閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

三閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋【學習目標］節(jié)次考試內(nèi)容考核要求考試屬性閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋①反饋的含義必考+加試b②簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素c③閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)的作用b④閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程b⑤功能模擬方法和黑箱方法a知識梳理 要點講般陳層突破一、干擾因素定義: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。干擾不僅是外界對控制系統(tǒng)的影響，同時也包括控制系統(tǒng)內(nèi)部對控制的影響。來源問題。有的干擾因素是由于坯境造成的，如影響自行車行駛速度變化的自然風等；有的干擾因素是人為原因所致。數(shù)量問題。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。處理問題?？刂葡到y(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。利用問題。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。二、反饋反饋的含義自動控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程稱為反饋。反饋方法：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)沿著預期的目標運行的方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)的作用將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置，返回到輸入端并與輸入量（給定值）進行比較，從而減少輸出量的偏差，使系統(tǒng)的被控量控制在給定值附近。系統(tǒng)的輸出量返回輸入端參與整個控制過程，即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，其核心是通過反饋減少輸出量的偏差。4．閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程當干擾因素作用在閉環(huán)控制系統(tǒng)上時，會引起系統(tǒng)輸出量（被控量）偏離給定值；此時閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測裝置能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較；然后控制器根據(jù)比較得到偏差信號控制執(zhí)行器工作，執(zhí)行器得到指令后直接控制被控對象進行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。5．開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)能否自動調(diào)整和補償不能能控制精度相對低相對高結(jié)構(gòu)相對簡單相對復雜適用場合控制精度要求不咼而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場合要求咼精度和咼可靠性的場合三、功能模擬方法功能模擬方法就是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法。四、黑箱方法把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，講而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。典型例題董點難點昔*憲破【例1】恒溫式燃氣熱水器的溫度控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制。