第四单元 第四节 控制系统的设计与实施-【同步宝典】2024-2025学年高中通用技术必修《技术与设计2》知识手册（苏教版2019）

同步宝典 通用技术 技术与设计 2 ZHISHI JIEXI 知识解析 绎知识点 1 控制系统的设计要素 1. 控制系统的设计要素 2. 开环控制系统的设计院在明确设计要求尧被控对象尧被控量和控制量后袁即可考虑具体控制 系统的方案遥 绎知识点 2 设计与实施雨水收集池水位控制系统 对于简单的闭环控制系统袁有以下基本要求院 渊1冤控制系统必须是 1 遥 渊2冤控制系统的 2 必须符合要求袁即系统的输出量与给定值之差应控制在允许范围 之内遥 渊3冤闭环控制系统应有较好的 3 性能遥 在进行闭环控制系统的设计时袁几项控制要求之间往往会产生矛盾袁需要结合具体问题全面 解决或有所侧重地解决遥 JINGDIAN KAOTI 经典考题 揖例题 1铱 外出旅游时家中植物无人照看袁小明想设计一个精度较高的植物盆栽土壤湿度控 制系统遥 当土壤干燥时袁系统能自动浇水直至符合湿度要求遥 关于该系统的设计袁下列构思最合理 的是 渊 冤 A. 该控制系统可选用开环控制方式 B. 该控制系统控制手段可选用定时的机械控制 C. 检测元件可选用湿度传感器 D. 检测装置可放置在花盆边缘的土壤表面 思路分析 该系统需要将土壤湿度控制在某一范围内袁需选用闭环控制方式曰要求精度较高 时袁选用电子控制曰检测装置需放置在土壤中间位置袁测得的湿度才更为准确遥 答案院C遥 揖例题 2铱 如图所示是某即热式饮水机设计方案遥 自 来水经过滤装置后进入储水箱袁再送到煮水箱遥当水位达到 高水位时袁进水电磁阀断电关闭袁水位降到低水位时电磁阀 通电进水遥在出水龙头取水时袁电加热器迅速将煮水箱中的 水加热至 100 益袁其间产生的水蒸气通过排气管排出遥 小明 构思了下列几种电加热器控制方案袁较合理的是 渊 冤 第四节 控制系统的设计与实施 排气管 煮水箱 电加热器 开水 出水龙头 低水位开关 自来水 过滤装置 进水电磁阀 高水位开关 储水箱 控制系统的调试尧运行和评价 控制系统的方案选择 分析被控对象的主要特征 明确控制目的 控 制 系 统 设 计 执行器尧检测器的选择 分析主要的干扰因素 确定被控量尧控制量渊控制方案的关键冤 系统的成本分析 实施控制系统所需的设备尧元器件等 揖答案铱 1. 稳定的 2. 控制精度 3. 抗干扰 84 A. 在出水龙头处安装传感器袁有水流动时开始加热袁无水流动时停止加热 B. 在排气管上安装传感器袁有水蒸气流动时停止加热袁无水蒸气流动时开始加热 C. 与水位开关联动袁高水位时开始加热袁低水位时停止加热 D. 与进水电磁阀联动袁电磁阀通电时开始加热袁电磁阀断电时停止加热 思路分析 对该控制的设计袁目的是取水时加热袁不取水时不加热袁所以应检测水龙头取水 信号袁即有无水流动遥 答案院A遥 揖例题 3铱 下图为滑台的运动系统示意图袁该系统由电机控制子系统和机械传动子系统组 成遥 在电机控制子系统中袁传感器检测电机的转动角度袁并反馈到控制装置与设定值比较袁控制装 置根据偏差值发出运动信号袁驱动器将运动信号转变成相应的电流驱动电机转动曰在机械传动子 系统中袁电机带动丝杆转动袁丝杆通过螺母驱动滑台移动遥系统根据电机的转动角度和丝杆的螺纹 间距计算出滑台移动的距离袁从而实现对滑台位置的间接控制遥 由于丝杆传动的误差和滑块移动 时的摩擦袁滑台移动的距离存在误差遥 为了提高滑台位置的控制精度袁需要对该系统进行优化袁下 列措施中合理的是 渊 冤 思路分析 闭环的精确度更高袁为了提高滑台位置的控制精度袁可以让控制系统的检测装 置直接检测滑台的位置袁将滑台位置反馈到输入端与设定值进行比较控制遥 答案院D遥 DIANTI SULIAN 典题速练 1. 