2021浙江省高中通用选考复习课件-专题七：控制与设计

重点之大专项二必修基础重点(下)讲7控制与设计（必修二4单元）第四单元控制与设计考试内容考核要求控制的手段与应用①控制的含义②控制的手段和方法③控制的应用baB控制系统的工作过程与方式①简单开环控制系统的基本组成和工作过程②闭环控制系统的基本组成③简单的闭环控制系统的方框图④控制器和执行器的作用cbcc第四单元控制与设计考试内容考核要求闭环控制系统的干扰与反馈①反馈的含义②简单控制系统运行的主要干扰因素③闭环控制系统中反馈环节的作用④闭环控制系统的工作过程⑤功能模拟方法和黑箱方法bcbba控制系统的设计与实施控制系统方案的设计c控制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。三要素控制的对象控制系统中所要求控制的装置或生产过程。控制的手段含义控制实施的方式和方法。分类（控制的方式）按人工干预的情形分①人工控制控制过程在人的直接干预和全程干预下进行。②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。按执行机构的不同分①机械控制借助的是机械零件和机械设备，如齿轮、轴等传递动力。②气动控制以气体作为主要信息与动力，一般由气阀门及气控件组成。一、控制的手段、应用及控制系统控制三要素控制的手段分类（控制的方式）按执行机构的不同分③液压控制采用液压方式来传递信息与动力。④电子控制借助的是电子器件和电子电路，如电子元器件、电路板等。控制的目的人们的意愿或期望的方向。应用在生活、生产、军事、国防等领域都有广泛的应用。控制系统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。分类开环控制系统控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。闭环控制系统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。二、开环控制系统的基本组成与工作过程基本组成输入量控制系统的给定量。控制器接收输入量，对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。执行器接收控制器的命令，直接对被控对象进行控制的装置或元件。控制量执行器的输出信号。被控对象控制系统中所要控制的装置或生产过程。输出量控制系统所要控制的量，也就是控制系统的输出信号。方框图实例工作过程车辆超速检测系统（检测报警类）测速雷达测量车速,经判断超速后,电脑控制摄像头将超速车辆的信息记录下来。公交车车门的开关控制系统（开关类）司机操作开关装置，发出开关信号，控制电磁阀的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，由压缩空气推动活塞，从而带动车门的开启与关闭。游泳池定时注水系统（定时类）使用者将注水的时间值设定到定时器中，开启进水阀注水，一旦时间到达，定时器就会控制注水阀关闭，停止向泳池注水。☆典型案例控制过程汇总表（开环）三、闭环控制系统的基本组成、工作过程及干扰与反馈基本组成给定量即输入量。被控量即输出量。检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端。比较器将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值。方框图常见控制器：控制电路、控制平台、控制装置、控制处理中心、微电脑、单片机、连杆机械等。常见执行器：电机（马达、水泵、压缩机）、开关（阀门）、加热器（制冷器）等。常见被控对象：游泳池、房间、箱体、土壤、管道、水、空气、压力锅、加热炉等。类别开环控制系统闭环控制系统相同点均包含被控对象、控制器、执行器、控制量等组成成分。不同点特征输出量仅受输入量控制。根据被控量与给定量间的偏差控制系统的运行。信号传递单向。双向。组成——增加了检测装置和比较器。控制精度较低，需人工控制辅助。较高，能通过反馈克服干扰，使被控量控制在给定值附近。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循环传递。