第四单元 控制及其设计 专题复习与练习 课件

(共42张PPT)
《控制与设计》单元复习与练习课件
控制与设计单元复习
一、控制的方式与应用
1.控制的含义
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。
2.控制产生的原因：由于事物的发展与变化具有多样性，为了让事物发展的结果是人们所期望的，需要“控制”。
3.控制的三要素
三要素 对象 目的 手段
含义 被控制的事物 人们的意愿或期望的方向 控制实施的方式和方法
4.控制的手段：控制的实现需要通过一定的手段
(1) 按照是否有人工干预情形来分类:
人工控制:控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行。
自动控制:在无人直接参与的情况下,使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
智能控制是自动控制领域里的一个新的分支和发展方向，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。
(2)按照控制信号流和执行部件的不同，自动控制可分为：机械控制、气动控制、液压控制、电动控制、电子控制等。
（3）控制按是否有反馈可分为开环控制、闭环控制
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在很多控制的事例中，控制的手段是多样、综合的。
5.控制的应用
控制在日常生活、工农业生产、军事、航天、现代科技等领域都有着广泛应用
二、控制系统的工作过程与方式
（一）控制系统
1.控制系统的含义
任何一种控制的实现,都要通过若干个环节共同实现,这些环节所涉及的装置就构成了一个系统,称为控制系统。
2.控制系统的输入与输出
(1)输入量:控制系统的启动信号。
(2)输出量（被控量）:控制系统所要控制的信号,即控制系统的输出信号。
（3）控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
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3.控制系统的分类
开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统
4.控制系统的方框图
在控制系统中,为了分析的方便,常采用方框来表示系统的环节,用单向
信号线来表示系统信号传递的方向,这种图称为控制系统的方框图。
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方框图：
（二）开环控制系统
1.开环控制系统的概念
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响,这种控制系统称为开环控制系统（例如自动打铃系统、自动门控制、定时控制的红绿灯、电风扇的速度控制、防盗报警控制系统）。
2.开环控制系统的方框图
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输入量
输出量
控制器
执行器
被控对象
检测装置（传感器）
控制量
3.开环控制系统各部分的说明
(1)被控对象:控制系统中所要求控制的装置或生产过程。
(2)控制器的作用:对输入信号进行处理并发出命令。
(3)执行器的作用:直接对被控对象进行控制。
(4)控制量:执行器的输出信号。
4.开环控制系统特点
输入量决定输出量，信号单向传递，输出量对整个系统的控制不产生任何影响，系统不能对控制结果加以修正、调节。
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（三）闭环控制系统
1.闭环控制系统的概念
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称为闭环控制系统。例如空调温度控制系统、水箱水位自动控制系统。
2.闭环控制系统的方框图

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3.闭环控制系统各部分的说明
(1)给定量:即输入量。
(2)被控量:即输出量。
(3)检测装置:检测出被控量并返回到系统的输入端。
(4)比较器:将给定量与所检测的被控量进行比较,求出偏差值。
(5)控制器的作用：将偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令。
(6)执行器的作用：根据指令直接对被控对象进行控制。
4.闭环控制系统特点
信号传递路径有两条，正向通道和反向（反馈）通道，形成闭合回路。
闭环控制系统抗干扰能力强。当被控量偏离正常值，就会产生相应的控制作用去消除偏差，从而使被控量稳定在一定范围内。闭环控制系统的给定量与被控量是同一性质的物理量。
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（四）开环控制系统与闭环控制系统的判断
1.开环控制系统与闭环控制系统的判断方法
根据定义判断 输出量对控制系统的工作不产生影响的是开环控制系统,输出量影响控制系统工作状态的是闭环控制系统
