第四节 控制系统的设计与实施
考试内容
考试要求
考试属性
控制系统方案的设计
c
必考＋加试
控制系统方案的设计
1.设计控制系统
明确控制要达到的目的；分析控制对象以及对象的主要特征；被控量和控制量；按要求选择控制系统的方式；控制系统的调试、运行和评价；系统的成本分析。
2.开环控制系统的设计
明确设计要求，明确被控对象、输出量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。
3.闭环控制系统的设计
闭环控制系统要正常工作必须是稳定的；控制精度必须符合要求，系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；要有较好的抗干扰性能。
一、 控制系统的设计与实施
开闭环控制系统设计的要求及优化。
【典例1】 如图所示为一款遥控编码探雷器，主要由遥控发送器及接收器组成，采用类似WIFI技术，通过编码自动识别遥控信号。探雷器在遥控器按键的操控下，能在布雷区域内前、后、左、右运动。探雷器底部装有感应器，可以感应下方埋藏的用磁铁模拟的“地雷”，当探雷器行驶到“地雷”上方时，探雷器上的红色LED灯亮，提示此处埋有“地雷”。请根据描述和示意图，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①人工控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该控制系统的被控对象是________(在①地雷；②遥控发送器；③探雷器；④红色LED灯中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中的传感器应选用________(在①红外传感器；②干簧管；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)人在探雷的过程中操控探雷器找不到埋藏的“地雷”，较可能的原因是________和________(在①编码地址出问题；②感应器出问题；③电池电力不足；④红色LED灯正负极接反了中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 探雷过程是在人操纵下进行的故是人工控制。控制过程无反馈是开环控制。系统控制的对象是LED灯，红色LED灯是被控对象。地雷是磁性的要使得探雷器上的红色LED灯亮传感器必须用干簧管。由题意可知探雷器能移动，只能是感应器出问题或红色LED灯正负极接反了。
答案 (1)① ③ (2)④ (3)② (4)② ④
[方法总结] 系统方案的设计题型较多，要求全面的掌握控制开闭环系统与设计这方面的知识，还需正确选择满足功能等要求的器件或装置，并能进行调试和分析故障的原因。
变式训练1 小通设计了如图所示的一款小音箱，带有音乐播放控制系统。如果把手伸进它的口中，就会播放几首歌曲，然后自行停止。在选用该控制系统的传感器时，以下最合适的是( )
A.声音传感器 B.红外传感器
C.温度传感器 D.气敏传感器
解析 当手靠近传感器接收到手的热辐射信号所以最合适的是红外传感器。故答案是B。
答案 B
变式训练2 (2015·9浙江高考)如图所示是一款宠物自动喂水机，宠物靠近时，阀门自动打开，离开后自动关闭。该控制系统的控制方式和宜采用的传感器是( )
A.开环控制、红外传感器
B.闭环控制、压敏传感器
C.开环控制、湿敏传感器
D.闭环控制、声敏传感器
解析 该系统无反馈是开环控制； 宠物靠近传感器接收到宠物发出的热辐射信号阀门自动打开，能接收热辐射的是红外传感器。答案选A。
答案 A
变式训练3 如图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。若将电吹风看作被控对象，则执行器是 ( )
A.传感器 B.控制器
C.继电器 D.插头
解析 继电器接收控制器的指令并直接对被控对象进行控制，继电器是执行器。故答案选C。
答案 C
如图为纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理是：控制器将传感器检测到的配浆浓度与设定值相比较，根据偏差值控制电动调节阀调节清水流量，从而使配浆浓度达到设定值。请回答4～5题。
变式训练4 该控制系统的传感器应该选用( )
A.浓度传感器 B.流量传感器
C.压力传感器 D.温度传感器
解析 为了检测配浆浓度，应选择浓度传感器。故答案是A。
答案 A
变式训练5 该控制系统的输入量及输出量分别是( )
