控制系统的高考专题复习 一
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控制系统的高考专题复习 一
郎建华
类别说明
1类:知道知识的内容和含义,并能在有关问题中识别和直接使用他们
2类对所列知识要理解其确切含义及其中的技术思想方法,能够进行叙述和解释,并在解决技术设计的实际问题中运用
高考内容及要求
控制与设计 控制的含义 I
控制的应用 I
控制手段 I
开环控制系统的基本组成和工作过程 II
闭环控制系统的基本组成和工作过程 II
控制系统的方框图 II
控制系统的干扰因素 II
控制系统设计方案 II
控制系统的实现与调试 II
内容及习题复习
1、控制（control）的含义
人们按照一定的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。
(射手射箭；电冰箱保温，生产计算机控制）
（1）说明：控制的对象是什么
要达到什么目的
采取什么手段
（音响 燃气热水器温度控制 喷雾器撒农药）
（2）分类：人工控制和自动控制
2、控制的应用（99）
生活中（提高生活质量，满足人们的要求）（银行取款机 自动水龙头）
生产中(温度、湿度、压力、速度）（自动装配，农田节水）
国防中
3、控制的手段和方法（98）
控制的实现需要一定的手段。从控制过程中人的作用分人工控制与自动控制；按照执行部件的不同有机械控制、气动控制、液压控制和电子控制等。很多情况下手段是综合的
问题
一
(1)、自动控制技术在各行各业的应用，一方面减轻了人的劳动强度，解放了劳动生产力，另一方面也可能造成失业人数增加。对此，你有什么看法？
这两个问题并不矛盾。从经济学角度，发展技术密集型的产业，解放劳动生产力，减轻人的劳动强度，是社会发展的趋势，而富裕的劳动力可以通过第三产业得以解决。
(2)、在生产生活中，有那些控制分别是利用机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等手段实现的？
机械控制：普通水龙头、电饭煲
电子控制：电子计算器、家用电冰箱、自动门和汽车变速器的电子控制装置
气动控制：化工生产中常用的气动阀门、公共汽车车门开关控制
液压控制：建筑工地打桩机、修理汽车用的液压千斤顶
(3)、洗衣机的演变
普通洗衣机（自动正反交替地运动，到达定时后自动停转）
半自动洗衣机（洗涤、漂洗、脱水中的三大步骤中的两步合并在同一缸，通过顺序控制实现步骤转换，由人把物由一个缸里取出放到另一个缸中）
全自动洗衣机（不需要人工干预，三大步骤全都由控制系统实现）
(4)、电热水器及其玻璃管
(5)、农用灌溉系统
第二节
控制系统都由若干环节组成，控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
4、开环控制系统的基本组成和工作过程
5、闭环控制系统的基本组成和工作过程
6、控制系统的方框图
4、开环控制系统（104 c)
游泳池注水控制
控制系统的输出量，不对系统的控制产生任何的影响，这种控制系统的称为开环控制系统。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
对于开环控制系统，通常可以用以下的方框图表示：
开环控制系统例子：十字路口的红绿灯、楼宇的报警
系统、火灾自动报警系统、电风扇、电灯控制等
问题
1、自动门的控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
红外装置是否发出的信号检测到人体辐射
控制电路
电机
转动
自动门
门的开启和关闭
方便人们的出入，医院手术室、银行或宾馆，当人走进大门时自动打开。
原理是：当人走进门时，门上的红外装置检测到人体热辐射发促的红外信息，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（或控制气动装置,使门向两边打开）。当门开启后，控制电路将作出判断，如果没有人在四周，就通知电机做反向运转，使门关闭。
2、楼道里使用的自动声控灯
可以节约能源，还可以减少开关的磨损，极大的方便过客
3、自动烘手机
红外线感知手的靠近过程，没人的时候，鼓风机和加热电炉丝都自动切断电源；当手的温度在红外传感器监视的范围内，烘手机就气动。
4、水泵抽水控制系统
农名种庄稼，“靠天吃饭”天气干旱，收获困难。水泵就是解决这个问题。当需要灌溉农田时，只要接通电源，电机就带动水泵工作，将水从水源处抽到干旱的农田里。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
接通电源
电机
水泵
水流量
水管
水管排水
5、公共汽车车门的开关控制：
公共汽车车门的开关控制是气动控制，司机操作开关的装置，,电流控制“电磁阀”的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，最后由压缩空气推动活塞开门或关门。
6、家用压力锅的压力控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
排气孔
重锤
7、根据消防要求，仓库、图书馆都需要安装火灾自动报警系统。如有火灾发生，感应探测器检测到发生火灾室内浓烈的烟雾，从而报警。画出火灾自动报警控制系统的工作过程方框图。指出方框图的各个环节的具体内容和输入量、输出量、控制量
