閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

第四章控制與設(shè)計(jì)

第三節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)干擾與反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第1頁(yè)回顧上節(jié)內(nèi)容:任何一個(gè)控制實(shí)現(xiàn)，都要經(jīng)過(guò)若干個(gè)步驟，這些步驟就組成了一個(gè)系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)?？刂破鞅豢貙?duì)象執(zhí)行器控制系統(tǒng)輸入輸出1.什么是控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第2頁(yè)回顧上節(jié)內(nèi)容:2.什么是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)？控制系統(tǒng)輸出量不對(duì)系統(tǒng)控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)輸入量輸出量控制器被控對(duì)象執(zhí)行器控制量X閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第3頁(yè)回顧上節(jié)內(nèi)容:系統(tǒng)輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出量輸入量被控對(duì)象控制器執(zhí)行器控制量×檢測(cè)裝置比較器3.什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第4頁(yè)干擾原因出現(xiàn)雜色線閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第5頁(yè)干擾原因外界光線對(duì)投影效果干擾閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第6頁(yè)干擾原因在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引發(fā)被控量改變各種原因稱為干擾原因控制系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生改變輸出量一、什么是干擾（interference）？干擾原因閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第7頁(yè)干擾原因自行車應(yīng)保持速度行車速度騎自行車時(shí)所受到干擾風(fēng)、雪改變了速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第8頁(yè)干擾原因機(jī)器人直線向前行進(jìn)障礙物保持直線行進(jìn)直線行進(jìn)機(jī)器人受到干擾行進(jìn)方向改變閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第9頁(yè)干擾原因飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)GPS信號(hào)在飛機(jī)上，我們能使用手機(jī)嗎？手機(jī)信號(hào)原始航線改變了航線閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第10頁(yè)干擾原因電冰箱溫度控制系統(tǒng)，以下情況是否屬于影響其溫度控制干擾原因開(kāi)電冰箱門

電冰箱所在房間溫度從20度變到32度

把熱菜熱飯放入電冰箱中

在電冰箱外放一盆冷水

是是是否馬上行動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第11頁(yè)干擾原因思索在下表所列控制系統(tǒng)中，可能存在哪些干擾原因？控制系統(tǒng)干擾原因自動(dòng)扶梯升降控制系統(tǒng)利用滑輪組提升重物控制裝置蔬菜大棚溫度控制扶梯承載重量、電機(jī)輸出電壓波動(dòng)等滑輪組摩擦力等棚外溫度改變、保溫材料保溫性能改變等閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第12頁(yè)干擾原因我們?cè)谏险n學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)受到哪些原因干擾呢？走廊里腳步聲、早自修包子氣味等校外汽車?yán)嚷?、夏?4℃高溫等環(huán)境干擾原因：人為干擾原因：閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第13頁(yè)干擾原因科學(xué)試驗(yàn)證實(shí)，假如人長(zhǎng)時(shí)間處于沒(méi)有聲音，沒(méi)有外界環(huán)境干擾，人聽(tīng)覺(jué)會(huì)失常，饑渴，并可能造成人失語(yǔ)狀態(tài)，甚至?xí)屓税l(fā)瘋，就像噪音能讓人發(fā)狂一樣。思索：假如沒(méi)有干擾，行不行？思索閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第14頁(yè)干擾原因干擾利用干擾利用信息戰(zhàn)中，利用電磁波對(duì)敵方信息系統(tǒng)進(jìn)行干擾利用基因干擾療法治療頑固疾病閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第15頁(yè)干擾原因在普通控制系統(tǒng)中，干擾原因是需要克服，而在有些情況下，卻能夠利用干擾原因?qū)崿F(xiàn)某種目標(biāo)。電子干擾戰(zhàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第16頁(yè)干擾原因控制器執(zhí)行器被控對(duì)象給定值被控量干擾反饋步驟控制器執(zhí)行器被控對(duì)象給定值被控量干擾比較器干擾對(duì)控制功效影響閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第17頁(yè)干擾原因思索與分析

在出現(xiàn)干擾情況下，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)哪種受干擾影響??？為何？

閉環(huán)控制系統(tǒng)受影響較小，因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)能不停修正控制效果。雨天交通病毒攻擊手機(jī)干擾飛機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第18頁(yè)干擾原因綜合分析