A.清水流量；配浆流量
B.原浆浓度；配浆浓度
C.纸浆浓度的设定值；实际配浆浓度
D.取样检测浓度；配浆浓度设定值
解析 纸浆浓度控制系统通过反馈，使输出量(实际配浆浓度)稳定在设定量(设定纸浆浓度)附近。该系统输入量是设定的纸浆浓度，输出量是实际的纸浆浓度。故答案是C。
答案 C
1.要设计水箱水位的闭环控制系统，下列器材中，适合用作检测装置的是( )
答案 D
2.如图是李明同学设计的红外感应式干手器原理示意图，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。该控制系统的控制方式和被控对象分别是( )
A.开环，传感器 B.开环，控制器
C.闭环，继电器 D.开环，电吹风
解析 此系统无反馈是开环控制系统，电吹风是系统控制的装置。故答案选D。
答案 D
3.如图是地铁进站闸机，乘客将车票或公交卡放入读卡感应区，读卡器将卡片信息发送给服务器进行验证，验证合格后，控制开闸机构开启闸门。关于闸门的开启控制，下列说法正确的是( )
A.该控制是闭环控制
B.被控对象是乘客
C.输出量是闸门的开启
D.控制器是开闸机构
解析 地铁进站闸机无反馈是一个开环控制系统，闸机的输出量是闸门的开启和关闭。故答案是C。
答案 C
4.如下图甲所示是一款空气净化器，其内部结构示意图如乙所示。空气净化器通过预过滤网、多重防护过滤网、活性炭过滤网、高性能复合抗菌涂层过滤网4种过滤部件去除空气中的污染物，输出洁净空气。净化器中安装了空气质量提示控制系统，它实时监测室内空气质量，当亮起蓝色指示灯表明室内的空气质量洁净；另外，健康空气智能锁会提醒用户及时更换滤网：当其中一个滤网已基本盛满灰尘，必须予以清洁或更换时，相应的滤网更换指示灯就会开始闪烁。如果用户不更换该过滤网，空气净化器将停止工作，相关滤网的滤网更换指示灯会持续亮起。请回答下列问题：
(1)空气质量提示控制系统的控制手段与方式是________、________控制(在①开环；②闭环；③人工；④自动中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)图乙中，预过滤网应安装在________处(在图中的①；②；③；④中选择一个序号填入“________”处)。若要提高室内空气湿度，增加加湿功能，则其应安装在________处较合理(在①入风口；②出风口中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)空气净化器使用一段时间后过滤网会变脏影响净化效果，从系统的特性分析，这体现了系统的________(在①整体性；②环境适应性；③动态性中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 空气质量提示控制系统无需人参与是自动控制，输出量是蓝色指示灯的亮和熄灭无反馈，控制方式是开环，答案是①④； 预过滤网是过滤较大颗粒的(发丝、虫等)所以放在最前面故选①，加湿装置应与洁净空气混合才能产生湿润的洁净空气故选②；系统的性能随时间发生变化是系统的动态性故答案选③。
答案 (1)① ④ (2)① ② (3)③
5.如图是液体原料定量控制系统。其工作过程是：流量计检测到流出的液体原料流量值，把信号反馈给控制器，与设定的流量值进行比较，达到设定的流量值时，控制器控制桶泵关闭。请回答下列问题。
(1)控制系统的检测装置与输出量分别是________、________(在“________”处填写相应的内容)。
(2)控制系统的流量计损坏，不可能造成________(在①桶泵运行不止；②计量不准确；③软管损坏中选择一项，将序号填写在“________”处)。
(3)在桶泵停止运行后，由于软管中的原料具有惯性会继续流动，导致误差。为了提高计量精度，以下对该系统进行优化的措施中合适的是________(在①减小软管的直径；②提高流量计的计量精度；③在软管出口端加电磁阀与桶泵同步控制中选择一项，将序号填写在“________”处)。
解析 (1)该控制系统能使流量稳定在设定值，所以是一个闭环控制系统，被控量是实际的流量值，检测装置是检测流量的装置，即流量计。(2)流量计损坏，检测的输出量不准确，与设定量的比较也不准，将导致控制器做出错误的指令，如认为流量没有到设定值，可能使桶泵运行不止，而与软管损坏没有关系。(3)在软管出口端加电磁阀与桶泵同步控制，使实际流量达到设定值时马上关闭，提高计量精度。
答案 (1)流量计 实际流量值(流量值) (2)③ (3)③
