必修 技術(shù)與設(shè)計(jì)2 第四章 控制及其設(shè)計(jì)（含答案解析）

通用技術(shù)必修2技術(shù)與設(shè)計(jì)2第四章控制及其設(shè)計(jì)一、章節(jié)體系二、知識(shí)點(diǎn)4.1了解控制（一）控制人們按照自己的意愿或目的，通過(guò)一定的手段，使事物向期望的目標(biāo)發(fā)展，這就是控制。如騎自行車、調(diào)節(jié)空調(diào)的濕度、機(jī)器人、汽車自動(dòng)生產(chǎn)線等。（二）手動(dòng)控制必須在人的直接干預(yù)下才能完成控制任務(wù)，稱為手動(dòng)控制。如開關(guān)電器，開關(guān)水龍頭，開車，畫畫等。（三）自動(dòng)控制如果控制過(guò)程不需要人的干預(yù)，就能達(dá)到期望的控制效果，則稱為自動(dòng)控制。如掃地機(jī)器人，全自動(dòng)洗衣機(jī)等。（四）智能控制智能控制是指具有智能信息處理、智能信息反饋和智能決策的控制方式。它能在無(wú)人干預(yù)的情況下，自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。（五）開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制：不能將控制的結(jié)果反饋回來(lái)影響控制作用的控制過(guò)程。閉環(huán)控制：能將控制結(jié)果反饋回來(lái)與期望值進(jìn)行比較，并根據(jù)它們的誤差調(diào)整控制作用的控制過(guò)程。開環(huán)控制：控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響的控制。如：水位定時(shí)控制系統(tǒng)、十字路口的紅綠燈系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公園的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)等。（蘇教版）閉環(huán)控制：把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端，并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。如：土壤濕度控制澆灌系統(tǒng)、電冰箱的濕度控制、空調(diào)濕度控制等。（蘇教版）4.2控制系統(tǒng)的組成和描述（一）控制系統(tǒng)的組成基準(zhǔn)量/給定量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控量開環(huán)控制系統(tǒng)及其組成部分名稱基準(zhǔn)量/給定量控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控量反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)及其組成部分名稱（二）控制系統(tǒng)的框圖表示4.3簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程第一步，確定控制目的。第二步，確定系統(tǒng)的被控量。第三步，明確系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。第四步，確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。第五步，建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的模型。第六步，確定待調(diào)參數(shù)。第七步，測(cè)試系統(tǒng)的性能。（二）設(shè)計(jì)實(shí)例LED數(shù)碼顯示器的設(shè)計(jì)1．明確設(shè)計(jì)目的：一位數(shù)碼顯示0-9的數(shù)字。2．確定被控量及設(shè)計(jì)指標(biāo)：LED數(shù)碼管各段的亮或滅。3．確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：確定控制手段（手動(dòng)/自動(dòng)），控制方式（開環(huán)/閉環(huán)）。4．選擇實(shí)現(xiàn)方法：（1）手動(dòng)控制，顯示“3”。5．部件模型及主要參數(shù)的確定：利用歐姆定律，功率公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)。6．驗(yàn)證、完成你的設(shè)計(jì)：組裝相關(guān)零件，測(cè)試效果。7．評(píng)估你的設(shè)計(jì)：是否達(dá)到預(yù)期目的，收集意見(jiàn)，改進(jìn)。8．優(yōu)化設(shè)計(jì)：由于只能顯示“3”，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有限，可采用自動(dòng)控制，編程實(shí)現(xiàn)0-9的顯示。4.4控制中的干擾（一）干擾對(duì)控制功能的影響干擾：在控制系統(tǒng)中，常有一些變化不定的因素對(duì)系統(tǒng)的行為造成不良的影響，這種有害因素，稱為干擾。干擾會(huì)使被控對(duì)象產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。干擾的理解：除輸入量以外，引起被控量變化的有害因素才被定義為干擾。