下列因素中，不屬于該溫度控制系統(tǒng)干擾因素的是（ ）燃氣的流量B.進水的流量C.進水的溫度D.出水的溫度答案D解析本題考查控制系統(tǒng)的干擾因素。在控制系統(tǒng)中，除了輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素，而答案D出水的溫度是被控量，并且燃氣的流量、進水的流量、進水的溫度都會造成燃氣熱水器出水溫度的變化。所以D出水的溫度不屬于該溫度控制系統(tǒng)的干擾因素?！纠?小強用恒溫箱進行實驗時，發(fā)現(xiàn)恒溫箱的溫度持續(xù)升高，無法自動控制。為了弄清原因，小強通過多次設(shè)定不同溫度，觀察溫度是否都會持續(xù)升高。經(jīng)檢查，恒溫箱的控制器沒有故障。參照圖1，下列分析正確的是（ ）圖1只可能是熱敏電阻出現(xiàn)故障只可能是溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障熱敏電阻和溫度設(shè)定裝置都可能出現(xiàn)故障可能是加熱器出現(xiàn)故障答案C解析本題考查黑箱方法，黑箱方法把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。設(shè)定不同溫度為系統(tǒng)輸入，溫度是否會持續(xù)升高為系統(tǒng)輸出，所以為黑箱方法。如控制器沒有出現(xiàn)問題，則有可能是執(zhí)行器或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)問題，具體就是熱敏電阻或溫度設(shè)定裝置出現(xiàn)故障。【例3太陽能熱水器是利用太陽的能量將水加熱的裝置，由集熱管、水箱、支架及相關(guān)附件組成。太陽能熱水箱一般都帶有水位自動控制系統(tǒng)，當水箱水位低于設(shè)定水位時，能夠自動加水。如果發(fā)現(xiàn)太陽能熱水器一直處于加水狀態(tài)，你認為不可能的原因是（）水箱漏水 B.出水管漏水C.集熱管底部有異物沉積 D.控制器壞了答案C解析本題考查控制系統(tǒng)運行的干擾因素及閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程。干擾因素可能存在于控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，如作用于被控對象（水箱或水箱里的水）的干擾因素有水箱漏水、出水管漏水，也可以作用于執(zhí)行器（如進水閥門工作異常）、控制器（如控制器壞了）、檢測裝置（如水位檢測裝置無法正常檢測實際水位等，所以選項A,B,D都有可能使熱水器一直處于加水狀態(tài)。而選項C集熱管底部有異物沉積導致的是集熱管里總水量的減少，但并不影響熱水器內(nèi)的加水狀態(tài)?！纠?（2014.浙江）如圖2所示是液體原料定量控制系統(tǒng)。其工作過程是：流量計檢測到流出的液體原料流量值，把信號反饋給控制器，與設(shè)定的流量值進行比較，達到設(shè)定的流量值時控制器控制桶泵關(guān)閉。請回答下列問題。圖2該控制系統(tǒng)的檢測裝置與被控量分別是 、 (在“ ”處填寫相應(yīng)的內(nèi)容)。該控制系統(tǒng)的流量計損壞，不可能造成 (在①桶泵運行不止；②計量不準確；③軟管損壞中選擇一項，將序號填寫在“ ”處)。在桶泵停止運行后，由于軟管中的原料具有慣性會繼續(xù)流動，導致誤差。為了提高計量精度,以下對該系統(tǒng)進行優(yōu)化的措施中合適的是 (在①減小軟管的直徑；②提高流量計的計量精度；③在軟管出口端加電磁閥與桶泵同步控制中選擇一項 ，將序號填寫在“ ”處)。答案(1)流量計實際流量值(2)③(3)③解析(1)本題考查控制系統(tǒng)的工作過程與方式和對反饋的理解。閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋是通過檢測裝置把輸出量(被控量)送回到輸入端與輸入量進行比較的過程。本題流量計檢測到流出的液體原料流量值，把信號反饋給控制器，與設(shè)定的流量值進行比較，所以檢測裝置是流量計，而被控量就是流量值。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，比較器要能對給定量(輸入量)和被控量(輸出量)進行比較，它們必須是相同的物理量，只是給定量是設(shè)定的，而被控量是實際的。(2)本題考查工作過程分析，流量計損壞，意味著沒有反饋，也就變成開環(huán)控制，所以只有③不可能發(fā)生。