习 第四章 控制及其设计

通用技术
必修2 技术与设计2
第四章 控制及其设计
一、章节体系
二、知识点
4.1 了解控制
（一）控制
人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。如骑自行车、调节空调的湿度、机器人、汽车自动生产线等。
（二）手动控制
必须在人的直接干预下才能完成控制任务，称为手动控制。如开关电器，开关水龙头，开车，画画等。
（三）自动控制
如果控制过程不需要人的干预，就能达到期望的控制效果，则称为自动控制。如扫地机器人，全自动洗衣机等。
（四）智能控制
智能控制是指具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式。它能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。
（五）开环控制和闭环控制
开环控制：不能将控制的结果反馈回来影响控制作用的控制过程。
闭环控制：能将控制结果反馈回来与期望值进行比较，并根据它们的误差调整控制作用的控制过程。
开环控制：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制。
如：水位定时控制系统、十字路口的红绿灯系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉控制系统等。（苏教版）
闭环控制：把系统的输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统。
如：土壤湿度控制浇灌系统、电冰箱的湿度控制、空调湿度控制等。（苏教版）
4.2　控制系统的组成和描述
（一）控制系统的组成
基准量/给定量 控制器 执行器 被控对象 被控量
开环控制系统及其组成部分名称
基准量/给定量 控制器 执行器 被控对象 被控量
反馈环节
闭环控制系统及其组成部分名称
（二）控制系统的框图表示
4.3　简单控制系统的设计
（一）控制系统设计过程
第一步，确定控制目的。
第二步，确定系统的被控量。
第三步，明确系统各项指标。
第四步，确定控制系统的结构。
第五步，建立系统各环节的模型。
第六步，确定待调参数。
第七步，测试系统的性能。
（二）设计实例
LED数码显示器的设计
1．明确设计目的：一位数码显示0-9的数字。
2．确定被控量及设计指标：LED数码管各段的亮或灭。
3．确定系统结构：确定控制手段（手动/自动），控制方式（开环/闭环）。
4．选择实现方法：（1）手动控制，显示“3”。
5．部件模型及主要参数的确定：利用欧姆定律，功率公式计算相关参数。
6．验证、完成你的设计：组装相关零件，测试效果。
7．评估你的设计：是否达到预期目的，收集意见，改进。
8．优化设计：由于只能显示“3”，实际应用价值有限，可采用自动控制，编程实现0-9的显示。
4.4控制中的干扰
（一）干扰对控制功能的影响
干扰：在控制系统中，常有一些变化不定的因素对系统的行为造成不良的影响，这种有害因素，称为干扰。
干扰会使被控对象产生错误动作。
干扰的理解：除输入量以外，引起被控量变化的有害因素才被定义为干扰。
一般来说，闭环控制系统能不断地修正控制效果，以减少被控量和给定量之间的误差。所以闭环控制系统有更好的抗干扰能力。
（二）克服干扰的基本方法
消除法、减弱法、提高系统性能法。
三、学业测试
一、单选题
1．下列属于闭环控制系统的是
A．红绿灯定时控制 B．楼道声控灯的控制
C．电冰箱的温度控制 D．金属探测仪的检测报警控制
如图所示的是某款自动感应垃圾桶。当垃圾桶上方的红外线传感器在感应区范围内检测到物体接近时，就会把检测到的信号传给控制模块，控制模块发出信号使电机转动，开启桶盖。当物体离开感应区范围一段时间后桶盖自动关闭。请根据以上描述完成2 4题
2．该自动感应垃圾桶的开闭桶盖控制系统属于