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。☆典型案例控制过程汇总表（闭环）实例工作过程温室大棚温度控制系统（恒定输出类）夏天卧室温度控制系统（恒定输出类）实例工作过程电冰箱温度控制系统（恒定输出类）电饭锅保温控制系统（恒定输出类）实例工作过程智能电饭煲控制系统（恒定输出类）加热炉的温度自动控制系统（恒定输出类）实例工作过程供水水箱的水位自动控制系统（恒定输出类）抽水马桶的自动控制系统（恒定输出类）宾馆使用多台热水器串联电辅助加热自动控制系统（恒定输出类）实例工作过程粮库温、湿度自动控制系统（恒定输出类）风力发电机跟踪风向的控制系统（动态跟踪类）家用压力锅工作原理干扰含义在控制系统中，除输入量(给定值)以外，引起被控量变化的各种因素。相关分析①干扰既存在于闭环控制系统中，也存在于开环控制系统中。②干扰可能是好的，也可能是坏的。③干扰因素通常作用在被控对象上，其作用是使被控量偏离给定值。④通常控制系统中的干扰因素不止一个，因此必须对可能存在的干扰进行全面的调查和分析。但并非所有干扰都需要采取抗干扰措施来克服，因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的复杂和成本的增加。反馈含义在自动控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端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被控对象，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。功能模拟法以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法。黑箱方法把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。控制系统设计的一般思路控制系统设计须考虑的基本问题：控制系统的设计方案，还包括画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书等。开环控制系统的设计要求在明确设计要求、明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。闭环控制系统的设计要求①系统必须是稳定的。②控制系统的控制精度必须符合要求。③应有较好的抗干扰性能。例1如图所示是一款智能垃圾桶。投垃圾时，手或垃圾靠近感应区上方，桶盖会自动打开，投入后桶盖会自动关闭，该控制系统的控制手段和控制方式属于（）A．手动控制、开环控制B．自动控制、开环控制C．自动控制、闭环控制D．手动控制、闭环控制B一、控制的手段、应用及控制系统【解析】人没全程参与，整个控制过程由系统自动完成，且输出量对本系统的输入量无任何影响(无反馈)。例2用如图的调速器调节教室里吊扇的风速的控制手段是（）A.自动控制、电子控制B.人工控制、电子控制C.自动控制、机械控制D.人工控制、机械控制B【解析】调速器调速过程需要人全程参与，所以是人工控制；借助电子器件通过电子信号对设备进行控制是电子控制。模板答题开环控制和闭环控制的区分方法①控制系统有反馈的为闭环控制，无反馈的为开环控制；②控制系统的输入量和输出量是同类型量的为闭环控制，不是同类型量的为开环控制；③能把某物体的量控制在一定范围内的控制系统一般为闭环控制。例3［2019.4浙江］如图所示是石材切割机工作原理图。通过人机界面将石材的切割参数输入控制器，控制器通过继电器控制各个电机工作，工作台将石材移至设定位置，横梁下降，刀盘旋转并沿着横梁进给，完成切割。电机上的旋转编码器将电机的旋转量转换为计数脉冲信号，送入控制器中进行运算，控制器获得各个方向的间接位移量，并与设定值比较，当达到设定值时控制器控制相应的电机停止转动。该切割机的电机驱动控制系统中的被控对象是（）A二、开环控制系统的基本组成与工作过程A.电机B.刀盘C.横梁D.石材【解析】本题考查控制系统的组成认识。电机驱动控制系统中的被控对象是该切割机的其中一个子系统，而不是切割机的整个系统。电机驱动控制系统中的被控对象是电机。