一般來(lái)說(shuō)，閉環(huán)控制系統(tǒng)能不斷地修正控制效果，以減少被控量和給定量之間的誤差。所以閉環(huán)控制系統(tǒng)有更好的抗干擾能力。（二）克服干擾的基本方法消除法、減弱法、提高系統(tǒng)性能法。三、學(xué)業(yè)測(cè)試一、單選題1．下列屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)的是A．紅綠燈定時(shí)控制 B．樓道聲控?zé)舻目刂艭．電冰箱的溫度控制 D．金屬探測(cè)儀的檢測(cè)報(bào)警控制【答案】：C【解析】：電冰箱工作時(shí)有一定設(shè)定濕度，濕度傳感器檢測(cè)實(shí)際濕度，反饋到輸入端與設(shè)定濕度比較，使實(shí)際濕度趨于設(shè)定濕度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。ABC項(xiàng)輸出量均未反饋回來(lái)對(duì)控制產(chǎn)生影響。如圖所示的是某款自動(dòng)感應(yīng)垃圾桶。當(dāng)垃圾桶上方的紅外線傳感器在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)檢測(cè)到物體接近時(shí)，就會(huì)把檢測(cè)到的信號(hào)傳給控制模塊，控制模塊發(fā)出信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟桶蓋。當(dāng)物體離開感應(yīng)區(qū)范圍一段時(shí)間后桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。請(qǐng)根據(jù)以上描述完成2～4題2．該自動(dòng)感應(yīng)垃圾桶的開閉桶蓋控制系統(tǒng)屬于A．手動(dòng)控制，閉環(huán)控制 B．自動(dòng)控制，閉環(huán)控制C．自動(dòng)控制，開環(huán)控制 D．手動(dòng)控制，開環(huán)控制【答案】：C【解析】：垃圾桶自動(dòng)感應(yīng)打開，控制手段屬自動(dòng)控制；其輸出量為桶蓋的開或關(guān)，未反饋到輸出端對(duì)控制產(chǎn)生影響。3．下列對(duì)該控制系統(tǒng)的分析中不正確的是A．執(zhí)行器是電機(jī) B．輸入量是紅外線傳感器C．被控對(duì)象是垃圾桶蓋 D．控制器是控制模塊【答案】：B【解析】：輸入量是紅外線傳感器檢測(cè)到手伸過(guò)來(lái)的信號(hào)。4．下列不屬于自動(dòng)感應(yīng)垃圾桶干擾因素的是A．電池電量不足 B．垃圾桶附近的強(qiáng)電磁場(chǎng)C．說(shuō)話的聲音 D．內(nèi)桶漏水導(dǎo)致的控制電路故障【答案】：C【解析】：紅外傳感器不能將聲音作為輸入信號(hào)，聲音對(duì)垃圾桶控制不構(gòu)成干擾。如圖所示的是某智能人體感應(yīng)LED燈，常用在走廊等地。內(nèi)置人體微波感應(yīng)器,當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體微波感應(yīng)器就把檢測(cè)到的人體信號(hào)傳輸給控制電路，控制電路再發(fā)出信號(hào)，燈亮，延時(shí)一定時(shí)間后燈自動(dòng)熄滅。請(qǐng)根據(jù)以上描述完成5～6題5．該智能人體感應(yīng)LED燈的控制系統(tǒng)屬于A．手動(dòng)控制，閉環(huán)控制 B．手動(dòng)控制，開環(huán)控制C．自動(dòng)控制，開環(huán)控制 D．自動(dòng)控制，閉環(huán)控制【答案】：C【解析】：紅外傳感器感應(yīng)人身信號(hào)作為輸入信號(hào)，燈的亮或滅是輸出信號(hào)，并未反饋到輸入端影響控制，為開環(huán)控制系統(tǒng)。6．下列對(duì)該控制系統(tǒng)分析不正確的是A．檢測(cè)裝置是人體微波感應(yīng)器 B．輸入量是檢測(cè)到的人體信號(hào)C．被控對(duì)象是控制電路 D．被控量是燈的亮與滅【答案】：C【解析】：被控對(duì)象是燈。7．小明在學(xué)習(xí)了通用技術(shù)課程后，準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一款智能風(fēng)扇，初步想法是：當(dāng)人在風(fēng)扇周邊一定范圍內(nèi)，如果人移動(dòng)，風(fēng)扇就能根據(jù)人的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到風(fēng)扇一直對(duì)著人吹的目的；當(dāng)人超出該范圍后，風(fēng)扇能夠自動(dòng)斷電關(guān)閉。下列構(gòu)思中不恰當(dāng)?shù)氖茿．智能風(fēng)扇可以分成兩部分來(lái)設(shè)計(jì)，即自動(dòng)開關(guān)的控制和自動(dòng)跟蹤的控制B．自動(dòng)跟蹤的控制設(shè)計(jì)成開環(huán)控制更合理C．設(shè)計(jì)該智能風(fēng)扇的時(shí)候要克服有動(dòng)物或其它物體經(jīng)過(guò)時(shí)引起的干擾D．