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
烟雾信号
感烟探测器（感温）探测器
部件：警铃、讯响器、报警灯
报警控制电路（器）
知识补充
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。 电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
5、闭环控制系统
游泳池注水控制
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。
对于闭环控制系统，通常可以用以下的方框图表示(c106)
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
比较器
+
-
说明：闭环控制系统的检测环节是把系统的输出信号传到系统的输入端，与给定值进行比较。输出信号往往是各种物理量：电压，流量，速度，这些值往往与系统的给定值不同，取值的范围也不同，所以不能与输入信号直接比较，需要测量并转化，检测环节正是起这个作用。相当与眼睛和皮肤，感知输出信号的变化。
问题及案例
1、104普通家用电饭煲的煮饭控制。（会考导引48页例4）
2、107练习2
3、107页练习3
4．案例分析题 下面两图分别是瓦特蒸汽机的工作原理图和蒸汽供给控制原理图。如右下图所示，套筒与阀门连在一起，当蒸汽机的转速较高时，飞球离心力增大，套筒向上移动，阀门通孔截面积减少，蒸汽流速降低，蒸汽机汽缸内压力减少使其转速下降。(8分)
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 （选填开环或闭环）控制系统。
(2) 请补充完整蒸汽机转速自动控制系统方框图。
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 闭环 （选填开环或闭环）控制系统。
5、供水水箱的水位自动控制系统112
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
6、加热炉的温度自动控制系统
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
第三节
1、控制系统的干扰因素
2、控制系统设计方案
3、控制系统的实现与调试
（1）、控制系统的干扰因素
干扰因素（108 ）
含义：除输入量以外引起被控量变化的各种因素，（环境、人为、可以克服也可以利用）
找出干扰的方法：引起输出量变化的原因
说明：控制系统的干扰因素是导致系统不稳定的因素，控制系统的稳定性能与控制系统
自动扶梯的升降控制，蔬菜大棚的温度控制
（2）反馈
将输出量通过适当的检测装置返回到输入量并与输入量进行比较的过程。
反馈方法：利用反馈来分析和处理控制对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法。
闭环控制系统的核心:通过反馈来减少被控量的偏差。
反馈在系统的作用与特点的不同，可以将其分为正反馈和负反馈。
负反馈：通过输入、输出之间的差值作用于控制系统，控制器使这个差值不断缩小。这种系统控制精度 高，系统稳定。
正反馈：对小的变化进行放大。入核反应
（3）、闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制 闭环控制
能否调节和补偿
控制精度
结构
适用场合
方框图
否
能
差
好
简单
复杂
稳定场合
相对不稳定
无回路，无反馈
有回路，有反馈
（4）控制论的主要方法
功能模拟法和黑箱方法.
功能模拟法:应用能实现人脑的模拟
电脑 单片机 飞机
黑箱方法:分析系统内部的结构和功能
大脑的研究，卢瑟福粒子散射试验、心电图检查、计算机的基本性能检查
问题
117练习（1-3）
帆船运动：”凭风借力
好行船“
2、控制系统设计方案
控制系统的设计118
1、控制系统的设计主要应明确要达到的目的、控制的对象、被控量和控制量、干扰因素的克服、设计方案应能达到目的，易于实现。
2、设计的基本要求：稳定性、精度和抗干扰性能符合设计要求。
3、设计步骤：
设计要求－－设计分析－－控制过程分析－－方案构思－－方案实施
控制系统的设计
明确控制的目标
确定被控量、控制量
分析主要的干扰因素
分析被控对象的重要特性
控制系统的方案选择
控制系统的调试、运行和评价
系统的成本分析
实施控制系统所需的设备、元件等
……
确定被控量、控制量是关键
对于简单系统，控制量常被确定为被控量
问题
1、抽水马桶水箱自动控制系统的设计
设计要求是什么？
是开环还是闭环控制？
被控对象、被控量、控制量是什么？
主要的干扰因素是什么？
请用方框图画出水箱的控制过程。
如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，谈谈你的构思。
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
抽水马桶水箱自动控制系统的设计
2、控制系统的设计报告
设计描述 （因为什么要进行方案设计）
设计要求 （控制动作、控制精度、成本、外观、结构等要求）
设计分析 （控制方式、控制方框图、各个控制环节）
设计准备 (实现控制需要的工具、设备、材料）
方案设计（多个方案）(草图、原理图、三视图、组装图等）
方案筛选
方案实现
3、设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。