如图所示是公共厕所人体感应自动供水系统示意图遥 当探头 检测到有人进入厕所时袁控制器控制电磁阀打开袁向水箱供 水遥 最适合用作探头的是 渊 冤 A. 红外传感器 B. 压力传感器 C. 水位传感器 D. 光敏传感器 电机 传感器 驱动器控制装置 设定值 丝杆 滑台 高精度 电机 驱动器 设定值 控制 装置 丝杆 滑台 A. 将电机换成高精度电机袁 控制方式改为开环控制 B. 将传感器换成高精度传感器袁 提高电机转动角度的检测精度 电机高精度 传感器 驱动器 设定值 丝杆 滑台 控制 装置 C. 将传感器安装在丝杆上袁 检测丝杆的转动角度 电机 传感器 驱动器 设定值 丝杆 滑台 控制 装置 D. 在滑台上安装传感器袁 检测滑台的位置 电机 传感器 驱动器 设定值 丝杆 滑台控制 装置 探测区 控制箱 电磁阀 水箱 冲洗管 进水阀 过滤器 第四单元 控制及其设计 85 同步宝典 通用技术 技术与设计 2 2. 小明要为听觉障碍者的住所设计一个门铃控制系统袁当有人来访时野门铃冶能提醒听觉障碍者遥 设计时他将指示灯确定为被控对象袁下列构思不可行的是 渊 冤 A. 该控制系统的控制手段可选用自动控制 B. 执行器可选用电子开关 C. 声音传感器可作检测部件 D. 该控制系统的控制方式可定为闭环控制 3. 在校园农业劳动实践中袁同学们为植物栽培设计了一个营养液循环控制系统渊如图 1所示为系 统框图模型袁如图 2所示为控制系统示意图冤袁该系统包括微控制器尧环境感知部分尧调节部分 等遥 温度传感器尧液位传感器尧pH值传感器和流速计均安装在栽培槽中遥 根据微控制器指令袁加 热器与制冷器尧蠕动泵尧水泵联合调节栽培槽中营养液的温度尧pH值尧液位和流速遥下列关于该 营养液循环控制系统的说法中合理的是 渊 冤 A. 流速控制子系统的执行器可以使用流速计 B. 栽培槽中营养液的 pH值控制子系统可以采用闭环控制方式 C. 为提高温度控制效率袁配液箱越大越好 D. 为提高 pH值控制精度袁pH值传感器应安装在酸碱液箱中 4. 如图所示是储气罐气压控制系统原理图袁当检测装置检测到储气罐中的气压低于设定值时袁控 制器控制压缩机运转袁使储气罐的气压升高到设定值遥 该控制系统的方框图是 渊 冤 A. 设定气压 控制器 实际气压压缩机 储气罐 检测装置B. 设定气压 实际气压控制器 储气罐 C. 设定气压 + - 检测装置 控制器 实际气压压缩机 储气罐 D. 设定气压 +- 检测装置 控制器 实际气压储气罐 压缩机 某厂设计了一款智能煤气泄漏报警灯袁它的工作原理是院当探测器检测到厨房的煤气浓度超 过设定值时袁外置主控制器控制电磁继电器导通袁使报警灯报警曰报警的同时袁该装置还能够自动 向事先设定的手机号码发送信息袁提醒使用者注意遥 据此袁完成第 5耀6题遥 5. 下列选项中袁对智能煤气泄漏报警灯控制系统的描述正确的是 渊 冤 A. 控制量是电磁继电器的通尧断 B. 被控对象是手机 C. 探测器主要起反馈作用 D. 输入量是事先设定的手机号码 压缩机 储 气 罐 检测装置 控 制 器 图 1 水泵 蠕动泵 制冷器 加热器 调节部分 流速计 pH值传感器 液位传感器 温度传感器 环境感知部分 微控 制器 图 2 温度传感器 水泵 酸碱液箱 液位 传感器 pH值 传感器 流速计栽培槽 植物 制冷器 蠕动泵 加热器 配液箱 微控制器 86 6. 