閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

1、三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋學(xué)習(xí)目標(biāo)能結(jié)合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素，并作分析；熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)的作用；熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程；了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1、干擾因素在日常生活中，干擾是時常存在的。例如，1.人在逆風(fēng)中騎自行車，逆風(fēng)對自行車的速度構(gòu)成干擾，要保持車速不變，人就需要用力蹬車，以克服這一干擾；2.在飛機(jī)飛行過程中，手機(jī)信號對導(dǎo)航信號構(gòu)成干擾，直接影響飛行安全，所以乘客必須關(guān)閉手機(jī)。風(fēng)應(yīng)保持的速度 自行車 行車速度 在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如影響自行車行

2、駛速度的變化的自然風(fēng)等；有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號的手機(jī)信號等。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準(zhǔn)確度的干擾因素?？刂葡到y(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定?？照{(diào)器的溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當(dāng)室外溫度升高時，空調(diào)器監(jiān)測出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過啟動壓縮機(jī)降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。馬上行動在電冰箱的溫度控制系統(tǒng)中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？（1）開電冰箱門；（2）電冰箱所在房間的溫度從20變到32；（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中；（4）在電冰

3、箱外放一盆冷水。思考在下表所列控制系統(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素？控制系統(tǒng)干擾因素自動扶梯的升降控制系統(tǒng)利用滑輪組提升重物的控制裝置蔬菜大棚的溫度控制案例分析電視機(jī)電視機(jī)有時在正常工作時，突然出現(xiàn)圖像閃爍厲害或畫面紊亂等情況，這是由于它受到外界磁場干擾所致的現(xiàn)象。如果在電視機(jī)周圍放置一臺電冰箱，當(dāng)電冰箱啟動工作時，會形成一定范圍的磁場，將對電視機(jī)的圖像造成干擾，使其畫面紊亂。又如，空調(diào)器在工作時也會向周圍空間發(fā)射大量的電磁波，如果電視機(jī)與空調(diào)節(jié)器器的距離很近，電磁波將對電視機(jī)的圖像造成干擾。此外，電風(fēng)扇、日光燈等電器也會對電視機(jī)產(chǎn)生不同程度的磁場干擾，從而導(dǎo)致電視機(jī)的圖像出現(xiàn)抖動、波紋等現(xiàn)象。電

4、視機(jī)最忌磁場干擾，這些近距離的家用電器所形成的磁場，就是電視機(jī)正常工作的干擾因素?？朔@些干擾因素的辦法是將家用電器遠(yuǎn)離電視機(jī)放置。在一般控制系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以慎重、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待干擾因素的利用。馬上行動生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進(jìn)行利用？如何看待控制系統(tǒng)中的干擾因素，請進(jìn)行以下辯論。正方：干擾因素都是需要克服的。反方：干擾因素有時也可以被利用。2、反饋什么是反饋控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端

5、并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋。案例分析許寧在體育課上練習(xí)立定投籃時，發(fā)生了這樣的情況：第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到籃板上彈了回來，沒有命中。第二次投擲，他吸取了第一次的經(jīng)驗，減小了用力，但由于用力過小，籃球沒有碰到籃圈。第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經(jīng)驗，終于投中了。在這里，可以將人看做控制系統(tǒng)，眼睛（檢測裝置）把接收到的籃圈位置以及籃球?qū)嶋H投擲的位置等信息輸送給大腦（控制器），經(jīng)大腦分析和加工處理后，發(fā)出指令，指揮手投擲籃球（輸出），直到投籃命中。投籃的工作過程可用下圖描述：在上面的案例中，若沒有眼睛的觀察和檢測，投籃的反饋就無法形成。又如，人在駕車時，要使運行中的汽車保持40

6、km/h的速度不變，司機(jī)需要目視速度計（檢測裝置），然后與給定值（40km/h）進(jìn)行比較、運算，若與給定值有偏差，就通過調(diào)節(jié)加速器或制動器（即踩油門或踩剎車）來增減速度。因此，反饋使駕駛工作過程形成了一個閉環(huán)：檢測 比較 運算 操作 檢測，如此反復(fù)，直到被控量的值與給定值一致為止。利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關(guān)閉電源，而自動電水壺具有當(dāng)水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是運用反饋方法實現(xiàn)自動控制的結(jié)果。馬上行動分析“穿針引線”的動作過程，并補充一個適當(dāng)?shù)氖吕顚懴卤怼Ｊ吕斎霗z測