6.如图所示为汽车后倒车雷达。后倒车雷达探头装在后保险杠上，以大约45度角辐射，上下左右搜寻目标。挡位杆挂入倒挡时，倒车雷达自动开始工作，当探头侦测到后方物体时蜂鸣器发出警示，当车辆继续倒车时，警报声音的频率会逐渐加快，最后变为长鸣音。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该系统中的传感器可选用________(在①红外传感器；②位移传感器；③超声波传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统的被控对象是________(在①汽车；②蜂鸣器；③驾驶员中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高该系统的提示效果，有效的优化措施是________和________(在①提高传感器的灵敏度；②增加传感器数量，以防留有测量死角；③降低距离设定值；④提高蜂鸣器报警音量中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 该控制系统无反馈是开环控制，无需人参与是自动控制故答案选②③，因为是倒车雷达应具有发射信号和接收信号的本领，所以传感器是超声波传感器，故答案选③；输出量是蜂鸣器的报警声则被控对象是蜂鸣器(输出量存在于被控对象中)答案选②；优化措施是为了提高系统的探测性能故答案选①②。
答案 (1)② ③ (2)③ (3)② (4)① ②
某厂设计了一款智能煤气泄漏报警灯，它的工作原理是：当探测器检测到厨房的煤气浓度超过设定值时，外置主控制器控制电磁继电器导通，使报警灯报警；报警的同时，该装置还能够自动向事先设定的手机号码发送信息，提醒使用者注意。根据描述，完成第1～2题。
1.下列选项中，对智能煤气泄漏报警灯控制系统描述正确的是( )
A.控制量是电磁继电器的通、断
B.被控对象是手机
C.探测器主要起反馈作用
D.输入量是预事先设定的手机号码
解析 该题是开环控制系统，继电器是执行器，它的输出量是触点的通、断即控制量。故答案选A。
答案 A
2.无人状态下为了防止煤气泄漏，对该控制系统进行优化，其中最合理的优化措施为( )
煤气浓度信号→→→→煤气的通断
A.当煤气浓度超过设定值时，主控制器控制电磁阀吸合，将煤气切断
煤气浓度信号→→→
→排风扇排风
B.当煤气浓度超过设定值时，主控制器控制电磁继电器吸合，开启排风扇
C.增加一个煤气检测控制系统，将厨房内的煤气浓度控制在设定浓度
人体红外线→→→
→煤气通断
D.增加一个人体红外线感应子系统，有人时可以使用煤气，无人时不通煤气
解析 D选项的缺点是人离开一会儿煤气就被切断；C选项当煤气浓度超过设定值时系统通过反馈使煤气浓度控制在设定值。故答案选C。
答案 C
3.如图是某池塘养殖控制系统示意图，由饲料投放控制和溶解氧控制两部分组成。饲料投放控制系统可以定时定量给鱼喂食。溶解氧控制系统能控制池塘的溶解氧量，当探头检测到溶解氧量低于设定值的下限时，控制器发出声光报警，并启动增氧机；当溶解氧量达到设定值的上限时，控制器关闭增氧机，使溶解氧量保持在设定范围内。
(1)溶解氧控制系统的控制方式属于________控制系统。(在“________”处填写“开环”或“闭环”)
(2)探头(传感器)应选用________。(在下列选项中选择一项，将序号填写在“________处)
①温度传感器；②压力传感器；③水位传感器；④溶解氧传感器。
(3)所采用的零部件表面作防腐蚀处理，不易氧化。这反映了系统的________性。(在下列选项中选择一项，将序号填写在“________”处)
①相关性；②整体性；③环境适应性。
(4)该系统的两个子系统分别是________、________。(在下列选项中选择两项，将序号填写在“________”处)
①池塘养殖控制系统；②溶解氧控制系统；③声光报警系统；④饲料投放控制系统。
(5)该系统中报警的工作流程如下，请补全流程图中的内容。(在下列选项中选择两项，将序号填写在相应的“________”处)
①溶解氧量是否低于设定值的下限；②溶解氧量是否高于设定值的下限；③报警；④投放饲料。
解析 (1)该系统有反馈是闭环；(2)探头是检测溶解氧量的，应选溶解氧传感器；(3)零部件表面作防腐蚀处理，不易氧化能在水中发挥系统原有功能是环境适应性；(4)该系统的二个子系统是溶解氧控制系统、饲料投放控制系统声光报警属于溶解氧控制系统。(5)通过对流程图的分析(A)选①(B)选③才符合题意。
答案 (1)闭环 (2)④ (3)③ (4)② ④
(5)(A)① (B)③