4、124练习1 练习2
控制系统的高考专题复习 一
郎建华
类别说明
1类:知道知识的内容和含义,并能在有关问题中识别和直接使用他们
2类对所列知识要理解其确切含义及其中的技术思想方法,能够进行叙述和解释,并在解决技术设计的实际问题中运用
高考内容及要求
控制与设计 控制的含义 I
控制的应用 I
控制手段 I
开环控制系统的基本组成和工作过程 II
闭环控制系统的基本组成和工作过程 II
控制系统的方框图 II
控制系统的干扰因素 II
控制系统设计方案 II
控制系统的实现与调试 II
内容及习题复习
1、控制（control）的含义
人们按照一定的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。
(射手射箭；电冰箱保温，生产计算机控制）
（1）说明：控制的对象是什么
要达到什么目的
采取什么手段
（音响 燃气热水器温度控制 喷雾器撒农药）
（2）分类：人工控制和自动控制
2、控制的应用（99）
生活中（提高生活质量，满足人们的要求）（银行取款机 自动水龙头）
生产中(温度、湿度、压力、速度）（自动装配，农田节水）
国防中
3、控制的手段和方法（98）
控制的实现需要一定的手段。从控制过程中人的作用分人工控制与自动控制；按照执行部件的不同有机械控制、气动控制、液压控制和电子控制等。很多情况下手段是综合的
问题
一
(1)、自动控制技术在各行各业的应用，一方面减轻了人的劳动强度，解放了劳动生产力，另一方面也可能造成失业人数增加。对此，你有什么看法？
这两个问题并不矛盾。从经济学角度，发展技术密集型的产业，解放劳动生产力，减轻人的劳动强度，是社会发展的趋势，而富裕的劳动力可以通过第三产业得以解决。
(2)、在生产生活中，有那些控制分别是利用机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等手段实现的？
机械控制：普通水龙头、电饭煲
电子控制：电子计算器、家用电冰箱、自动门和汽车变速器的电子控制装置
气动控制：化工生产中常用的气动阀门、公共汽车车门开关控制
液压控制：建筑工地打桩机、修理汽车用的液压千斤顶
(3)、洗衣机的演变
普通洗衣机（自动正反交替地运动，到达定时后自动停转）
半自动洗衣机（洗涤、漂洗、脱水中的三大步骤中的两步合并在同一缸，通过顺序控制实现步骤转换，由人把物由一个缸里取出放到另一个缸中）
全自动洗衣机（不需要人工干预，三大步骤全都由控制系统实现）
(4)、电热水器及其玻璃管
(5)、农用灌溉系统
第二节
控制系统都由若干环节组成，控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
4、开环控制系统的基本组成和工作过程
5、闭环控制系统的基本组成和工作过程
6、控制系统的方框图
4、开环控制系统（104 c)
游泳池注水控制
控制系统的输出量，不对系统的控制产生任何的影响，这种控制系统的称为开环控制系统。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
对于开环控制系统，通常可以用以下的方框图表示：
开环控制系统例子：十字路口的红绿灯、楼宇的报警
系统、火灾自动报警系统、电风扇、电灯控制等
问题
1、自动门的控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
红外装置是否发出的信号检测到人体辐射
控制电路
电机
转动
自动门
门的开启和关闭
方便人们的出入，医院手术室、银行或宾馆，当人走进大门时自动打开。
原理是：当人走进门时，门上的红外装置检测到人体热辐射发促的红外信息，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（或控制气动装置,使门向两边打开）。当门开启后，控制电路将作出判断，如果没有人在四周，就通知电机做反向运转，使门关闭。
2、楼道里使用的自动声控灯
可以节约能源，还可以减少开关的磨损，极大的方便过客
3、自动烘手机
红外线感知手的靠近过程，没人的时候，鼓风机和加热电炉丝都自动切断电源；当手的温度在红外传感器监视的范围内，烘手机就气动。
4、水泵抽水控制系统
农名种庄稼，“靠天吃饭”天气干旱，收获困难。水泵就是解决这个问题。当需要灌溉农田时，只要接通电源，电机就带动水泵工作，将水从水源处抽到干旱的农田里。
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
接通电源
电机
水泵
水流量
水管
水管排水
5、公共汽车车门的开关控制：
公共汽车车门的开关控制是气动控制，司机操作开关的装置，,电流控制“电磁阀”的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，最后由压缩空气推动活塞开门或关门。
6、家用压力锅的压力控制系统
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
排气孔
重锤
7、根据消防要求，仓库、图书馆都需要安装火灾自动报警系统。如有火灾发生，感应探测器检测到发生火灾室内浓烈的烟雾，从而报警。画出火灾自动报警控制系统的工作过程方框图。指出方框图的各个环节的具体内容和输入量、输出量、控制量
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