A．手动控制，闭环控制
B．自动控制，闭环控制
C．自动控制，开环控制
D．手动控制，开环控制
3．下列对该控制系统的分析中不正确的是
A．执行器是电机 B．输入量是红外线传感器
C．被控对象是垃圾桶盖 D．控制器是控制模块
4．下列不属于自动感应垃圾桶干扰因素的是
A．电池电量不足 B．垃圾桶附近的强电磁场
C．说话的声音 D．内桶漏水导致的控制电路故障
如图所示的是某智能人体感应LED灯，常用在走廊等地。内置人体微波感应器,当人进入感应范围，人体微波感应器就把检测到的人体信号传输给控制电路，控制电路再发出信号，灯亮，延时一定时间后灯自动熄灭。请根据以上描述完成5 6题
5．该智能人体感应LED灯的控制系统属于
A．手动控制，闭环控制
B．手动控制，开环控制
C．自动控制，开环控制
D．自动控制，闭环控制
6．下列对该控制系统分析不正确的是
A．检测装置是人体微波感应器 B．输入量是检测到的人体信号
C．被控对象是控制电路 D．被控量是灯的亮与灭
7．小明在学习了通用技术课程后，准备设计一款智能风扇，初步想法是：当人在风扇周边一定范围内，如果人移动，风扇就能根据人的位置转动，达到风扇一直对着人吹的目的；当人超出该范围后，风扇能够自动断电关闭。下列构思中不恰当的是
A．智能风扇可以分成两部分来设计，即自动开关的控制和自动跟踪的控制
B．自动跟踪的控制设计成开环控制更合理
C．设计该智能风扇的时候要克服有动物或其它物体经过时引起的干扰
D．自动开关的控制设计成自动控制更合理
8．如图所示为某款黄瓜自动采摘机器人，该机器人内置智能系统，可以区分黄瓜的成熟度，当传感器采集到的数据与预设的黄瓜成熟参数匹配时，智能系统驱动电机转动，从而带动机械臂及切割刀完成采摘。以下关于该控制的说法正确的是
A．采摘控制为开环控制
B．控制器是电机
C．被控量是传感器
D．采集数据与预设参数比较属于采摘反馈
9．关于干扰因素对控制系统的作用，下列说法正确的是
A．干扰因素是可以完全避免的 B．干扰因素能引起被控量发生变化
C．干扰因素仅作用在控制器上 D．干扰因素只作用于开环控制系统
10．以下属于正确利用干扰的是
A．在高考时使用手机信号屏蔽仪 B．闪电会对电视信号产生一定干扰
C．飞机降落时要求乘客关闭手机 D．在靠近居民楼的公路边安装隔音墙
11．如图所示的是某款抽水马桶。扳动冲水把手，水箱冲水，同时，浮球下降，打开进水圈，水箱开始补水。水位开始上升，浮球上浮到原设定位置时，水箱停止进水。下列有关该水箱水位控制装置的说法中正确的是
A．被控量是水箱实际水位
B．该控制属于手动控制
C．该控制属于开环控制
D．浮球破裂不会对控制产生干扰
12．如图所示的是某款自动伸缩遮阳篷，当传感器检测到阳光时，将信号发送给控制器，控制器启动电机，使遮阳篷展开。关于该控制系统，下列说法不正确的是
A．执行器是电机
B．被控量是阳光信号
C．输入量是阳光信号
D．被控对象是遮阳篷
13．如图所示的是某款淋喷式洗碗机。其基本工作原理是：当打开开关后，控制模块根据预设的程序发出指令，使水泵将水从喷头高压喷出，水流的反作用力使喷头旋转，从而使水流到达洗碗机的各个角落，在高温水流和洗涤剂的作用下，把餐具洗干净。下列关于该控制系统的分析正确的是
A．该控制系统的控制量是喷头
B．该控制系统的被控对象是餐具
C．该控制系统的执行器是水泵
D．该控制系统的被控量是水
14．如图所示某款高铁站自动取票机，用户点击屏幕上“互联网取票”菜单命令，然后将身份证置于读取器位置，电脑获取身份信息，打印车票并驱动相关电机及机械装置，将车票从取票口送出。关于自动取票机的控制，下列说法正确的是
A．该控制是闭环控制
B．执行器是车票
C．输出量是电机
D．控制器是电脑
15．下列日常生活中的控制是手动控制的是
A．手动调节风扇的档位 B．空调的温度控制过程
C．高速公路上的测速抓拍控制 D．汽车电瓶的电量监测控制系统