4.有一种恒温温泉池，池内水温保持在26～28 ℃。当温度低于设定值的下限(26℃)时，控制器发出信号，热泵以制冷剂为热媒，在空气中吸收热能(在蒸发器中间接换热)，经压缩机将低温位的热能提升为高温位热能，加热池水(在冷凝器中间接换热)，当温度高于设定值的上限(28 ℃)时，停止加热。从而池内水温保持在26～28 ℃。请根据描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制方式和控制手段分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该系统的被控对象是________(在①热泵；②池水；③压缩机中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中的传感器应选用________(在①流量传感器；②湿度传感器；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高该系统的冬季升温效果，有效的优化措施是________和________(在①减小蒸发器热交换面积；②增大冷凝器热交换面积；③降低温度设定值；④加大空气通过蒸发器的流量；⑤提高传感器的灵敏度中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 该系统能使被控量稳定在26～28 ℃，这说明系统有反馈所以控制方式是闭环，控制过程无需人参与是自动控制；系统控制的对象是池水，则被控对象是池水；系统控制的量是池水水温，检测装置是检测输出量的必须选用温度传感器；增大冷凝器热交换面积为池水提供更多热量，加大空气通过蒸发器的流量可从空气中吸收更多热量。
答案 (1)④ ② (2)② (3)③ (4)② ④
5.很多商场的地下停车场都建立了如图所示的停车诱导控制系统，该系统通过数据采集系统检测进出车辆，采集停车场车位变化数据，并将数据传送到控制处理服务器进行处理，生成空余泊位数据，并在显示牌上显示数据。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制 ②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
(2)该控制系统的控制器是________，输出量是________。
(3)系统在设计时，需要根据商场车流量、停车场的面积、设备的成本、运营利润等建立数学模型进行研究，这体现了系统分析的________原则(在①整体性；②科学性；③综合性；④动态性中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
(4)为了增加地下停车场的容纳量，商场将引入立体停车系统，这属于系统优化的________(在①影响因素；②约束条件；③干扰因素中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 停车诱导控制系统控制过程无人参与是自动控制，无反馈方式是开环；(2)控制处理服务器接收车位变化数据并能分析、处理是系统的控制器，系统控制的量是显示空余泊位的数据则输出量是显示空余泊位数据；(4)增加地下停车场的容纳量，商场将引入立体停车系统是人为调节，并对优化目标的实现起影响作用是影响因素。
答案 (1)② ③ (2)控制处理服务器 显示空余泊位数据 (3)② (4)①
6.如图所示的扫地机器人，由单片机、传感器、驱动电机、驱动轮、万向轮、吸尘器等部件构成，它具有自动绕开障碍物的控制功能。其工作过程是：机器人测距系统通过传感器检测行进方向有无障碍物，如果在一定距离中存在障碍物，单片机控制左右驱动电机速度差来实现转向绕行。请回答下列各题，填写“________”处的相应内容。
(1)该扫地机器人转向控制系统的控制手段和控制方式分别是________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择一项，填写序号)。
(2)该转向控制系统的执行器是________(在①吸尘器；②万向轮；③驱动电机中选择一项，填写序号)。
(3)扫地机器人测距系统中的传感器一般是________(在①超声波传感器；②红外线传感器；③压力传感器中选择一项，填写序号)。
(4)若扫地机器人突然无法转向，以下不可能造成的原因是________和________(在①驱动电机故障；②家用电器发出的电磁辐射；③万向轮转动受阻；④集尘室垃圾太多中选择一项，填写序号)。
