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第四单元 3.闭环控制系统的干扰与反馈


第四单元 控制与设计
一.控制的手段与应
用 二.控制系统的工作过 程与方式

学习目标:
1. 能结合案例找出影响简单控制 系统运行的主要干扰因素,并作 分析 2.熟悉闭环控制系统中反馈环节 的作用。 3.熟悉闭环控制系统的工作过。 4.了解功能模拟方法和黑箱方法 在控制系统中的应用

干扰与反馈 四.控制系

统的设计与
2012.4

三.

桐乡一中 闭环控制系统的 执教:沈云丰

实施

sunj2@163.com

1. 干扰因素
在控制系统中,除输入量(给定值) 以外,引起被控量变化的各种因素。
在日常生活中,干扰(interference)是时常 存在的。例如,人在逆风中骑自行车,逆风对自行 车的速度构成干扰,要保持速度不变,人就需要用 力蹬车,以克服这一干扰;在飞机飞行过程中,手 机信号对导航信号构成干扰,直接影响飞行安全, 所以乘客必须关闭手机。

应保持的速度 自行车 行车速度

有的干扰因素是由于环境造成的,如影 响自行车行驶速度的变化的自然风雨等;

有的干扰因素是人为原因所致,如影响 飞机导航信号的手机信号等。

控制系统中,干扰因素可能有一个,也可能有 若干个。如战士在大风大雨中进行射击练习,风和 雨都是子弹命中准确度的干扰因素。

控制系统在工作过程中必须克服干扰,使被控量 稳定。空调器的温度控制系统是闭环控制系统,它能 克服室外温度变化这一干扰,当室外温度升高时,空 调器监测出干扰引起的室内温度变化,通过启动压缩 机降温来克服这一干扰,使室温保持稳定。

P108

在电冰箱的温度控制系 统中,下列情况是否属于影 响其温度控制的干扰因素?

⑴开电冰箱门; 是 ⑵电冰箱所在房间的温度从 20℃变到32℃; 非 ⑶把热菜或热饭放入电冰箱 中; 是 ⑷在电冰箱外放一盆冷水。 非

在下表所列控制系统中, 可能存在哪些干扰因素?
控制系统 自动扶梯的升降 控制系统 利用滑轮组提升重物 的控制装置 蔬菜大棚的温度控制 干扰因素 自动扶梯的承载量,电 梯输入电压的波动

滑轮组的摩擦力
大棚外的环境温度变化, 大棚保温材料的保温性 能发生改变

109

电视机

电视机有时在正常工作时,突然出现图像闪烁厉害或画面 紊乱等情况,这是由于它受到外界磁场干扰所导致的现象。 如果在电视机周围放置一台电冰箱,当电冰箱启动工作时, 会形成一定范围的磁场,将对电视机的图像造成干扰,使其画 面紊乱。又如,空调器在工作时也会向周围空间发射大量的电 磁波,如果电视机与空调器的距离很近,电磁波将对电视机图 像造成干扰。此外,电风扇、日光灯等电器也会对电视机产生 不同程度的磁场干扰,从而导致电 视机的图像出现抖动,波纹等现象。 电视机最忌磁场干扰,这些近距离的 家用电器所形成的磁场,就是电视机正常 工作时的干扰因素。克服这些干扰因素的 办法就是将家用电器远离电视机放置。

电子干扰战

在一般控制系统中,干扰因素 是需要克服的。而在有些情况下, 却可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中, 红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进 行干扰,使之不能正常工作。但在生产生活中,我们 需以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。

生活中哪些干扰因素是可 P109 以利用的?如何进行利用? 答:电磁波干扰信号。用来屏蔽手机信 号,从而防止考试作弊。

辩论:
如何看待控制系统中的干扰因素,请 进行以下辩论。 正方:干扰因素都是需要克服的。

反方:干扰因素有时也可以被利用。

2. 反馈
①什么是反馈?

控制系统中,将输出量 通过适当的检测装置返回到 输入端并与输入量进行比较 的过程,就是反馈 (feedback)。

110

电冰箱的温度控制

设定 比较器 温度

﹢ ×



主弹簧 及连接 杆

制冷量

活动 触点 检测反馈装置

压缩机 电冰箱

电冰箱 工作温度

反馈方法
利用反馈来分析和处理被控对象,通过 系统的输出来调整系统的行为,使系统沿着 预期的目标运行的方法,称为反馈方法。
如普通电水壶将水加热至沸腾时,需要人工关闭电 源,而自动电水壶具有当水沸腾时自动切断电源的 功能,这就是运动反馈方法实现自动控制的结果。