二、分析题
16．如图所示某款雨滴感应式自动雨刮器控制系统。它能根据雨量大小控制雨刮器转动的速度。传感器检测出雨量大小，把它变成电信号，传递给单片机，单片机根据电信号的强弱控制电动机的转速，从而控制雨刮器的速度，使得雨刮器的速度与雨量大小相适应。请结合所学知识回答下列问题：
（1）该系统的控制手段和控制方式分别属于_____和_____（选填序号：①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制）；
（2）该系统的执行器是_____（选填序号：①雨刮器；②雨量；③驱动电机；④单片机）；控制量是_____（选填序号：①雨刮器速度；②雨量；③单片机输出电流；④驱动电机转速）；
（3）为了提高雨刷效果，并适合不同的场合，以下的几个优化措施中，最合理的是___；
（4）以下属于该优化的影响因素的是_____（选填序号：①雨量大小；②车速快慢；③检测装置的精度）。（5分）
17．如图所示的是李华设计的小鸡孵化箱，该孵化箱包括微电脑数字温控器、温度探头、加热丝、水床等。系统正常运行时，当温度低于设定值时，加热丝加热；当温度高于设定值时，加热丝停止加热，使孵化箱内水床的温度保持在合理的范围之内。请结合所学知识回答下列问题：
（1）补充完整该控制系统方框图（在①温度探头；②电源；③加热丝；④微电脑数字温控器中选择合适的选项，将序号填写在“______”处）；（12分）
（2）温度传感器放置的位置合理的是____（选填序号：①水床下表面；②水床上表面；③在泡沫箱顶部）；（4分）
（3）为了节能环保，下列对鸡蛋孵化箱的优化措施合理的是____和____（选填序号：①换用更大的泡沫箱作为箱体；②换用更厚的泡沫箱作为箱体；③在泡沫箱内壁粘贴一层减小热辐射损失的材料；④换用功率更大的电源）。（8分）
18．如图所示的是太阳能自动跟踪控制系统及结构示意图，该控制系统能使太阳能电池板充分吸收太阳辐射的能量，提高发电系统的发电量。其工作原理是：传感器跟踪太阳相对方向，控制器根据偏差值控制电机运转，调整太阳能电池板的实际方向。请结合所学知识回答下列问题：
（1）根据示意图及描述，在控制系统方框图中“____”处填写相应的内容；（16分）
（2）若太阳能电池板无法根据太阳位置调整朝向，不可能的原因是____（选填序号：①电机损坏，②控制器损坏；③电池板面板损坏）。（4分
通用技术
必修2 技术与设计2
第四章 控制及其设计
一、章节体系
二、知识点
4.1 了解控制
（一）控制
人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。如骑自行车、调节空调的湿度、机器人、汽车自动生产线等。
（二）手动控制
必须在人的直接干预下才能完成控制任务，称为手动控制。如开关电器，开关水龙头，开车，画画等。
（三）自动控制
如果控制过程不需要人的干预，就能达到期望的控制效果，则称为自动控制。如扫地机器人，全自动洗衣机等。
（四）智能控制
智能控制是指具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式。它能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。
（五）开环控制和闭环控制
开环控制：不能将控制的结果反馈回来影响控制作用的控制过程。
闭环控制：能将控制结果反馈回来与期望值进行比较，并根据它们的误差调整控制作用的控制过程。
开环控制：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制。
如：水位定时控制系统、十字路口的红绿灯系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉控制系统等。（苏教版）