7、裝置輸出“穿針引線”小試驗試驗?zāi)康模和ㄟ^視力保護(hù)提醒器報警試驗理解反饋的原理。試驗準(zhǔn)備：有窗簾的房間，可調(diào)光臺燈（或可調(diào)燈泡高度的臺燈），試驗電路板，光敏電阻，微調(diào)電阻，三極管，小喇叭，電阻，導(dǎo)線，電池盒等。試驗過程：1、根據(jù)電路圖焊接視力保護(hù)提醒器的電路，并根據(jù)人眼看書時適宜的亮度范圍，通過調(diào)節(jié)電路中的兩個可變電阻RP1和RP2分別調(diào)整亮度的下限和上限。2、拉上窗簾使室內(nèi)光線變暗。3、把做好的視力保護(hù)提醒與臺燈同放在一個桌面上，通過可調(diào)光旋鈕或調(diào)高臺燈燈泡與桌面的距離，將臺燈的光線逐漸調(diào)暗，使光線漸漸減弱，觀察視力保護(hù)提醒器，直到它報警。4、用同樣的方法將臺燈的光線逐漸調(diào)亮，使光線漸漸增強(qiáng)，

8、觀察視力保護(hù)提醒器，直到它報警。試驗總結(jié)：1、在視力保護(hù)提醒器內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定兩個可變電阻的阻的阻值，分別對應(yīng)著強(qiáng)光和弱光報警的上、下限電流值，這相當(dāng)于一個已知的輸入信號。當(dāng)臺燈光線的輸出信號通過光敏電阻反饋到視力保護(hù)提醒器內(nèi)，電路電流值與上、下限電流值比較，當(dāng)電流值在這兩者之間時，電路不報警；當(dāng)光線過暗或過強(qiáng)，提醒器就報警，提醒人們電燈的光線過暗或過亮，人們再根據(jù)這一提示調(diào)節(jié)可變電阻值，從而調(diào)整光線的亮度。2、視力保護(hù)提醒器利用了反饋原理，可用于提示學(xué)生用眼衛(wèi)生。閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制

9、系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。由于某種干擾因素的存在，系統(tǒng)的被控量偏離給定值時，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)比較得到的偏差信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的被控量接近給定值，達(dá)到精確控制的目的。所以，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。案例分析供水水箱的水位自動控制系統(tǒng)供水水箱水位的自動控制在生活中應(yīng)用較多，如樓宇的水塔，其目的是使水箱中的水位保持在給定的高度?？刂葡到y(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和檢測器等組成。被控對象：水箱；被控量：水箱中的水位；執(zhí)行器：閥門；控制器：機(jī)械或電氣控制裝置；

10、檢測器：浮球或液位傳感器，是控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。水位的自動調(diào)節(jié)過程：當(dāng)水箱的出水流量增大時，水位下降，液位傳感器測出水位后與給定值比較，其偏差值進(jìn)入控制器，通過控制器的輸出信號調(diào)節(jié)閥門，將閥門開大，使水位回升到給定值；反之，當(dāng)出水流量減小時，通過控制器調(diào)節(jié)閥門，將閥門關(guān)小，使水位回到給定值的位置。在這一控制系統(tǒng)中，影響水位控制的干擾因素主要是水箱的出水量（即用戶使用的水量）、水箱水面蒸發(fā)的水量等。水箱的進(jìn)水量是通過閥門進(jìn)行控制的，它是該系統(tǒng)的控制量。思考在水箱的水位控制系統(tǒng)中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？案例分析加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由控制器、執(zhí)行器、被控對象和

11、檢測器等組成。被控對象：加熱爐；被控量：爐內(nèi)溫度；執(zhí)行器：爐內(nèi)的加熱器；控制器：一種電子或微機(jī)控制裝置，它根據(jù)輸入給定值與檢測反饋值的比較信號控制執(zhí)行器的動作；檢測器：熱電偶（具有檢測和傳感的作用），它將信號返回到輸入端，構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)。爐溫的調(diào)節(jié)過程：溫度檢測裝置測出加熱爐內(nèi)的溫度，并隨時與給定的溫度值進(jìn)行比較，若加熱爐內(nèi)的溫度高于給定的溫度，則通過控制器調(diào)整調(diào)壓器的電壓，使通過電阻絲的電流減小，加熱爐的溫度下降；若加熱爐內(nèi)的溫度低于給定的溫度，則通過控制器調(diào)整調(diào)壓器的電壓，使通過電阻絲的電流增大，爐內(nèi)溫度上升，并維持在正常值的范圍內(nèi)，從而使加熱爐的溫度基本穩(wěn)定在給定的溫度值上。思考在加熱爐的