分析花房恒温自动控制的工作 P111 过程,并再补充一个闭环自动控 制的事例填写下表。
自动控制 系统
花房恒温自动 控制

输入量
设定的温度

检测装置
温度传感器

输出量
花房的温度

投掷飞镖

靶的位置 (期望值)

人的眼睛

飞镖实际投 掷的位置

P111

视力保护提醒器报警试验

试验目的:通过视力保护提醒器报警试验理解反馈 的原理。 试验准备:
有窗帘的房间,可调光台灯(或可调灯泡高度的台灯),试验电路 板,光敏电阻,微调电阻三极管,小喇叭,电阻,导线,电池盒等。

试验过程:
根据电路图焊接视力保护提醒器的电路,并根据人眼看书时适宜的 亮度范围,通过调节电路中的两个可变电阻Rp1和Rp2分别调整亮度的下 限和上限。 拉上窗帘使室内光线变暗。 把做好的视力保护提醒器与台灯同放在一个桌面上,通过可调光旋 钮或跳高台灯灯泡与桌面的距离,将台灯的光线逐渐调暗,是光线渐渐 减弱,观察视力保护提醒器,直到它报警。 用同样的方法将台灯调亮,使光线渐渐增强,观察视力保护提醒器, 直到它报警。

试验总结:
在视力保护提醒器内部已经设定两个可变电阻 的阻值,分别对应着强光和弱光报警的上、下限电 流值,这相当于一个已知的输入信号。当台灯光线 的输出信号通过光敏电阻反馈到视力保护提醒器内, 电路电流值与上、下限电流值比较,当电流值在这 两者之间时,电路不报警;当光线过暗或过强,提 醒器就报警,提醒人们电灯的光线过暗或过亮,人 们再根据这一提示调节可变电阻值,从而调整光线 的亮度。 视力保护提醒器利用了反馈原理,可用于提示 学生用眼卫生。

② 闭环控制系统的工作过程
从反馈来看,闭环控制系统就是指在系统的输 出端与输入端之间存在反馈回路,输出量对控制过 程产生影响的控制系统。闭环控制系统的核心是通 过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。 由于某种干扰因素的存在,系统的被控量偏离 给定值时,闭环控制系统中的反馈环节能及时检测 出被控量的值,并迅速反馈到输入端,与给定值进 行比较,控制器根据比较得到的偏差信号进行调节, 从而使系统的被控量接近给定值,达到精确控制的 目的。所以,一个闭环控制系统,能够克服外界干 扰,使被控量控制在给定值附近。

供水水箱的水位自动控制系统
112

供水水箱水 位的自动控制 在生活中应用 较多,如楼宇 的水塔,其目 的是使水箱中 的水位保持在 给定的高度。

控制系统有控制 器、执行器、被控对 象和检测器等组成。 被控对象:水箱; 被控量:水箱中的水位; 执行器:阀门; 控制器:机械或电气控制装置; 监测器:浮球或液位传感器,是控制系统的反馈环节

水位的自动调整过程:
当水箱的出水流量加大时,水位下降,液位传 感器测出水位后与给定值比较,其偏差值进入控制 器,通过控制器的输出信号调节阀门,将阀门开大,

使水位回升到给定值;反之,当出水流量减小时,
通过控制器调节阀门,将阀门关小,使水位回到给

定值的位置。
在这一控制系统中,影响水位控制的干扰因素 主要是水箱的出水量(即用户使用的水量)、水箱 水面蒸发的水量等。水箱的进水量是通过阀门进行 控制的,它是该系统的控制量。

113

加热炉的温度自动控制系统

加热炉的温度自动控制系统是闭环控制系统。 控制系统有控制器、执行器、被控对象和检测器等组成。
被控对象:加热炉; 被控量:炉内温度; 执行器:炉内的加热器; 控制器:一种电子或微机 控制装置,它根据输入给 定植与检测反馈值的比较 信号控制执行器的动作; 检测器:热电偶(具有检 测和传感的作用),它将 信号返回到输入端,构成 反馈环节。

炉温的调节过程: 温度检测装置测出加热炉内的温度,并 随时与给定的温度值进行比较,若加热炉内 的温度高于给定的温度,则通过控制器调整 调压器的电压,使通过电阻丝的电流减小, 加热炉的温度下降;若加热炉内的温度低于 给定的温度,则通过控制器调整调压器的电 压,使通过电阻丝的电流增大,炉内温度上 升,并维持在正常值的范围内,从而使加热 炉的温度基本稳定在给定的温度值上。

在加热炉的温 度控制系统中, 可能有哪些干扰 因素,系统是如 何克服干扰使炉 温稳定在给定范 围内的?