解析 (1)该扫地机器人转向控制系统无人参与是自动控制；转向控制系统无反馈是开环控制；(2)驱动电机接收单片机指令直接对万向轮进行控制是执行器；(3)超声波传感器通过发射和接收超声波可测定与被测物之间的距离。(4))②、④选项是能够转向的，只是转向可能受到干扰。
答案 (1)② ③ (2)③ (3)① (4)② ④
7.如图所示是室内湿度控制系统示意图。
控制器接收到传感器检测的室内湿度，当达到设定值的上限时，启动风扇，将潮湿空气吸入主机内，由内部的冷凝器凝成水珠，经排水管排出。当传感器检测到室内的湿度达到设定值的下限时，关闭风扇及冷凝器的电源。请完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”)；
(2)该系统的被控对象是________(在①风扇；②冷凝器；③办公室④主机中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统的传感器应选用________(在①温度传感器；②湿度传感器；③压力传感器；④流量传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高该系统的除湿效果，有效的优化措施是________和________(在①加大风扇的转速；②提高传感器的灵敏度；③降低湿度的设定值；④加大冷凝器的功率中选择合适的选项， 序号填写在“________”处)。
解析 (1)控制过程无人参与是自动控制，控制系统有反馈是闭环控制；(2)系统控制的装置是办公室或空气故被控对象是办公室；(3)检测的被控量是湿度应选湿度传感器；(4)加大风扇的转速，加大冷凝器的功率可将更多的潮湿空气吸入主机内，由内部的冷凝器凝成水珠，经排水管排出。
答案 (1)② ④ (2)③ (3)② (4)① ④
8.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。
请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该系统的被控对象是________(在①重锤；②连杆和圆锥气孔塞子；③锅炉中的气体选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中跟设定气压值相关的装置是________(在①重锤；②连杆；③圆锥；④气孔直径和形状中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)要提高该系统的锅炉设定的压力，有效的方法是________和________(在①减轻重锤的重量；②增大重锤的重量；③挂重锤的位置向右移；④挂重锤的位置向左移；选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 (1)该系统控制过程无需人参与是自动控制，被控量锅内气压能稳定在一定范围是闭环控制；(2)系统控制的对象是锅内气体；(3)在重锤重量不变的情况下，改变悬挂在连杆上的位置可改变设定气压；(4)增大重锤的重量；③挂重锤的位置向右移根据杠杆原理可提高锅炉设定压力。
答案 (1)② ④ (2)③ (3)② (4)② ③
9.在日本一些餐厅门口设置了自动轮转的等候椅，当椅子检测到前面的椅子上没人时，就会自动前向挪动，空着的椅子会重新来到队尾开始新一轮的等待。 请完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)该系统的被控对象是________(在①等候人员；②等候椅；③餐厅中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统中的传感器应选用________(在①压敏电阻；②光敏电阻；③热敏电阻；④压敏传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为提高该轮转控制系统的可靠性，以下因素中，属于系统优化的影响因素是________(在①传感器的灵敏度； ②环境温度、湿度和光线的变化； ③系统的制造和使用成本中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(5)设计该轮转系统时，既要考虑感应距离，又要考虑信息交互的安全性，还要兼顾生产的成本等因素，体现了系统分析的________(在①整体性原则；②科学性原则；③综合性原则中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 (1)系统控制过程无人参与是自动控制，系统无反馈是开环；(2)等候椅是系统控制的装置是被控对象；(3)人是否坐压力不同所以应采用压敏传感器；(4)环境温度、湿度和光线的变化是约束条件，系统的制造和使用成本与该系统的控制无关，提高传感器的灵敏度可使系统运转正常；(5)有多个目标需实现，应统筹兼顾是应用系统分析的综合性原则。