无人状态下为了防止煤气泄漏袁对该控制系统进行优化袁其中最合理的优化措施为 渊 冤 如图所示为某车载空调的制冷控制系统示意图袁压缩机和膨胀阀协同工作使制冷剂循环 制冷袁鼓风机将车厢外的热空气吹经蒸发器使空气温度降低并送入车厢内遥制冷时袁温度传感器采 集车厢内实际温度袁微处理器根据设定温度与实测温度对压缩机尧膨胀阀和鼓风机作出相应控制袁 使车厢内温度稳定在设定温度附近遥 据此袁完成第 7耀8题遥 7. 若以车厢内的空气作为被控对象袁下列关于该制冷控制系统的说法中正确的是 渊 冤 A. 控制系统是开环控制 B. 输入量为鼓风机从车厢外鼓入的热空气 C. 控制量为压缩机排量尧膨胀阀开度和鼓风机风量 D. 主要干扰因素至少包括车窗的开闭尧车外空气温度和道路能见度 8. 该制冷控制系统发生如下故障袁需要大约原来一倍的制冷时间才能稳定在设定温度袁则下列故 障分析中合理的是 渊 冤 A. 鼓风机风扇不转 B. 冷凝器表面脏污袁使散热不良 C. 制冷剂储液干燥器密封不严导致制冷剂完全泄漏 D. 温度传感器故障导致所测温度比实际温度高 10 益 9. 下图为缺失了水位控制装置的自动供水系统遥 下列对该系统的修复方案中合理的是 渊 冤 低温低压液态膨胀阀 中温高压液态 温度传感器 蒸发器 冷空气 吸热微处理器 热空气 鼓风机 车厢内 低温低压气态 压缩机 制冷剂储 液干燥器 放热 冷凝器 高温高压气态 车厢外 进水阀 进水 A 进水 D 进水 C 进水 B 第四单元 控制及其设计 A. 当煤气浓度超过设定值时袁主控制器控制 电磁阀吸合袁将煤气切断 D. 增加一个人体红外线感应子系统袁有人时 可以使用煤气袁无人时不通煤气 C. 增加一个煤气检测控制系统袁将厨房内的 煤气浓度控制在设定浓度 B. 当煤气浓度超过设定值时袁主控制器控制 电磁继电器吸合袁开启排风扇 煤气浓 度信号 主控 制器 电磁阀 煤气 管线 煤气的 通断 煤气浓 度信号 主控 制器 电磁继 电器 排风扇 排风 排风扇 + - 设定煤 气浓度 主控 制器 厨 房 排风扇 厨房内煤气 实际浓度 煤气检测装置 人体红外线 主控 制器 电磁阀 煤气 管线 煤气的 通断 87 同步宝典 通用技术 技术与设计 2 出量是实际平衡状态袁被控对象是汽车袁检测装置是传感器袁 控制器是悬架控制单元袁执行器是电磁电机遥 6. C揖解析铱以电磁阀为被控对象袁其控制系统方框图如下院 控制量为执行器的输出信号袁即继电器是否工作曰该系统是 开环控制系统袁不存在反馈遥 7. B揖解析铱电动车的平衡状态是被控量遥 8. A揖解析铱气压定高系统的输入量为设定高度袁输出量为实际 高度袁被控对象是无人机袁控制器为控制芯片袁发出控制信号 给电机袁电机控制无人机停在设定的高度袁电机的转速为控 制量袁存在反馈袁属于闭环控制系统遥 9. C揖解析铱该系统的输入量是设定行进路线袁控制器为控制电 路袁执行器为驱动装置袁被控对象为小车袁灰度传感器为检测 装置袁负责检测小车实际路线并反馈给控制器袁所以是闭环 控制遥 电容充电速度对小车行进路线无影响袁不是干扰因素遥 微专题 5 开尧闭环控制系统综合分析 1. B揖解析铱传感器检测到的产品信号是输入量袁不是干扰因素曰 执行器发出的信号是控制量曰该筛选子系统没有反馈袁属于 开环控制系统遥 2. D揖解析铱抓取子系统的执行器是机械手袁被控对象是快递袁条 形码上的信息是该系统的输入袁打印错误不属于干扰因素遥 3. A揖解析铱机翼转速控制子系统输入量为检测的障碍物距离袁 输出量为机翼转动曰碰撞机翼停转子系统输入量为振动信 号袁输出量为机翼停转袁都属于开环控制曰机翼转速控制子系统 被控对象为机翼曰用纸片遮住小黄人脚底的传感器袁传感器检 