闭环控制：把系统的输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统。
如：土壤湿度控制浇灌系统、电冰箱的湿度控制、空调湿度控制等。（苏教版）
4.2　控制系统的组成和描述
（一）控制系统的组成
基准量/给定量 控制器 执行器 被控对象 被控量
开环控制系统及其组成部分名称
基准量/给定量 控制器 执行器 被控对象 被控量
反馈环节
闭环控制系统及其组成部分名称
（二）控制系统的框图表示
4.3　简单控制系统的设计
（一）控制系统设计过程
第一步，确定控制目的。
第二步，确定系统的被控量。
第三步，明确系统各项指标。
第四步，确定控制系统的结构。
第五步，建立系统各环节的模型。
第六步，确定待调参数。
第七步，测试系统的性能。
（二）设计实例
LED数码显示器的设计
1．明确设计目的：一位数码显示0-9的数字。
2．确定被控量及设计指标：LED数码管各段的亮或灭。
3．确定系统结构：确定控制手段（手动/自动），控制方式（开环/闭环）。
4．选择实现方法：（1）手动控制，显示“3”。
5．部件模型及主要参数的确定：利用欧姆定律，功率公式计算相关参数。
6．验证、完成你的设计：组装相关零件，测试效果。
7．评估你的设计：是否达到预期目的，收集意见，改进。
8．优化设计：由于只能显示“3”，实际应用价值有限，可采用自动控制，编程实现0-9的显示。
4.4控制中的干扰
（一）干扰对控制功能的影响
干扰：在控制系统中，常有一些变化不定的因素对系统的行为造成不良的影响，这种有害因素，称为干扰。
干扰会使被控对象产生错误动作。
干扰的理解：除输入量以外，引起被控量变化的有害因素才被定义为干扰。
一般来说，闭环控制系统能不断地修正控制效果，以减少被控量和给定量之间的误差。所以闭环控制系统有更好的抗干扰能力。
（二）克服干扰的基本方法
消除法、减弱法、提高系统性能法。
三、学业测试
一、单选题
1．下列属于闭环控制系统的是
A．红绿灯定时控制 B．楼道声控灯的控制
C．电冰箱的温度控制 D．金属探测仪的检测报警控制
【答案】：C
【解析】：电冰箱工作时有一定设定湿度，湿度传感器检测实际湿度，反馈到输入端与设定湿度比较，使实际湿度趋于设定湿度，实现闭环控制。ABC项输出量均未反馈回来对控制产生影响。
如图所示的是某款自动感应垃圾桶。当垃圾桶上方的红外线传感器在感应区范围内检测到物体接近时，就会把检测到的信号传给控制模块，控制模块发出信号使电机转动，开启桶盖。当物体离开感应区范围一段时间后桶盖自动关闭。请根据以上描述完成2 4题
2．该自动感应垃圾桶的开闭桶盖控制系统属于
A．手动控制，闭环控制
B．自动控制，闭环控制
C．自动控制，开环控制
D．手动控制，开环控制
【答案】：C
【解析】：垃圾桶自动感应打开，控制手段属自动控制；其输出量为桶盖的开或关，未反馈到输出端对控制产生影响。
3．下列对该控制系统的分析中不正确的是
A．执行器是电机 B．输入量是红外线传感器
C．被控对象是垃圾桶盖 D．控制器是控制模块
【答案】：B
【解析】：输入量是红外线传感器检测到手伸过来的信号。
4．下列不属于自动感应垃圾桶干扰因素的是
A．电池电量不足 B．垃圾桶附近的强电磁场
C．说话的声音 D．内桶漏水导致的控制电路故障
【答案】：C
【解析】：红外传感器不能将声音作为输入信号，声音对垃圾桶控制不构成干扰。
如图所示的是某智能人体感应LED灯，常用在走廊等地。内置人体微波感应器,当人进入感应范围，人体微波感应器就把检测到的人体信号传输给控制电路，控制电路再发出信号，灯亮，延时一定时间后灯自动熄灭。请根据以上描述完成5 6题
5．该智能人体感应LED灯的控制系统属于
A．手动控制，闭环控制
B．手动控制，开环控制
C．自动控制，开环控制
D．自动控制，闭环控制
【答案】：C
【解析】：红外传感器感应人身信号作为输入信号，灯的亮或灭是输出信号，并未反馈到输入端影响控制，为开环控制系统。