③ 闭环控制系统与开环控制系统的比较
开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和 补偿。即由于某种干扰信号作用使输出信号出现非正常 状态时系统本身没有自动纠正能力,要进行纠正,须借 助人工。所以,开环控制系统的控制精确度(或称控制 精度)相对比较低。但如果控制系统中各组成元件的特 性较稳,且外界的干扰相对较小,则开环控制系统也可 保持一定精度。开环控制系统一般结构简单,适用于控 制精度要求不高而系统本身元件又较稳定的场合。 闭环控制系统的优点是控制精度高,不论何种原因 造成系统输出量偏离给定值,系统都会产生控制作用来 减小这一偏差。与开环控制系统相比,闭环控制系统的 设计较麻烦,结构也相对复杂,构成控制系统的成本较 高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种控制方 式用于要求高精度和高可靠性的场合。

干扰对控制功能的影响
干扰 给定值

控制器

执行器

被控 对象

被控量

比较器 给定值

干扰

控制器

执行器 反馈环节

被控 对象

被控量

P114

就开环控制系统和闭环控制系 统的区别与联系,设计一个图表。
开环控制系统 闭环控制系统

能否自动调整 和补偿 控制精度 结 成 构 本

不能 比较低 简单 较低
控制精度要求不高而 系统本身的元件又比 较稳定的场合

能 高 相对复杂 较高
要求高精度和高可靠 性的场合

适用场合

3. 功能模拟方法
?左图是加热炉温度手动控制系统示意图。

?

?

比较加热炉温度自动控制系统与手动控制系统,我们 发现,控制器代替人脑实现了温度控制的功能,执行 器代替人手实现了调压的功能,检测装置代替了人眼 实现了检测温度值的功能。 这种以功能和行为的相似性为基础,用“模型”模拟 “原型”的功能和行为的方法,就是功能模拟法。

对人脑的模拟
历史上曾经有过能模拟人的 动作行为的各种模型,却没有解 决从结构上模拟人的大脑进行思 考的问题,因为人的大脑太复杂 了。在没有彻底弄清人脑内部结 构和机理的情况下,必须另辟一 条新的模拟途径,这条途径不要 求从结构上去模拟人脑,而是只 要求模型在功能行为上与人脑相 似。也就是,仅仅根据模型和人 脑在功能行为上的相似,实现对 人脑的模拟。 例:在国际象棋的人机对弈中,计 算机具有与人脑类似的逻辑判断功 能,能模拟棋手的思维与人下棋。

功能模拟方法的提出
P115 在第二次世界大战中,英美等国为了打破德国法西斯的 空中优势,集中了一批优秀的科学家和工程师,研究如何使 高炮更有效的击落敌机。根据实战的需要,要求设计一种具 有控制功能的告诉计算机,它可以根据外界的各种情况,控 制高炮按照预测的位置发射炮弹,使炮弹与飞机正好在空中 的某一点相遇。 参加研究的美国数学家维纳联想起人与机器在控制自己 的行为和动作上存在相似性和共同之处,进行了艰苦的努力 和探索,突破了传统思维的束缚,揭示了机器中的通信和控 制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,提出了功能模拟 的方法,并在此基础上创立了控制论,为现代科学技术研究 提供了崭新的科学方法。

4. 黑箱方法
?

在生活中,有时我们需要认识的对象的内部无

法打开或不便打开,这时,可以通过观测和考
察它的输入和输出的关系来推测其内部的特性

和功能。例如,中医看病通过“望、闻、问、
夏天买西瓜,可以通过“看瓜形、看瓜色、听 瓜声、测弹性”来判断西瓜的成熟。这些事例 都没有打开事物直接观看内部结构,而是通过 观察外部或试验等方法来认识事物的。

切”来了解病人的病况,最后对病情作出判断;

看、听、拍

生或熟

系统的输入

西瓜

控制 系统

系统的输出

? 这种把将要研究的系统作为黑箱,通过对系统输入与 输出关系的研究,进而推断出系统内部结构及其功能的方 法,就是黑箱方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就 可以研究其内部结构和功能的方法。 ? 例如,通过输入图像、电或声音信号,观测、分析脑电波 的输出反应,研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处 理功能,得知人脑内部结构的细节,就是黑箱方法的运用。

案例:根据旋转速度怎样判断生熟鸡蛋?
生鸡蛋里的蛋黄和蛋白是液体,当我们转动 鸡蛋后,蛋壳开始旋转,而鸡蛋里面的液体由于 惯性的作用,要保持原来的静止状态,所以生鸡 蛋旋转起来比较慢。因此旋转快的是熟鸡蛋,旋 转慢的是生鸡蛋。 摇、转、看 系统的输入