自動(dòng)開關(guān)的控制設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制更合理【答案】：B【解析】：智能風(fēng)扇跟蹤的范圍會(huì)設(shè)置一個(gè)給定量，人的位置是輸入量，智能風(fēng)扇將檢測(cè)到的人的位置與設(shè)定的范圍進(jìn)行比較得出一個(gè)差值，影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)際位置，設(shè)計(jì)成閉環(huán)更合理。8．如圖所示為某款黃瓜自動(dòng)采摘機(jī)器人，該機(jī)器人內(nèi)置智能系統(tǒng)，可以區(qū)分黃瓜的成熟度，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的黃瓜成熟參數(shù)匹配時(shí)，智能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械臂及切割刀完成采摘。以下關(guān)于該控制的說(shuō)法正確的是A．采摘控制為開環(huán)控制 B．控制器是電機(jī)C．被控量是傳感器 D．采集數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)比較屬于采摘反饋【答案】：D【解析】：D項(xiàng)中采集數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)的比較器就是給定量與反饋量的比較，符合定義。本控制為閉環(huán)控制，控制器是智能系統(tǒng)，被控量是黃瓜是否采摘。9．關(guān)于干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)的作用，下列說(shuō)法正確的是A．干擾因素是可以完全避免的 B．干擾因素能引起被控量發(fā)生變化C．干擾因素僅作用在控制器上 D．干擾因素只作用于開環(huán)控制系統(tǒng)【答案】：B【解析】：干擾因素的定義就是能引起被控量發(fā)生變化的有害因素。10．以下屬于正確利用干擾的是A．在高考時(shí)使用手機(jī)信號(hào)屏蔽儀 B．閃電會(huì)對(duì)電視信號(hào)產(chǎn)生一定干擾C．飛機(jī)降落時(shí)要求乘客關(guān)閉手機(jī) D．在靠近居民樓的公路邊安裝隔音墻【答案】：A【解析】：信號(hào)屏蔽儀就是利用自身產(chǎn)生的電磁波對(duì)手機(jī)信號(hào)造成干擾，達(dá)到防止舞弊的作用。11．如圖所示的是某款抽水馬桶。扳動(dòng)沖水把手，水箱沖水，同時(shí)，浮球下降，打開進(jìn)水圈，水箱開始補(bǔ)水。水位開始上升，浮球上浮到原設(shè)定位置時(shí)，水箱停止進(jìn)水。下列有關(guān)該水箱水位控制裝置的說(shuō)法中正確的是A．被控量是水箱實(shí)際水位B．該控制屬于手動(dòng)控制C．該控制屬于開環(huán)控制D．浮球破裂不會(huì)對(duì)控制產(chǎn)生干擾【答案】：A【解析】：該控制屬于自動(dòng)控制、閉環(huán)控制，被控量是水箱的實(shí)際水位。12．如圖所示的是某款自動(dòng)伸縮遮陽(yáng)篷，當(dāng)傳感器檢測(cè)到陽(yáng)光時(shí)，將信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器啟動(dòng)電機(jī)，使遮陽(yáng)篷展開。關(guān)于該控制系統(tǒng)，下列說(shuō)法不正確的是A．執(zhí)行器是電機(jī) B．被控量是陽(yáng)光信號(hào)C．輸入量是陽(yáng)光信號(hào) D．被控對(duì)象是遮陽(yáng)篷【答案】：B【解析】：被控量是電機(jī)的通斷。13．如圖所示的是某款淋噴式洗碗機(jī)。其基本工作原理是：當(dāng)打開開關(guān)后，控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的程序發(fā)出指令，使水泵將水從噴頭高壓噴出，水流的反作用力使噴頭旋轉(zhuǎn)，從而使水流到達(dá)洗碗機(jī)的各個(gè)角落，在高溫水流和洗滌劑的作用下，把餐具洗干凈。下列關(guān)于該控制系統(tǒng)的分析正確的是A．該控制系統(tǒng)的控制量是噴頭B．該控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是餐具C．該控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是水泵D．該控制系統(tǒng)的被控量是水【答案】：C【解析】：控制量是噴頭的開和關(guān)，被控對(duì)象是高壓水流，執(zhí)行器是水泵，被控量是水流的壓力。14．如圖所示某款高鐵站自動(dòng)取票機(jī)，用戶點(diǎn)擊屏幕上“互聯(lián)網(wǎng)取票”菜單命令，然后將身份證置于讀取器位置，電腦獲取身份信息，打印車票并驅(qū)動(dòng)相關(guān)電機(jī)及機(jī)械裝置，將車票從取票口送出。關(guān)于自動(dòng)取票機(jī)的控制，下列說(shuō)法正確的是A．該控制是閉環(huán)控制 B．執(zhí)行器是車票C．輸出量是電機(jī) D．控制器是電腦【答案】：D【解析】：控制器是電腦，執(zhí)行器是打印機(jī)/相關(guān)電機(jī)及機(jī)械裝置。15．下列日常生活中的控制是手動(dòng)控制的是A．手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的檔位 B．空調(diào)的溫度控制過(guò)程C．高速公路上的測(cè)速抓拍控制 D．