(3)本題考查系統(tǒng)優(yōu)化分析，③中能起到同步關(guān)閉，從而減小誤差。產(chǎn)思維啟迪■ )有的開環(huán)控制系統(tǒng)也有檢測裝置。一般“恒值”控制都是屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。能充分理解閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程：當輸出量和設(shè)定量接近時，閉環(huán)控制系統(tǒng)就處于一種平衡狀態(tài)。由于干擾的存在，實際輸出量會偏離設(shè)定值，檢測裝置檢測到輸出量的變化，并把它送到輸入端，與設(shè)定值比較(反饋)，偏差信號被控制器處理，送出指令讓執(zhí)行器工作，把輸出量拉回到設(shè)定值附近，從而使被控量保持在設(shè)定值附近，提高了控制的精度?？刂七^程一般都會在題干中清楚描述出來，一般都會結(jié)合示意圖加以描述，所以做控制系統(tǒng)的大題，認真閱讀題目就顯得特別重要。被控對象往往是溫度、位置、形態(tài)等發(fā)生變化的物體，而被控量往往是某種物理量或狀態(tài)量或動作等。閉環(huán)控制系統(tǒng)的抗干擾能力也是有限的，假如對輸出量控制精度要求不高，一般就采用開環(huán)控制系統(tǒng)，比較簡單也便宜些。閉環(huán)控制方框圖各環(huán)節(jié)如何確定：被控量是哪個物理量？——可以確定輸入量、輸出量和檢測裝置；被控量的位置(哪里的量)——可以確定被控對象；被控量是通過哪個部件工作直接變化的？——可以確定執(zhí)行器；執(zhí)行器受控于哪個裝置？——可以確定控制器。達標檢測 當堂檢測譏固反情一、選擇題1．下列關(guān)于干擾因素對控制系統(tǒng)的作用，說法正確的是( )干擾因素僅作用在被控量上干擾因素不會作用于開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)中干擾因素的作用都會反映在輸出量的變化上干擾因素都是可以利用的答案C2．感應(yīng)水龍頭的出水控制系統(tǒng)為開環(huán)控制，當手靠近感應(yīng)區(qū)域時，水就會自動流出。下列判斷正確的是( )該控制系統(tǒng)有檢測環(huán)節(jié)該控制系統(tǒng)有反饋環(huán)節(jié)該控制系統(tǒng)的控制器是水龍頭該控制系統(tǒng)能保持出水量穩(wěn)定答案A3.(2012.浙江)下列方法中不屬于黑箱方法的是()用儀器測試集成電路輸出信號判斷集成電路的功能通過腦電波檢查診斷病人大腦的狀況列車司機用錘子敲擊車輪，通過聲音判斷有無故障通過胃鏡檢查診斷病人的胃部疾病答案D4．城市路燈利用光控裝置進行控制。在安裝調(diào)試中，如果不慎把光敏電阻的感光面對著路燈的燈泡，則接通電源后，路燈可能出現(xiàn)的現(xiàn)象是( )白天一直亮，晚上一直滅白天一直滅，晚上一直亮白天一直滅，晚上亮滅交替白天一直亮，晚上亮滅交替答案C(2011?浙江)監(jiān)控攝像系統(tǒng)(如圖3所示)被廣泛用于記錄道路交通實時圖像信息。對于監(jiān)控攝像系統(tǒng)，下列環(huán)境因素中不屬于干擾因素的是( )圖3噪聲 B.濃霧C.閃電 D.沙塵答案A(2010.浙江)如圖4所示為中科院研發(fā)的一款智能機器人，能模仿人唱歌、跳舞等。這種用機器人模仿人的功能和行為的方法屬于( )圖4黑箱方法B.移植方法C.虛擬方法D.功能模擬方法答案D下列事例不屬于功能模擬方法的是( )A.電H沾人丁棋氏機船人洗衣服匕在電腦匕畫圖A.電H沾人丁棋氏機船人洗衣服匕在電腦匕畫圖答案C8．下列行為不屬于黑箱方法的是( )A.中廣把肚 TL聽拍打蟲挑兩血A.中廣把肚 TL聽拍打蟲挑兩血仁地下管逍聽逡D.口腔檢杳答案D9．使用者雖然不一定懂得電視機內(nèi)部的構(gòu)造和機理，卻知道按哪個開關(guān)打開它，調(diào)整哪些開關(guān)可以得到清晰穩(wěn)定的畫面效果，從外部情況判斷簡單的故障。這是 的一種具體應(yīng)用。( )A.功能模擬方法B.黑箱方法C.反饋方法D.控制方法答案B10.如圖5所示是某家庭用抽水馬桶的水箱結(jié)構(gòu)示意圖，為了提高抽水馬桶水箱內(nèi)水位的高度，適宜采取的措施是( )連稈浮子世水閥進水U適宜采取的措施是( )連稈浮子世水閥進水U出水口祖水口圖5往水箱放一些石頭縮短連桿的長度增大浮球的直徑增加連桿的長度答案B如圖6所示是消防管網(wǎng)的水壓控制系統(tǒng)工作示意圖。