根据信号传递特征判断 开环控制系统信号单向传递,闭环控制系统信号双向传递
根据反馈的有无判断 开环控制系统不存在反馈,闭环控制系统存在反馈
判断检测装置检测的量 检测装置检测的量是输入信号是开环；检测装置检测的量是被控量，并且返回到输入端与输入量进行比较才是闭环
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简单控制系统的工作过程分析
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如图所示为某同学设计的自动干手器原理示意图，当手靠近传感器时，传感器将感应信号发送给控制器，控制器控制继电器闭合，电吹风开始工作。画出其控制系统方框图。
控制器
继电器
电吹风
电吹风工作/停止
传感器测到手信号
定时器
设定注水的时间
进水阀门
游泳池
游泳池的水位
水流量
定时器控制
游泳池的定时注水控制
公共汽车车门的开关控制
控制器
执行器
被控制对象
（按开关）
输入量
（电磁阀）
（控制电路）
（推动活塞）
控制量
（车门）
（车门开或闭）
输出量
为了方便人们的出入，一些医院、宾馆和银行都安装了自动门。当有人走近大门时，大门就会自动打开，如图所示。
当有人走近自动门时，门上方的红外线装置检测到人体热辐射发出的红外线信息，控制电路接收到该信号后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动门自动开启(或者控制气动装置，使门向两边打开)。当门开启之后，控制电路将作出判断，如果没有人在检测范围内，就通知电机做反向运转，使门关闭。可见自动门的开启或关闭只与红外线装置是否检测到人体发出的信号相对应。
（人体红外信号）
输入量
（电机）
（控制电路）
（门）
（门开或闭）
输出量
控制器
执行器
被控制对象
游泳池闭环控制改进
水位检测装置
控制器
进水阀门
游泳池
实际水位
水流量
控制器
检测水位装置
+
-
设定水位
比较器
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如图所示是花盆土壤湿度控制系统示意图。其工作原理是：控制电路将探头测得的湿度值与设定值相比较，根据偏差值控制电磁阀门打开或关闭，使土壤湿度值达到设定值。请根据上述说明，完成以下任务。
（1）该控制系统属于 。
A 人工开环控制 B 自动开环控制 C 人工闭环控制 D 自动闭环控制
（2）请将系统方框图补充完整。
A 控制电路 B 土壤湿度 C 花盆 D 电磁阀门 E 进水
探头
比较器
设定土壤湿度

闭环控 制系统 恒定输 出类 电冰箱恒温控制系统
感温元件测出冰箱内的实际温度,与设定的温度进行比较,若冰箱内的温度高于设定值,温度控制器将启动压缩机给电冰箱制冷,使冰箱内的温度降低,直至与设定值一致
动态跟 踪类 风力发电机跟踪风向的控制系统
风向测定装置将检测到的风向信号送给比较器与设定值比较,迎风控制装置根据风向角度偏差信号控制偏航电机运转,调整风轮角度,使风轮始终对准风向
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　　控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入（feedback）端并与输入量进行比较的过程就是反馈。
什么是反馈？
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（五）反馈与干扰因素
闭环与开环的比较
①有检测装置，一定是闭环吗？错误，开环输入可能有检测装置；
闭环一定有检测装置；
②闭环开环可以通过有无反馈来区分？正确
误区
③闭环开环均会受到干扰？正确
开环受干扰后影响大；闭环可以克服干扰，注意，不是消除，是克服。
什么是干扰？
关于干扰
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰（interference）因素。
干扰因素都是作用在被控对象上，其作用是破坏控制系统的平衡
干扰因素可能有一个，也可能有若干个；
干扰因素有自然环境造成的，也有人为的；
几乎所有控制系统都存在着干扰因素，干扰不可能被杜绝
干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中；
在一般控制系统中，干扰因素需要被克服。
在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。
干扰因素
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三、控制系统的设计与实施
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1.控制系统的设计要素：
明确控制目的——了解被控对象的基本特性——分析被控量和控制量及控制系统的干扰因素——确定执行器和控制器——确定控制类型及方案——控制系统的成本分析——画出必要的设计图纸——选择元器件——控制系统的制作、调试、运行、优化、评价。
2.开环控制系统的设计
对控制精度要求不高，系统本身很稳定的应用，采用开环控制系统，开环控制系统，结构简单，成本低。开环控制系统的设计在明确设计要求、被控对象、被控量、和控制量后，就可考虑具体方案。