烟雾信号
感烟探测器（感温）探测器
部件：警铃、讯响器、报警灯
报警控制电路（器）
知识补充
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。 电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
5、闭环控制系统
游泳池注水控制
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。
对于闭环控制系统，通常可以用以下的方框图表示(c106)
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
比较器
+
-
说明：闭环控制系统的检测环节是把系统的输出信号传到系统的输入端，与给定值进行比较。输出信号往往是各种物理量：电压，流量，速度，这些值往往与系统的给定值不同，取值的范围也不同，所以不能与输入信号直接比较，需要测量并转化，检测环节正是起这个作用。相当与眼睛和皮肤，感知输出信号的变化。
问题及案例
1、104普通家用电饭煲的煮饭控制。（会考导引48页例4）
2、107练习2
3、107页练习3
4．案例分析题 下面两图分别是瓦特蒸汽机的工作原理图和蒸汽供给控制原理图。如右下图所示，套筒与阀门连在一起，当蒸汽机的转速较高时，飞球离心力增大，套筒向上移动，阀门通孔截面积减少，蒸汽流速降低，蒸汽机汽缸内压力减少使其转速下降。(8分)
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 （选填开环或闭环）控制系统。
(2) 请补充完整蒸汽机转速自动控制系统方框图。
(1) 蒸汽机的转速控制系统属于 闭环 （选填开环或闭环）控制系统。
5、供水水箱的水位自动控制系统112
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
6、加热炉的温度自动控制系统
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
第三节
1、控制系统的干扰因素
2、控制系统设计方案
3、控制系统的实现与调试
（1）、控制系统的干扰因素
干扰因素（108 ）
含义：除输入量以外引起被控量变化的各种因素，（环境、人为、可以克服也可以利用）
找出干扰的方法：引起输出量变化的原因
说明：控制系统的干扰因素是导致系统不稳定的因素，控制系统的稳定性能与控制系统
自动扶梯的升降控制，蔬菜大棚的温度控制
（2）反馈
将输出量通过适当的检测装置返回到输入量并与输入量进行比较的过程。
反馈方法：利用反馈来分析和处理控制对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法。
闭环控制系统的核心:通过反馈来减少被控量的偏差。
反馈在系统的作用与特点的不同，可以将其分为正反馈和负反馈。
负反馈：通过输入、输出之间的差值作用于控制系统，控制器使这个差值不断缩小。这种系统控制精度 高，系统稳定。
正反馈：对小的变化进行放大。入核反应
（3）、闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制 闭环控制
能否调节和补偿
控制精度
结构
适用场合
方框图
否
能
差
好
简单
复杂
稳定场合
相对不稳定
无回路，无反馈
有回路，有反馈
（4）控制论的主要方法
功能模拟法和黑箱方法.
功能模拟法:应用能实现人脑的模拟
电脑 单片机 飞机
黑箱方法:分析系统内部的结构和功能
大脑的研究，卢瑟福粒子散射试验、心电图检查、计算机的基本性能检查
问题
117练习（1-3）
帆船运动：”凭风借力
好行船“
2、控制系统设计方案
控制系统的设计118
1、控制系统的设计主要应明确要达到的目的、控制的对象、被控量和控制量、干扰因素的克服、设计方案应能达到目的，易于实现。
2、设计的基本要求：稳定性、精度和抗干扰性能符合设计要求。
3、设计步骤：
设计要求－－设计分析－－控制过程分析－－方案构思－－方案实施
控制系统的设计
明确控制的目标
确定被控量、控制量
分析主要的干扰因素
分析被控对象的重要特性
控制系统的方案选择
控制系统的调试、运行和评价
系统的成本分析
实施控制系统所需的设备、元件等
……
确定被控量、控制量是关键
对于简单系统，控制量常被确定为被控量
问题
1、抽水马桶水箱自动控制系统的设计
设计要求是什么？
是开环还是闭环控制？
被控对象、被控量、控制量是什么？
主要的干扰因素是什么？
请用方框图画出水箱的控制过程。
如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，谈谈你的构思。
被控对象
控制量
给定量
控制器
被控量
执行器
检测装置
抽水马桶水箱自动控制系统的设计
2、控制系统的设计报告
设计描述 （因为什么要进行方案设计）
设计要求 （控制动作、控制精度、成本、外观、结构等要求）
设计分析 （控制方式、控制方框图、各个控制环节）
设计准备 (实现控制需要的工具、设备、材料）
方案设计（多个方案）(草图、原理图、三视图、组装图等）
方案筛选
方案实现
3、设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。
4、124练习1 练习2
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