6．下列对该控制系统分析不正确的是
A．检测装置是人体微波感应器 B．输入量是检测到的人体信号
C．被控对象是控制电路 D．被控量是灯的亮与灭
【答案】：C
【解析】：被控对象是灯。
7．小明在学习了通用技术课程后，准备设计一款智能风扇，初步想法是：当人在风扇周边一定范围内，如果人移动，风扇就能根据人的位置转动，达到风扇一直对着人吹的目的；当人超出该范围后，风扇能够自动断电关闭。下列构思中不恰当的是
A．智能风扇可以分成两部分来设计，即自动开关的控制和自动跟踪的控制
B．自动跟踪的控制设计成开环控制更合理
C．设计该智能风扇的时候要克服有动物或其它物体经过时引起的干扰
D．自动开关的控制设计成自动控制更合理
【答案】：B
【解析】：智能风扇跟踪的范围会设置一个给定量，人的位置是输入量，智能风扇将检测到的人的位置与设定的范围进行比较得出一个差值，影响风扇转运的实际位置，设计成闭环更合理。
8．如图所示为某款黄瓜自动采摘机器人，该机器人内置智能系统，可以区分黄瓜的成熟度，当传感器采集到的数据与预设的黄瓜成熟参数匹配时，智能系统驱动电机转动，从而带动机械臂及切割刀完成采摘。以下关于该控制的说法正确的是
A．采摘控制为开环控制
B．控制器是电机
C．被控量是传感器
D．采集数据与预设参数比较属于采摘反馈
【答案】：D
【解析】：D项中采集数据与预设参数的比较器就是给定量与反馈量的比较，符合定义。本控制为闭环控制，控制器是智能系统，被控量是黄瓜是否采摘。
9．关于干扰因素对控制系统的作用，下列说法正确的是
A．干扰因素是可以完全避免的 B．干扰因素能引起被控量发生变化
C．干扰因素仅作用在控制器上 D．干扰因素只作用于开环控制系统
【答案】：B
【解析】：干扰因素的定义就是能引起被控量发生变化的有害因素。
10．以下属于正确利用干扰的是
A．在高考时使用手机信号屏蔽仪 B．闪电会对电视信号产生一定干扰
C．飞机降落时要求乘客关闭手机 D．在靠近居民楼的公路边安装隔音墙
【答案】：A
【解析】：信号屏蔽仪就是利用自身产生的电磁波对手机信号造成干扰，达到防止舞弊的作用。
11．如图所示的是某款抽水马桶。扳动冲水把手，水箱冲水，同时，浮球下降，打开进水圈，水箱开始补水。水位开始上升，浮球上浮到原设定位置时，水箱停止进水。下列有关该水箱水位控制装置的说法中正确的是
A．被控量是水箱实际水位
B．该控制属于手动控制
C．该控制属于开环控制
D．浮球破裂不会对控制产生干扰
【答案】：A
【解析】：该控制属于自动控制、闭环控制，被控量是水箱的实际水位。
12．如图所示的是某款自动伸缩遮阳篷，当传感器检测到阳光时，将信号发送给控制器，控制器启动电机，使遮阳篷展开。关于该控制系统，下列说法不正确的是
A．执行器是电机
B．被控量是阳光信号
C．输入量是阳光信号
D．被控对象是遮阳篷
【答案】：B
【解析】：被控量是电机的通断。
13．如图所示的是某款淋喷式洗碗机。其基本工作原理是：当打开开关后，控制模块根据预设的程序发出指令，使水泵将水从喷头高压喷出，水流的反作用力使喷头旋转，从而使水流到达洗碗机的各个角落，在高温水流和洗涤剂的作用下，把餐具洗干净。下列关于该控制系统的分析正确的是
A．该控制系统的控制量是喷头
B．该控制系统的被控对象是餐具
C．该控制系统的执行器是水泵
D．该控制系统的被控量是水
【答案】：C
【解析】：控制量是喷头的开和关，被控对象是高压水流，执行器是水泵，被控量是水流的压力。
14．如图所示某款高铁站自动取票机，用户点击屏幕上“互联网取票”菜单命令，然后将身份证置于读取器位置，电脑获取身份信息，打印车票并驱动相关电机及机械装置，将车票从取票口送出。关于自动取票机的控制，下列说法正确的是
A．该控制是闭环控制
B．执行器是车票
C．输出量是电机
D．控制器是电脑
【答案】：D
【解析】：控制器是电脑，执行器是打印机/相关电机及机械装置。