汽車電瓶的電量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)【答案】：A【解析】：手動(dòng)風(fēng)扇的檔位調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)檔位時(shí)始終離不開人的操作，屬于手動(dòng)控制。二、分析題16．如圖所示某款雨滴感應(yīng)式自動(dòng)雨刮器控制系統(tǒng)。它能根據(jù)雨量大小控制雨刮器轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。傳感器檢測(cè)出雨量大小，把它變成電信號(hào)，傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制雨刮器的速度，使得雨刮器的速度與雨量大小相適應(yīng)。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)回答下列問(wèn)題：（1）該系統(tǒng)的控制手段和控制方式分別屬于_____和_____（選填序號(hào)：①手動(dòng)控制；②自動(dòng)控制；③開環(huán)控制；④閉環(huán)控制）；【答案】：②、③【解析】：雨刮器能根據(jù)雨量大小，自動(dòng)刮雨，屬于自動(dòng)控制，雨刮器的快慢由輸入信號(hào)的強(qiáng)弱控制，雨刮器的快慢未反饋到輸入端影響控制，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）該系統(tǒng)的執(zhí)行器是_____（選填序號(hào)：①雨刮器；②雨量；③驅(qū)動(dòng)電機(jī)；④單片機(jī)）；控制量是_____（選填序號(hào)：①雨刮器速度；②雨量；③單片機(jī)輸出電流；④驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速）；【答案】：③、④【解析】：該系統(tǒng)的執(zhí)行器是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制量是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（3）為了提高雨刷效果，并適合不同的場(chǎng)合，以下的幾個(gè)優(yōu)化措施中，最合理的是___；①增加雨刮器手動(dòng)開關(guān)①增加雨刮器手動(dòng)開關(guān)②提高電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的③檢測(cè)檔風(fēng)玻璃清晰度控制雨刮器的速度④雨刮器的不同步控制【答案】：③【解析】：該控制系統(tǒng)的目的是控制雨刮器的運(yùn)行，最終是使檔風(fēng)玻璃清晰，幫助人們安全行車，所以③最合理。（4）以下屬于該優(yōu)化的影響因素的是_____（選填序號(hào)：①雨量大?。虎谲囁倏炻?；③檢測(cè)裝置的精度）?！敬鸢浮浚孩邸窘馕觥浚河炅看笮偻獠凯h(huán)境，是系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件，車速的快慢可由人自動(dòng)控制，不需要拿入該系統(tǒng)的優(yōu)化之中。17．如圖所示的是李華設(shè)計(jì)的小雞孵化箱，該孵化箱包括微電腦數(shù)字溫控器、溫度探頭、加熱絲、水床等。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱絲加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，加熱絲停止加熱，使孵化箱內(nèi)水床的溫度保持在合理的范圍之內(nèi)。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)回答下列問(wèn)題：（1）補(bǔ)充完整該控制系統(tǒng)方框圖（在①溫度探頭；②電源；③加熱絲；④微電腦數(shù)字溫控器中選擇合適的選項(xiàng)，將序號(hào)填寫在“______”處）；【答案】：④、③、①【解析】：此系統(tǒng)的控制器是微電腦數(shù)字溫控器，執(zhí)行器是加熱絲，反饋環(huán)節(jié)是濕度探頭。（2）溫度傳感器放置的位置合理的是____（選填序號(hào)：①水床下表面；②水床上表面；③在泡沫箱頂部）；【答案】：②【解析】：該控制系統(tǒng)是控制水床上表面的實(shí)際濕度，所以濕度傳感器應(yīng)放在水床上表面。（3）為了節(jié)能環(huán)保，下列對(duì)雞蛋孵化箱的優(yōu)化措施合理的是____和____（選填序號(hào)：①換用更大的泡沫箱作為箱體；②換用更厚的泡沫箱作為箱體；③在泡沫箱內(nèi)壁粘貼一層減小熱輻射損失的材料；④換用功率更大的電源）?！敬鸢浮浚孩凇ⅱ邸窘馕觥浚焊竦呐菽渥鳛橄潴w可減少熱量的損失，與③一樣，屬于合理的優(yōu)化措施。18．如圖所示的是太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)示意圖，該控制系統(tǒng)能使太陽(yáng)能電池板充分吸收太陽(yáng)輻射的能量，提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。其工作原理是：傳感器跟蹤太陽(yáng)相對(duì)方向，控制器根據(jù)偏差值控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整太陽(yáng)