12、溫度控制系統(tǒng)中，可能有哪些干擾因素，系統(tǒng)是如何克服干擾使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)的？閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)本身不能對被控量的偏差進(jìn)行調(diào)整和補償。也就是說，由于某種干擾信號的作用使輸出信號出現(xiàn)非正常狀態(tài)時，系統(tǒng)本身沒有自動糾正的能力，要進(jìn)行糾正，必須借助于人工。所以，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精確度（或稱控制精度）相對比較低。但如果控制系統(tǒng)中各組成元件的特性比較穩(wěn)定，而且外界的干擾相對較小，則開環(huán)控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡單，適用于控制精度要求不高而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場合。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是控制精度高，不論何種原因造成系統(tǒng)的輸出量偏離給定量，閉環(huán)控制

13、系統(tǒng)都會產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計比較麻煩，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，構(gòu)成控制系統(tǒng)的成三較高。閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動控制中廣泛采用的一種控制方式，用于要求高精度和高可靠性的場合。馬上行動就開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別，設(shè)計一個圖表。3、功能模擬方法左圖是加熱爐溫度的手動控制系統(tǒng)示意圖。比較加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)與手動控制系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)，控制器代替人腦實現(xiàn)了控制溫度的功能，執(zhí)行器代替人手實現(xiàn)了調(diào)壓的功能，檢測裝置代替人眼實現(xiàn)了檢測溫度值的功能。這種以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原形”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。歷史上曾經(jīng)有過能模擬人的動作

14、行為的各種模型，卻沒有解決從結(jié)構(gòu)上模擬人的大腦進(jìn)行思考的問題，因為人的大腦太復(fù)雜了。在沒有徹底弄清人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的情況下，必須另辟一條新的模擬途徑，這條途徑不要求從結(jié)構(gòu)上去模擬人腦，而是只要求模型在功能行為上與人腦相似。也就是說，僅僅根據(jù)模型與人腦在功能行為上的相似，實現(xiàn)對人腦的模擬。例如，在國際象棋的人機(jī)對弈中，計算機(jī)具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。閱讀功能模擬方法的提出在第二次世界大戰(zhàn)中，英美等國為了打破德國法西斯的空中優(yōu)勢，集中了一批優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師，研究如何使高炮更有效地?fù)袈鋽硻C(jī)。根據(jù)實戰(zhàn)的需要，要求設(shè)計一種具有控制功能的高速計算機(jī)，它可以根據(jù)外界的各種

15、情況，控制高炮按照預(yù)測的位置發(fā)射炮彈，使炮彈與飛機(jī)正好在空中的某一點相遇。參加研究的美國數(shù)學(xué)家維納聯(lián)想起人與機(jī)器在控制自己的行為和動作上存在相似性和共同之處，進(jìn)行了艱苦的努力和探索，突破了傳統(tǒng)思想的束縛，揭示了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律，提出了功能模擬的方法，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了控制論，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究提供了嶄新的科學(xué)方法。探究功能模擬方法對技術(shù)設(shè)計有何意義？4、黑箱方法在生活中，有時我們需要認(rèn)識的對象的內(nèi)部無法打開或不便打開，這時，可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關(guān)系來推測其內(nèi)部的特性和功能。例如，中醫(yī)看病通過“望、聞、問、切”來了解病人的病況，最后對病情作出判斷

16、；夏天買西瓜，可以通過“看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性”來判斷西瓜的生熟。這些事例都沒有打開事物直接觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過觀察外部或試驗等方法來認(rèn)識事物的。這種把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。例如，通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，就是黑箱方法的運用。馬上行動列舉黑箱方法應(yīng)用的例子，并填寫下表。黑箱方法應(yīng)用的例子輸 入輸 出需要了解的情況鏈接自動控制與系統(tǒng)系統(tǒng)工程，宋健著，中國大百科全書出版社，1991年版?？刂普摚_伯特