答案 (1)② ③ (2)② (3)④ (4)①
(5)③
10.如图所示是公共厕所中小便池自动冲水系统示意图。其工作过程是：当人走到小便池前的红外感应范围内，红外感应器感应到人体的热辐射信号，控制电路即发出指令，让电磁阀打开，出水管就会冲出1.2～3 L的水到小便池。
(1)根据以上描述，可知该自动冲水系统是________控制系统(在以下选项中选一个：①自动、闭环；②自动、开环；③人工、闭环；④人工、开环)。
(2)完成下面控制系统方框图，如果认为是开环控制系统，请忽略虚线框内部分。
①________，②________，③________。
(3)在实际使用场合中，偶尔会发生有人从小便池前经过，即引发冲水________(选“属于”或“不属于”)控制系统的干扰因素。
(4)小便池的下水管采用塑料软管并弯曲成S形，弯曲处会截留一些水，可以阻止臭气回流。小便池长期不用时，下水管弯曲处的存水会干涸，导致臭气回窜，解决此问题的最好方法是________。
①增加出水管每次的冲水量；②将下水管改成直管；③给小便池控制系统新增一个定时器，每隔48小时自动冲水一次；④出水管始终保持流较小的水流。
解析 (1)系统控制过程无人参与是自动控制，系统无反馈是开环；(2)人体的热辐射信号是系统的给定量是输入量，电磁阀接收指令而打开是执行器，出水管是系统控制的装置是被控对象；(3) 有人从小便池前经过，即引发冲水这是有人体的热辐射信号是输入量所以不属于干扰；(4)采用③是最好的方法这样既节水又能阻止臭气回流。
答案 (1)②自动、开环 (2)①人体的热辐射信号 ②电磁阀 ③出水管 (3)不属于 (4)③
11.如图所示是某单位车牌识别系统，摄像机采集驶入车辆的车牌信息传输给计算机，计算机将车牌信息与登记的信息进行比较，若判断为本单位车辆，启动道闸电机，栏杆竖起放行。请根据示意图和描述，完成以下任务：
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①手动控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填 写在“________”处)；
(2)该系统的被控对象是________(在①驶入车辆；②摄像机；③道闸电机；④栏杆中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)该系统识别车牌的检测装置应为________(在①红外探头；②摄像头；③位移传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)为了提高该系统的识别效率，以下优化措施中有效的是________和________(在①在其它角度增加一台摄像机；②改进计算机识别车牌信息的算法；③增加系统管理员的人数；④加大栏杆道闸电机的功率中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
解析 无人参与，无反馈是自动、开环控制；系统控制的对象是栏杆所以被控对象是栏杆；摄像机采集驶入车辆的车牌信息传输给计算机并进行识别，所以检测装置是摄像头；增加一台摄像机，改进计算机识别车牌信息的算法可提高识别率。
答案 (1)② ③ (2)③ (3)② (4)① ②
12.如图所示为电动平衡车，它的自动平衡控制系统的工作原理是利用车体内部的陀螺仪，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，使得车体姿态保持原来的状态。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。此外，平衡车还具有自动断电控制系统，当人摔倒或者不在平衡车上时，平衡车自动断电。
(1)电动平衡车的的自动平衡控制系统属于________，电动平衡车的自动断电系统属于________(在①开环控制；②闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
(2)电动平衡车的的自动平衡控制系统的控制器是________，执行器是________。