當消防管網(wǎng)壓力降至壓力下限時，水泵啟動，使壓力上升；當消防管網(wǎng)壓力達到上限時，水泵停止運行，使消防管網(wǎng)壓力保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。據(jù)此回答第11?12題。圖6TOC\o"1-5"\h\z11．該控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是( )A.水壓檢測裝置B.電控單元C.壓力罐D(zhuǎn).水泵答案D電壓、溫度等變化會影響輸出量的穩(wěn)定，這些影響被稱為該控制系統(tǒng)的( )A.反饋B.干擾C.被控量D.控制量答案B打開房間窗戶屬于空調(diào)房間空調(diào)溫度自動控制的干擾因素，是由于( )打開房間窗戶會引起房間設(shè)定溫度的變化打開房間窗戶會引起房間實際溫度的變化打開房間窗戶會損壞空調(diào)，帶來安全隱患打開房間窗戶會使壓縮機工作，增加能耗答案B如圖7所示是小劉同學設(shè)計的花盆土壤濕度控制系統(tǒng)示意圖。其工作原理是：控制電路將探頭測得的濕度值與設(shè)定值比較，根據(jù)偏差值控制電磁閥門打開或關(guān)閉，使土壤濕度值達到設(shè)定值。據(jù)此回答第14?15題。圖7判定該控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制方式的理由是( )探頭能檢測土壤濕度控制電路能發(fā)出控制命令閥門參與水流控制探頭參與反饋過程答案D電磁閥門屬于該控制系統(tǒng)的( )

A.反饋元件B.輸入元件C.執(zhí)行器D.控制器答案C如圖8所示公共場所的消防報警控制系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初期將燃燒產(chǎn)生的煙霧、熱量和光輻射等物理量，通過感溫、感煙和感光等火災(zāi)探測器變成電信號，傳輸?shù)交馂?zāi)報警控制模塊，經(jīng)其處理后確定是否啟動報警系統(tǒng)。如果在安裝消防報警控制系統(tǒng)時損壞了煙霧傳感器，那么下列情況不可能發(fā)生的是( )么下列情況不可能發(fā)生的是( )圖8A.場所內(nèi)有明火則啟動報警系統(tǒng)B?場所內(nèi)有濃煙則啟動報警系統(tǒng)C.場所內(nèi)溫度升高則啟動報警系統(tǒng)D.控制系統(tǒng)失去部分報警功能答案B二、非選擇題17．在實驗室中常用“水浴器”來保持物體處于恒溫狀態(tài)。如圖9甲所示，水浴器通過溫度選擇器來設(shè)定所需要的水溫。通過電子線路實現(xiàn)對加熱器的控制。通過溫度傳感器檢測水溫，并以電子信號形式傳遞給控制端，控制裝置將這個信號與來自溫度選擇器的信號進行比較，從而使水浴器保持恒溫。比較韜—?-電子控制執(zhí)行器③披控址從而使水浴器保持恒溫。比較韜—?-電子控制執(zhí)行器③披控址鯊陸溫度圖9根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖及其描述，完成控制系統(tǒng)方框圖乙。① ② ③ ④ ⑤ 控制過程中，通過溫度傳感器檢測水溫，并以電子信號形式傳遞給控制端，控制裝置將這個信號與來自溫度選擇器的信號進行比較。這個過程為 。答案(1)①給定溫度②控制器③加熱器④水浴器內(nèi)箱⑤溫度傳感器(2)反饋18.(2015?浙江)如圖10所示是自動變速扶梯系統(tǒng)控制過程示意圖。無乘客時，扶梯緩慢運行；當乘客進入檢測傳感器的檢測范圍時，控制器接收到傳感器的檢測信號，控制電動機和傳動裝置加速轉(zhuǎn)動，扶梯正常運行。請回答下列各題：也動機 轉(zhuǎn)曲裝ii檢測特感器裝置加速轉(zhuǎn)動，扶梯正常運行。請回答下列各題：也動機 轉(zhuǎn)曲裝ii檢測特感器f控制器圖10(1)根據(jù)示意圖及描述，分析自動扶梯系統(tǒng)控制過程，在方框圖中“ ”處填寫相應(yīng)的內(nèi)容：控制器② I控制器② I一|③ 匡=為防止扶梯加速使乘客站立不穩(wěn)，檢測傳感器的安裝位置應(yīng)在 (①乘客進入扶梯踏步前；②乘客進入扶梯踏步后中選擇一項，將序號填寫在“ ”處)；該系統(tǒng)在運行時需要解決下面的問題，當乘客進入檢測傳感器檢測范圍時，扶梯正常運行，當乘客隨著扶梯運行離開檢測范圍后，