例4［2015.9浙江］如图所示是一款自动伸缩式遮阳篷的示意图，当传感器检测到雨水、阳光时，将感应信号发送给控制器，启动电机展开遮阳篷。关于该控制系统，下列说法中不正确的是（）A．输入量是雨水、阳光信号B．控制量是前杆的位移量C．执行器是电机D．被控对象是遮阳篷B【解析】该控制系统为开环控制系统，传感器接收到的雨水、阳光信号作为输入量，经控制器后启动执行器(电机)，从而带动被控对象(遮阳篷)展开或放下。控制量是指执行器的输出信号，即电机的转动量，而非前杆的位移量。例5［2018嘉兴模拟］“智动小红车”助力控制系统由一体化电池及控制模块、内置的中轴智能传感器和助力装置等组成。当骑车人不踩踏板时，助力装置不提供动力。踩动踏板，中轴智能传感器就会感知骑行过程中所受的阻力及踏行频率，并把阻力及频率信息输入控制模块，控制模块将信息处理后控制助力装置为小红车提供相应的动力，小红车切换为混合动力模式。该车限速为每小时15公里，一旦超速，助力控制系统就自动切断电源，切回到普通公共自行车骑行模式。关于助力控制系统的分析，正确的是（）A.助力控制系统的输入量是电池的电量B.助力控制系统的输出量是车的速度C.踩动踏板，小红车切换为混合动力模式的控制是开环控制D.一旦超速，助力控制系统就自动切断电源的控制是闭环控制C【解析】输入量为阻力及频率信息，控制器是控制模块，执行器为助力装置，被控对象是小红车，输出量为小红车的模式，该控制系统中不存在反馈，是开环控制系统。例6［2016.10浙江］如图所示是一款可伸缩的防雨晾衣装置示意图。晾衣时按动开关，电机带动滑轮转动，将晾衣杆连同衣物移到室外，下雨时，传感器检测到信号后，电机带动滑轮反向转动，将晾衣杆和衣物收回室内。请根据示意图和描述，完成以下任务：（1）该装置防雨控制的手段属于（在①手动控制；②自动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热敏传感器；②光敏传感器；③湿敏传感器中选择合适的选项，将序号填写在“”处）;（3）该系统的执行器是（在①晾衣杆；②电机；③开关中选择合适的选项，将序号填写在“”处）;（4）为了实现傍晚时能将衣物收回室内，对该系统优化的有效措施是和（在①提高传感器的灵敏度；②增加温度检测及对应的控制子系统；③增加光线检测及对应的控制子系统;④增加定时控制子系统中选择合适的选项，将序号填写在“”处）;（5）下列因素中，不属于影响本系统优化的因素是（在①传感器的灵敏度；②控制系统的精度和可靠性；③系统的制造和使用成本;④环境温度、湿度和光线的变化中选择合适的选项，将序号填写在“”处）。②③②③④④【解析】本题考查手动控制和自动控制、传感器、控制系统的工作过程与方式、系统的优化、影响因素和约束条件。(1)手动控制指的是控制过程需要人的直接干预和全程干预；自动控制指的是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。(2)该控制系统的传感器用于检测有没有下雨，所以用湿敏传感器。(3)该系统执行器是电机，被控对象是晾衣杆。(4)为了实现傍晚时能将衣物收回室内，可以根据检测到的光照强度进行控制或用定时控制。(5)系统优化的影响因素是人为可以调节改变的，而约束条件是人为不能改变的。环境温度、湿度和光线的变化不是人为能改变的，属于约束条件。例7［2018浙江联考］如图所示是一款自动感应的螺丝刀。当手腕向右旋转螺丝刀时，内置陀螺仪检测到螺丝刀的状态，通过微处理器芯片控制电机转动，使螺丝刀头顺转，螺丝被拧紧；当手腕向左旋转螺丝刀时，螺丝刀头逆转，螺丝被拧出。请根据描述，完成以下任务：（1）该螺丝刀转动控制系统的控制手段和方式分别属于＿＿＿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螺丝；②电机；③螺丝刀头中选择合适的选项，将序号填写在“”处）；（3）系统设计时要考虑设计功能、可靠性、安全性，还要兼顾成本、安装、体积等要素，体现了系统分析的原则（在①整体性；②科学性；③综合性中选择合适的选项，将序号填写在“”处）；（4）为了让螺丝刀能在更多的场合使用，有效的优化措施是＿＿＿＿和（在①提高陀螺仪的灵敏度；②增配电池模块；③可以更换不同的螺丝刀头；④螺丝刀头扭力达到设定值自动停转中选择合适的选项，将序号填写在“”处）。