15．下列日常生活中的控制是手动控制的是
A．手动调节风扇的档位 B．空调的温度控制过程
C．高速公路上的测速抓拍控制 D．汽车电瓶的电量监测控制系统
【答案】：A
【解析】：手动风扇的档位调节在调节档位时始终离不开人的操作，属于手动控制。
二、分析题
16．如图所示某款雨滴感应式自动雨刮器控制系统。它能根据雨量大小控制雨刮器转动的速度。传感器检测出雨量大小，把它变成电信号，传递给单片机，单片机根据电信号的强弱控制电动机的转速，从而控制雨刮器的速度，使得雨刮器的速度与雨量大小相适应。请结合所学知识回答下列问题：
（1）该系统的控制手段和控制方式分别属于_____和_____（选填序号：①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制）；
【答案】：②、③
【解析】：雨刮器能根据雨量大小，自动刮雨，属于自动控制，雨刮器的快慢由输入信号的强弱控制，雨刮器的快慢未反馈到输入端影响控制，属于开环控制系统。
（2）该系统的执行器是_____（选填序号：①雨刮器；②雨量；③驱动电机；④单片机）；控制量是_____（选填序号：①雨刮器速度；②雨量；③单片机输出电流；④驱动电机转速）；
【答案】：③、④
【解析】：该系统的执行器是驱动电机，控制量是驱动电机的转速。
（3）为了提高雨刷效果，并适合不同的场合，以下的几个优化措施中，最合理的是___；
【答案】：③
【解析】：该控制系统的目的是控制雨刮器的运行，最终是使档风玻璃清晰，帮助人们安全行车，所以③最合理。
（4）以下属于该优化的影响因素的是_____（选填序号：①雨量大小；②车速快慢；③检测装置的精度）。
【答案】：③
【解析】：雨量大小属外部环境，是系统优化的约束条件，车速的快慢可由人自动控制，不需要拿入该系统的优化之中。
17．如图所示的是李华设计的小鸡孵化箱，该孵化箱包括微电脑数字温控器、温度探头、加热丝、水床等。系统正常运行时，当温度低于设定值时，加热丝加热；当温度高于设定值时，加热丝停止加热，使孵化箱内水床的温度保持在合理的范围之内。请结合所学知识回答下列问题：
（1）补充完整该控制系统方框图（在①温度探头；②电源；③加热丝；④微电脑数字温控器中选择合适的选项，将序号填写在“______”处）；
【答案】：④、③、①
【解析】：此系统的控制器是微电脑数字温控器，执行器是加热丝，反馈环节是湿度探头。
（2）温度传感器放置的位置合理的是____（选填序号：①水床下表面；②水床上表面；③在泡沫箱顶部）；
【答案】：②
【解析】：该控制系统是控制水床上表面的实际湿度，所以湿度传感器应放在水床上表面。
（3）为了节能环保，下列对鸡蛋孵化箱的优化措施合理的是____和____（选填序号：①换用更大的泡沫箱作为箱体；②换用更厚的泡沫箱作为箱体；③在泡沫箱内壁粘贴一层减小热辐射损失的材料；④换用功率更大的电源）。
【答案】：②、③
【解析】：更厚的泡沫箱作为箱体可减少热量的损失，与③一样，属于合理的优化措施。
18．如图所示的是太阳能自动跟踪控制系统及结构示意图，该控制系统能使太阳能电池板充分吸收太阳辐射的能量，提高发电系统的发电量。其工作原理是：传感器跟踪太阳相对方向，控制器根据偏差值控制电机运转，调整太阳能电池板的实际方向。请结合所学知识回答下列问题：
（1）根据示意图及描述，在控制系统方框图中“____”处填写相应的内容；
【答案】：①控制器 ②太阳能电池板 ③太阳能电池板的实际方向 ④传感器
【解析】：该系统的①是控制器，②是被控对象，③是被控量，④是反馈环节，分别对应控制器、太阳能电池板、太阳能电池板的实际方向，传感器。
（2）若太阳能电池板无法根据太阳位置调整朝向，不可能的原因是____（选填序号：①电机损坏，②控制器损坏；③电池板面板损坏）。
【答案】：③
【解析】：①、②均与太阳能电池板是否转动有关，而③与电池板转运无关，所以选③