閉環(huán)控制系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)含有更加好抗干擾能力，那么是否都應(yīng)該用閉環(huán)控制代替開(kāi)環(huán)控制？

是否采取閉環(huán)控制主要看對(duì)控制系統(tǒng)要求（如成本、控制要求）。

例子：空調(diào)和風(fēng)扇使用選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第19頁(yè)干擾原因克服基本方法：電視信號(hào)傳輸過(guò)程中往往采取鐵殼屏蔽分支器找出干擾源，切斷干擾1、消除干擾2、減弱干擾飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)手機(jī)信號(hào)GPS信號(hào)航線X閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第20頁(yè)干擾原因3.我們也能夠加強(qiáng)控制系統(tǒng)性能來(lái)提升抗干擾能力。比較慣用就是在控制系統(tǒng)中引入反饋?？刂葡到y(tǒng)控制器被控對(duì)象執(zhí)行器輸入輸出檢測(cè)裝置干擾利用什么是反饋呢？克服基本方法：閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第21頁(yè)反饋控制系統(tǒng)中，將輸出量經(jīng)過(guò)適當(dāng)檢測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較過(guò)程，就是反饋比如：投籃工作過(guò)程：給定量（籃圈位置）控制器（大腦）執(zhí)行器（手）被控對(duì)象（籃球）+被控對(duì)象（籃球?qū)嶋H投擲位置）檢測(cè)裝置（眼睛）-二、反饋含義閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第22頁(yè)反饋二、反饋含義反饋在我們控制系統(tǒng)中是普遍存在，閉環(huán)控制中必定存在反饋思索：還有哪些控制系統(tǒng)中存在反饋？控制系統(tǒng)有沒(méi)有反饋定時(shí)紅綠燈無(wú)電飯煲恒溫溫室有有閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第23頁(yè)反饋馬上行動(dòng)事例輸入檢測(cè)裝置輸出投擲飛鏢線位置線與針孔對(duì)準(zhǔn)人眼睛人眼睛靶位置(期望值)人眼睛飛鏢實(shí)際投擲位置籃圈位置籃球?qū)嶋H投擲位置投籃“穿針引線”花房恒溫自動(dòng)控制設(shè)定溫度溫度檢測(cè)裝置花房溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第24頁(yè)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過(guò)程

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在系統(tǒng)輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)關(guān)鍵是經(jīng)過(guò)反饋來(lái)降低被控量（輸出量）偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第25頁(yè)反饋案例分析：水位自動(dòng)調(diào)整過(guò)程：水箱水箱中水位給定水位電氣控制閥門水流量浮球比較器干擾①供水水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第26頁(yè)反饋案例分析：爐溫調(diào)整過(guò)程：加熱爐爐內(nèi)溫度給定溫度微機(jī)控制加熱器熱量熱電偶比較器干擾②加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第27頁(yè)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過(guò)程閉環(huán)控制系統(tǒng)關(guān)鍵是經(jīng)過(guò)反饋來(lái)降低被控量（輸出量）偏差。所以一個(gè)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。反饋步驟控制器執(zhí)行器被控對(duì)象給定值被控量干擾比較器閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第28頁(yè)總結(jié)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)區(qū)分1、信號(hào)傳輸通道差異：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：只有正向傳輸通道，閉環(huán)控制系統(tǒng)：有正向通道和反饋通道。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：給定步驟閉環(huán)控制系統(tǒng)：給定步驟、比較步驟、檢測(cè)步驟。3、控制方式差異:

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：有偏差靠人工控制閉環(huán)控制系統(tǒng)：對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第29頁(yè)總結(jié)：閉環(huán)控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)能否自動(dòng)調(diào)整和賠償控制精度結(jié)構(gòu)適用場(chǎng)所不能能相對(duì)低高相對(duì)簡(jiǎn)單相對(duì)復(fù)雜控制精度要求不高而系統(tǒng)本身元件又比較穩(wěn)定場(chǎng)所要求高精度和可靠性場(chǎng)所閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第30頁(yè)功效模擬方法功效模擬法：以功效和行為相同性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”功效和行為方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第31頁(yè)功效模擬方法以功效和行為相同性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”功效和行為方法，就是功效模擬法。功效模擬方法是由美國(guó)數(shù)學(xué)家維納提出，他揭示了機(jī)器中通信和控制機(jī)能與人神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能共同規(guī)律。功效模擬法為仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科提供了科學(xué)方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第32頁(yè)黑箱方法你是怎樣挑選西瓜？西瓜看、聽(tīng)、拍生或熟閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第33頁(yè)黑箱方法