3.闭环控制系统的设计
对控制精度要求高，高可靠，较好的抗干扰性，考虑采用闭环控制系统，闭环控制系统，结构复杂，成本高。在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重解决。
1.如图所示是一款测量耳温的温度计。它有一个声光警报装置,当测得的温度高于37.5℃时,就会发出嘟嘟声并闪烁。这个温度报警控制系统的控制手段和方式属于 (　　)

A.机械控制、开环控制　　
B.电子控制、开环控制
C.机械控制、闭环控制　　
D.电子控制、闭环控制
B
单元检测
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2.如图所示是某同学设计的自动干手器原理示意图,当手靠近传感器时,传感器将感应信号发送给控制器,控制器控制继电器闭合,电吹风开始工作。若将电吹风看做被控对象,则执行器是 (　　)
A.传感器　 B.控制器
C.继电器 D.插头
C
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3.如图所示为一款高铁站自动取票机，用户点击屏幕上“互联网取票”菜单命令并将身份证置于读取器位置后，电脑(单片机)接收到信息，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．被控对象是车票
C．输出量是电机的驱动
D．执行器是电脑(单片机)
B
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4.为提高城区道路通行率，某些城区道路试用了行人“请求式信号灯”。其工作原理是：行人按下行人过街按钮后，请求信号立即传递到信号控制器，信号控制器根据机动车通行的实况，在适当的时间后发出指令，使行人信号灯由红灯转换为绿灯。关于请求式信号灯控制系统，以下分析不正确的是
(　　)
A．控制方式为开环控制
B．控制量是按下行人过街按钮
C．“请求式信号灯”使行人过马路安全高效，体现了系统的目的性
D．设计该系统时既要保证行人安全通过，又要减少对车辆通行的影响，体现了系统分析的综合性原则
B
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5.电子手轮常用于CNC机床工作原点设定、主轴电机微调等动作。当手轮旋转时，编码器产生与手轮运动相对应的信号，通过PLC的处理和放大控制机床主轴电机旋转使负载达到相应角度。关于该控制，下列说法错误的是(　　)
A．该控制是开环控制
B．主轴电机旋转是被控量
C．手轮旋转是输入量
D．执行器为主轴电机
B
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6.如图所示是居民楼的储水供水控制系统原理图，当检测装置检测到水塔中的水位低于设定水位时，控制器控制水泵运转，使水塔的水位升高到设定水位。该控制系统的方框图是(　　)
C
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7.在孵化箱温度控制系统设计过程中，卫同学想增加一个高温报警子系统，当孵化箱温度控制出故障时，若内部温度过高，则发出报警声。要设计该报警子系统，下列构思不可行的是(　　)
A．执行器可选用电子开关
B．扬声器可以用作被控对象
C．控制器可以采用带有温度传感器的控制电路
D．因为要检测温度，所以要通过闭环控制系统实现
D
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8.学校的自动、定时打铃系统目前一般都由电脑控制，其控制系统为( )
机械控制、闭环控制系统
电子控制、闭环控制系统
C. 机械控制、开环控制系统
D. 电子控制、开环控制系统
答案：D
9.如图为吊车设计的远离危险控制系统。吊车上的感应器一旦感应到重物的存在，微电脑就会自动打开激光头照射，在重物的下方地面上照射出一个红色区域，提醒过往的人不要进入，被照射区域的大小也能远程自动调整。下列关于该控制系统的说法中，正确的是(　　)
A．被控对象是吊车
B．执行器是激光头
C．输入量是检测到人是否靠近
D．输出量是激光头照射出红色区域
D
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10.如图所示的恒温控制系统，由热电偶/热电阻采集温度信号，经过变送器的处理后被A/D转换器识别，并转换为相应的数字信号。PLC对温度信号进行处理后，通过模拟量模块输出电流信号，电流信号可以通过调压器来控制电源的开度，从而控制电源的输出功率。加热器根据电源输出功率调节加热强度，从而达到温度调节的效果。温度设定值可以通过计算机进行调整。从控制系统角度分析，下列关于恒温控制系统的说法中不正确的是(　　)
A．温度传感器参与了系统的反馈过程
B．该系统的执行器是调压器和固体加热器
C．室外温度的变化是温度控制系统的干扰因素
D．控制器是计算机和PLC
D