(3)电动平衡车的自动断电功能，要选择一个合适的传感器，下列传感器可选用________(在①加速度传感器；②重力传感器；③红外线传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
(4)电动独轮车在遇到凹凸不平的路面也能通过，体现了系统的________性。
解析 (1)电动平衡车的自动平衡控制系统控制的结果是使得车体姿态保持原来的状态。所以输入应该是设定了一个车体姿态，输出是实际的车体姿态，当实际车体姿态与设定车体姿态不同时要不停调节直到相同，所以是一个闭环控制系统，而电动平衡车的自动断电系统的输入是当人摔倒或者不在平衡车上时，输出是断电，输出对输入没有影响，是单向的，应该是开环控制系统。
(2)控制器是伺服控制系统，执行器是电机。
(3)因为是检测人摔倒或者不在平衡车上，所以应该是重力传感器。
(4)在凹凸不平的路面也能行使，应该是环境适应性。
答案 (1)② ① (2)伺服控制系统 电机 (3)② (4)环境适应性
13.如图所示为小倪父亲为自家宠物狗购买的自动喂食器和饮水器，小倪发现控制功能比较简单，当家里多天没人时不能满足要求；小倪提出如下设计改进：1.增大储水箱并外接水龙头，控制储水箱中的水位保持在一定范围内；2.为了控制宠物狗的食量和保持食物新鲜，只有当宠物狗靠近喂食器并且超过了与上次的喂食计时间隔，喂食开关才打开，流出设定的食物量；根据小倪提出的设计构思，完成以下分析任务：
(1)控制储水箱中水位的控制方式属于________；控制喂食开关打开的控制方式属于________(在①闭环控制；②开环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(2)上述喂食控制系统中的被控对象是________，喂食开关打开(输出量)跟宠物狗靠近喂食器、超过了与上次的喂食计时间隔这两个条件的逻辑关系是________(在①宠物狗；②储食物箱；③喂食开关；④与；⑤或；中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(3)上述储水箱水位控制系统中的输出量是________，该控制系统宜采用的传感器是________(在①储水箱流出水量；②储水箱水位；③压敏传感器；④湿敏传感器；⑤红外传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。
答案 (1)① ② (2)③ ④ (3)② ③
14.函数记录仪是一种通用记录仪，它可以在直角坐标上描绘电量对时间的函数关系。函数记录仪通常由变换器、测量元件、放大元件、伺服电动机、测速电机、齿轮系及绳轮等组成。系统的任务是让记录笔的在记录纸上描绘出待记录的电压ur曲线。测量元件是由电位器RQ和RM组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电位器RM 的滑臂上，因此，测量电路的输出电压up与记录笔位移成正比。当有变化的输入电压ur时，在放大元件输入口得到偏差电压Δu＝ ur－up，经放大后驱动伺服电动机，并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移动，同时使偏差电压减小。当偏差电压Δu＝0时，电动机停止转动，记录笔也静止不动。此时up＝ur，表明记录笔位移与输入电压相对应。同时，记录仪还带有走纸机构，用以描绘一个电量对时间的函数关系。如果输入电压随时间连续变化，记录笔便描绘出随时间连续变化的曲线。
(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(A.手动控制；B.自动控制；C.开环控制；D.闭环控制)。
(2)该系统的被控对象是________(A.伺服电机；B.记录笔；C.齿轮系及绳轮；D.测速电机)。
(3)该控制系统的控制量是________(A.记录笔的位移；B.伺服电机的转动；C. 待记录的电压ur；D.电位器电压up)。
(4)在设计函数记录仪时，要充分考虑变换器、测量元件、放大元件、伺服电动机、测速电机、齿轮系及绳轮等方面的性能指标，力求使用中每个部件都能达到理想状态。这体现了系统分析的________原则(A.综合性；B.科学性； C.整体性)。
答案 (1)B D(两空不能对换) (2)B (3)B (4)A
课件17张PPT。第四节 控制系统的设计与实施控制系统方案的设计
1.设计控制系统
明确控制要达到的目的；分析控制对象以及对象的主要特征；被控量和控制量；按