测到障碍物距离太近会导致小黄人一直飞行曰感应器感应到 蝴蝶的信号是输入量袁不属于干扰因素遥 4. C揖解析铱速度尧长度人工设定袁但是钢板到位后是由控制系统 让其停下袁没有人工参与袁为自动控制遥 5. A揖解析铱控制汽车速度的过程袁采用了闭环控制方式曰遇到家 畜闯入公路袁会引起车辆速度尧方位的变化袁属于系统的干扰 因素曰设定的安全车距和巡航速度是系统的输入量曰节气门 控制器和制动控制器是系统的执行器袁其实际工作状态是系 统的控制量遥 6. D揖解析铱对于小球位置控制系统袁被控对象是小球袁A错误曰 测距仪检测到的小球位置属于输出量袁B错误曰控制器发出的 控制指令不是控制量袁控制量是执行器的状态袁C错误遥 7. D揖解析铱电动平衡车的平衡控制系统是闭环控制系统曰设计 自动断电功能时袁选用力敏传感器最合适曰平衡控制系统的 被控对象是平衡车车体遥 8. C揖解析铱该系统的被控对象是大门袁门的开启或关闭是被控量遥 9. B揖解析铱该控制系统的工作方式是闭环控制袁输入量是设定 的重量袁控制器是控制中心袁执行器是出料口袁输出量是实际 的重量袁检测装置是称量装置袁配料控制中心中的配料信息 即是设定的原料重量袁属于控制系统的输入量袁不属于干扰 因素遥 10. B揖解析铱螺钉自动紧定装配系统的控制目的是把螺钉固定 在安装孔上袁A错误曰被控对象是螺钉袁对螺钉是否安装上了 并没有检测袁所以是开环控制系统袁没有反馈袁D错误曰输入 量为安装孔的位置信息袁安装孔的数量变化不是干扰因素袁 C错误遥 11. A揖解析铱被控对象是发射的导弹曰执行器是导弹车曰入侵目 标运动状态是输入量袁所以不是干扰因素遥 第四节 控制系统的设计与实施 1. A揖解析铱该控制需要检测人袁所以红外传感器最适合袁能检测 到人体发出的红外线遥 2. D揖解析铱指示灯为被控对象袁输出量是灯的亮灭袁输入量是访 客按下门铃袁该控制系统是自动控制的开环控制系统遥 3. B揖解析铱流速计是检测装置袁不能作为执行器曰栽培槽中营养 液的 pH 值控制子系统的目的是使 pH 值维持在合适的数 值袁即输入量是设定的 pH 值袁输出量是实际 pH 值袁系统需 要通过 pH值传感器检测反馈袁应采用闭环控制系统曰系统具 有相关性袁配液箱的设计需要考虑和其他部分匹配袁过大是 一种浪费曰pH值传感器需要检测栽培槽的 pH值袁应安装在 栽培槽中遥 4. C揖解析铱该控制系统的被控对象为储气罐袁检测装置检测的 是储气罐的实际气压袁并将其与设定气压进行比较袁所以该 控制系统为闭环控制系统遥 5. A揖解析铱被控对象是报警器曰该控制系统是开环袁不存在反 馈曰输入量是煤气浓度遥 6. A揖解析铱煤气浓度超过设定值时袁应将煤气切断遥 7. C揖解析铱由关键词野使车厢内温度稳定在设定温度附近冶可 知袁这是闭环控制系统曰输入量是设定温度袁输出量是实际温 度袁被控对象是车厢内的空气袁检测装置是温度传感器袁控制 器是微处理器袁执行器是鼓风机尧压缩机尧膨胀阀曰道路能见 度属于无关因素袁不是干扰遥 8. B揖解析铱鼓风机风扇不转袁系统不运转曰制冷剂储液干燥器密 封不严导致制冷剂完全泄漏袁系统不运转曰温度传感器故障 导致所测温度比实际温度高 10 益袁则温度下降会更快遥 9. C揖解析铱水位自动控制装置要实现当水位下降时进水袁当水 位达到一定高度时停止进水遥A中当水位下降与上升时袁对小 球都不影响曰B中当水位低时袁阀门口被关紧曰C中当水位下 降时袁小球下降袁进水袁当水位上升时袁小球上顶袁关闭阀门曰D 中当水位下降时袁阀门口被关紧袁无法实现水位低时进水的 控制遥 电磁阀 开/关 继电器控制器 管内压力大小 92