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11.如图所示是人行道喷水警示控制系统示意图，在红灯时段微波传感器检测到行人越过边界时，控制器启动水泵使喷头喷出水雾，以警示行人。关于该控制系统，以下说法中正确的是(　　)
A．被控对象是人行道
B．控制方式属于闭环控制
C．太阳光是该控制系统的干扰因素
D．执行器是水泵
D
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12.如图所示为一款宾馆用的感应式液压自动餐炉。当传感器检测到人靠近时，液压装置会自动打开炉盖，方便客人查看或夹取食物，客人离开几秒钟后，炉盖自动关闭，以保持食物的温度与卫生。以下关于该炉盖开合控制系统的分析中正确的是(　　)
A．控制方式属于闭环控制
B．传感器可以选用热敏传感器
C．执行器是液压装置
D．多人同时靠近为其干扰因素
C
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13.小明正在设计一个简易教室粉尘净化控制系统。系统的传感器检测教室内粉尘浓度，当粉尘浓度高于一定值时，进气扇和排气扇自动开启，吹入干净空气的同时排出含粉尘空气，降低室内粉尘浓度。关于该控制系统，下列设计分析不正确的是(　　)
A．可以采用光敏传感器检测粉尘浓度
B．可以采用电磁继电器的触点作为风扇自动开关
C．被控对象是进气扇和排气扇
D．外界环境的粉尘浓度是该控制系统的干扰因素
C
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14.如图所示是自适应巡航控制系统(简称ACC)。信息感知单元为电子控制单元(EDU)提供车辆行驶状况、操作状况和路况信号，EDU根据这些信号与驾驶员设定的安全车距及巡航速度通过运算确定主车的行驶方案(即选择保持安全车距还是选择定速巡航的行驶方案)，并指令执行单元操作车辆的油门和刹车，使车辆按照驾驶员设定的要求行驶。下列关于对该控制系统的分析中不正确的是(　　)
A．ACC的输出量是车辆的行驶速度及车距
B．在前方突然变道的车辆是干扰因素
C．ACC系统的控制器是电子控制单元(ECU)
D．喷入发动机的燃油量是ACC系统的控制量
B
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15.如图为一款果实采摘机器人，内燃发动机驱动两台油压泵，其中的一台是用于驱动机械手，另一台用于驱动车辆行走，机器人内置的一套智能应用系统用以区分水果或者蔬菜成熟度，当采集系统传感过来的参数与预设的瓜果成熟参数匹配时，智能应用系统驱动伺服电机转动，从而带动机械臂及切割刀完成采摘。以下关于该控制系统说法正确的是(　　)
A．此控制系统为闭环控制系统
B．采集系统传感参数与预设参数比较的过程属于反馈
C．被控量是伺服电机的转动
D．预设的瓜果成熟参数不属于该控制系统的干扰因素
D
控制与设计单元复习
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自行车刹车控制过程如下：刹车时，施加一定的握把力，通过杠杆系统，使刹车片压紧车圈（或轮轴），车轮减速。刹车握紧力与车轮转速一一对应。这是一个开环控制系统，其方框图如下。 在这个控制系统中执行器是（ ）。A．握把 B．杠杆系统 C．刹车片 D．车轮
答案：C
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工业锅炉是利用重锤进行压力控制的，重锤挂在横杆上，杆的支点在最左端，中间是锅炉的排气孔。请画出控制框图分析它是如何实现压力控制的，指出横杆的作用是什么。
横杆的作用：给定输入值（即压力的大小）
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如图所示是花盆土壤湿度控制系统示意图。其工作原理是：控制电路将探头测得的湿度值与设定值相比较，根据偏差值控制电磁阀门打开或关闭，使土壤湿度值达到设定值。请根据上述说明，完成以下任务。
（1）该控制系统属于 。
A 人工开环控制 B 自动开环控制 C 人工闭环控制 D 自动闭环控制
（2）请将系统方框图补充完整。
A 控制电路 B 土壤湿度 C 花盆 D 电磁阀门 E 进水
探头
比较器
设定土壤湿度

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C
B
如图是某学生设计制作的电子闹钟，该电子闹钟有安卓控制板、铃铛、舵机及连线组成，其工作过程是：电脑编制程序，下载到安卓控制板上，运行后，驱动舵机摇晃铃铛发出声音，请按要求完成以下题目：
1.从系统构成分析，在控制系统中，安卓控制板、铃铛、舵机等部件是——（A.简单叠加 B.独立工作 C.既相互联系又相互制约）
2.在该控制系统中，如果舵机供电不足不能正常工作，会导致设定的铃声无法准时响起，这体现了系统的——
（A.实用性 B.整体性 C.目的性 D.环境适应性）
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C
A
A
3.在该控制系统方框图中，将正确的选项字母填入括号内（A.铃铛 B.程序 C.舵机 D.安卓控制板 E.电流信号）
4.该控制系统属于______（A.开环控制系统 B.闭环控制系统）
C
B
B
A