要求选择控制系统的方式；控制系统的调试、运行和评价；系统的成本分析。2.开环控制系统的设计
明确设计要求，明确被控对象、输出量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。
3.闭环控制系统的设计
闭环控制系统要正常工作必须是稳定的；控制精度必须符合要求，系统的输出量与
给定值之差应控制在允许的范围之内；要有较好的抗干扰性能。 一、 控制系统的设计与实施
开闭环控制系统设计的要求及优化。【典例1】 如图所示为一款遥控编码探雷器，主要由遥控发送器及接收器组成，采用类似WIFI技术，通过编码自动识别遥控信号。探雷器在遥控器按键的操控下，能在布雷区域内前、后、左、右运动。探雷器底部装有感应器，可以感应下方埋藏的用磁铁模拟的“地雷”，当探雷器行驶到“地雷”上方时，探雷器上的红色LED灯亮，提示此处埋有“地雷”。请根据描述和示意图，完成以下任务：(1)该系统的控制手段和控制方式分别属于________和________(在①人工控制；②自动控制；③开环控制；④闭环控制中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
?(2)该控制系统的被控对象是________(在①地雷；②遥控发送器；③探雷器；④红色LED灯中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；(3)该系统中的传感器应选用________(在①红外传感器；②干簧管；③温度传感器中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)；
(4)人在探雷的过程中操控探雷器找不到埋藏的“地雷”，较可能的原因是________和________(在①编码地址出问题；②感应器出问题；③电池电力不足；④红色LED灯正负极接反了中选择合适的选项，将序号填写在“________”处)。解析 探雷过程是在人操纵下进行的故是人工控制。控制过程无反馈是开环控制。系统控制的对象是LED灯，红色LED灯是被控对象。地雷是磁性的要使得探雷器上的红色LED灯亮传感器必须用干簧管。由题意可知探雷器能移动，只能是感应器出问题或红色LED灯正负极接反了。
答案 (1)① ③ (2)④ (3)② (4)② ④
[方法总结] 系统方案的设计题型较多，要求全面的掌握控制开闭环系统与设计这方面的知识，还需正确选择满足功能等要求的器件或装置，并能进行调试和分析故障的原因。变式训练1 小通设计了如图所示的一款小音箱，带有音乐播放控制系统。如果把手伸进它的口中，就会播放几首歌曲，然后自行停止。在选用该控制系统的传感器时，以下最合适的是( )A.声音传感器 B.红外传感器
C.温度传感器 D.气敏传感器
解析 当手靠近传感器接收到手的热辐射信号所以最合适的是红外传感器。故答案是B。
答案 B变式训练2 (2015·9浙江高考)如图所示是一款宠物自动喂水机，宠物靠近时，阀门自动打开，离开后自动关闭。该控制系统的控制方式和宜采用的传感器是( )A.开环控制、红外传感器
B.闭环控制、压敏传感器
C.开环控制、湿敏传感器
D.闭环控制、声敏传感器
解析 该系统无反馈是开环控制； 宠物靠近传感器接收到宠物发出的热辐射信号阀门自动打开，能接收热辐射的是红外传感器。答案选A。
答案 A变式训练3 如图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。若将电吹风看作被控对象，则执行器是 ( )A.传感器 B.控制器
C.继电器 D.插头
解析 继电器接收控制器的指令并直接对被控对象进行控制，继电器是执行器。故答案选C。
答案 C 如图为纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理是：控制器将传感器检测到的配浆浓度与设定值相比较，根据偏差值控制电动调节阀调节清水流量，从而使配浆浓度达到设定值。请回答4～5题。 变式训练4 该控制系统的传感器应该选用( )A.浓度传感器 B.流量传感器
C.压力传感器 D.温度传感器
解析 为了检测配浆浓度，应选择浓度传感器。故答案是A。
答案 A变式训练5 该控制系统的输入量及输出量分别是( )A.清水流量；配浆流量
B.原浆浓度；配浆浓度
C.纸浆浓度的设定值；实际配浆浓度
D.取样检测浓度；配浆浓度设定值
解析 纸浆浓度控制系统通过反馈，使输出量(实际配浆浓度)稳定在设定量(设定纸浆浓度)附近。该系统输入量是设定的纸浆浓度，输出量是实际的纸浆浓度。故答案是C。
答案 C