在生活中，有時(shí)我們需要認(rèn)識(shí)對(duì)象內(nèi)部無(wú)法打開(kāi)或不便打開(kāi)，這時(shí)，能夠經(jīng)過(guò)觀察和考查它輸入與輸出關(guān)系來(lái)推測(cè)其內(nèi)部特征和功效。黑箱方法就是經(jīng)過(guò)觀察黑箱外部輸入信息（外界對(duì)黑箱影響）和輸出信息（黑箱對(duì)外界反應(yīng)），以研究和認(rèn)識(shí)其功效、特征、結(jié)構(gòu)、機(jī)理科學(xué)方法?？刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第34頁(yè)黑箱方法列舉黑箱方法應(yīng)用例子，并填寫下表。黑箱方法應(yīng)用例子輸入輸出需要了解情況判斷生熟雞蛋搖、轉(zhuǎn)、看生或熟旋轉(zhuǎn)速度中醫(yī)診療病情望、聞、問(wèn)、切是否健康氣色、舌苔、脈搏等B超探測(cè)胎兒性別B型超聲波超聲圖象胎兒性別了解計(jì)算機(jī)基本性能運(yùn)行應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)反應(yīng)計(jì)算機(jī)基本性能好壞閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第35頁(yè)黑箱方法黑箱方法便于研究那些既不能打開(kāi)又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)系統(tǒng)；便于研究規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原因繁多，功效錯(cuò)綜系統(tǒng)。如生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)等。黑箱方法從綜合角度為人們提供了一條認(rèn)識(shí)事物主要路徑。閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第36頁(yè)干擾原因：除輸入量（給定量）以外，引發(fā)被控量改變各種原因干擾有壞處，也有好處。干擾來(lái)自環(huán)境，也可能來(lái)自人為；系統(tǒng)各個(gè)步驟都可能被干擾；開(kāi)環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)都存在干擾。反饋：將輸出量經(jīng)過(guò)適當(dāng)檢測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較過(guò)程。閉環(huán)控制系統(tǒng)存在反饋，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)工作過(guò)程閉環(huán)控制系統(tǒng)關(guān)鍵閉環(huán)控制系統(tǒng)關(guān)鍵是：經(jīng)過(guò)反饋來(lái)降低被控量（輸出量）偏差。一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使控制量控制在給定值附近。功效模擬方法和黑箱方法：⑴功效模擬法：以功效和行為相同性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”功效和行為方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是一個(gè)功效模擬法，模擬人控制功效。⑵黑箱方法：把系統(tǒng)看作黑箱，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功效方法。比如：醫(yī)學(xué)B超檢測(cè)。小結(jié)：閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第37頁(yè)（3月浙江高考）監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)（如圖所表示）被廣泛用于統(tǒng)計(jì)道路交通實(shí)時(shí)圖像信息。對(duì)于監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)，以下環(huán)境原因中不屬于干擾原因是（）A噪聲B濃霧C閃電D沙塵練習(xí)答案：A閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第38頁(yè)如圖所表示是數(shù)控機(jī)床位置控制系統(tǒng)示意圖。檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際位移，并將該位移值傳輸給數(shù)控裝置與設(shè)定位移量進(jìn)行比較，數(shù)控裝置依據(jù)比較偏差值控制伺服裝置運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)抵達(dá)指定位置。（1）依據(jù)示意圖及其描述，在控制系統(tǒng)框圖中“▲”處填寫對(duì)應(yīng)內(nèi)容。（2）實(shí)際位移量與設(shè)定位移量比較是由▲完成(從①檢測(cè)裝置；②數(shù)控裝置；③輸入裝置；④伺服裝置中選擇一項(xiàng)，將序號(hào)填在“▲”處)。練習(xí)設(shè)定位移值伺服裝置機(jī)床實(shí)際位移值②9月浙江省高考檢測(cè)裝置閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋第39頁(yè)（3月浙江高考）以下方法中不屬于黑箱方法是A、用儀器測(cè)試集成電路輸出信號(hào)判斷集成電路功效B、