鸡蛋
黑箱

生或熟 系统的输出

案例:

中医中黑箱方法的运用

中医中的“以象测脏”的方法就是原始的黑箱 方法。象就是输入\输出的信息;脏就是人体黑箱 内部的规律性联系。 中医看病主要通过“望、闻、问、切”等外部 观察作出诊断,开方抓药,有时遇到疑难杂症没有 把握时,可先投以试探性的药物,观察病人的反应, 并随时增减药物,观其疗效,一旦抓住病症就大胆 对症下药。这种从人体的输入特征入手,实施“辩 证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。其中人 的气色、舌苔、脉搏等等都是人体内部发出的信息, 即人体是否健康的反映。 中医应用黑箱方法推导人体内部规律时,主要采 用了演绎推理和类比推理。

P116

列举黑箱方法应用的例子, 并填写下表。
输 入 输 出

黑箱方法应用的 例子
判断生熟鸡蛋 中医诊断病情
B超探测胎儿性别

需要了解 的情况
生或熟
是否健康 胎儿性别
计算机基本 性能的好坏

摇、转、看
望、闻、问、切

旋转速度
气色、舌苔、 脉搏等

B型超声波

超声图象 计算机 的反应

运行应用 了解计算机的基本性能 程序

闭环控制系统的干扰与反馈 【课堂小结】

1、干扰因数:在控制系统中,除输入量(给 定值)以外,引起被控量变化的各种因素。

2、反馈:控制系统中,将输出量通过适当 的检测装置返回到输入端并与输入量进行比 较的过程。 3、功能模拟方法:以功能和行为的相似性为 基础,用“模型”模拟“原型”的功能和行 为的方法。

4、黑箱方法:把要研究的系统作为黑箱,
通过对系统输入与输出关系的研究,进而推 断出系统内部结构及其功能的方法。

P116

1.王大伯盖了一个

具有自动调节温度 的小型花房,花房 的温度冬季一般控制在18℃左右,夏季 一般控制在25℃左右。请分析它可能的 工作过程,并画出花房温度控制系统的 方框图,简要说明它的工作过程。
提示:该花房温控设备包括控制器、加热元 件和制冷元件、检测装置、比较器等。

答:花房温度控制系统的工作过程: 温度检测装置测出花房内的温度,并随时与给定温 度值进行比较,若花房内的温度高于给定的温度, 则通过控制器控制加热和制冷元件,使温度降低; 若花房内的温度低于给定的温度,则通过控制器控 制加热和制冷元件,使温度升高。从而使花房温度 基本稳定在给定的温度值内。
控制量

(制冷制 暖量)
给定量

干扰
被控量

比较器

执行器
控制器

(设定的 温度)

(控制电路)

(加热或制 冷元件)

被控对象

(花房)

(花房 温度)

检测装置

(温度传感器)

P117

2.在可调光台灯的使用中,当用手调 节旋钮时,灯的亮暗变化情况就会马 上反映出来。阐述其工作原理,并画 出这一控制系统的方框图。 控制量
输入量

(电流大小)
控制器 执行器

(设定 的档位)

(控制

(可变

被控对象

输出量

电路)

电阻)

(灯泡)

(灯泡亮度)

期望 亮度

大脑

电流大小



旋钮
眼睛

灯泡

实际 亮度

P117 3.了解帆板运动,指出帆板运动员在行进中 是怎样实现“凭风借力好行船”的,说明其 控制的过程。如果要将帆板设计成一个闭环 控制系统,你认为应该增加哪些环节,提出 你的构想。
答:帆板是靠风推动帆来行驶的,要使帆板速度最快,须转动风帆使之具 有最大的迎风面积。由于风向是不定的,因此这是个随动控制。人对风 向的观测相当于检测环节。其控制过程为:人同时观察风向和帆的角度, 经大脑判断,若帆的角度不符合风力最大要求,则大脑指挥手转动风帆 使达要求。此控制系统中,帆是被控对象,帆的角度是被控量,风向是 输入量而且是个随时而变的未知函数。 若要将帆板的控制构建成一个闭环自动控制系统,则既要安装风向探测 装置又要安装风帆角度测量装置,并使两者同步。两个测量结果同时输 入计算机控制装置中并得到误差信号,再增加一个据误差信号去转动风 帆的执行机构,以实现帆板的自动控制。

投篮中的反馈
许宁在体育课练习立定投篮时,发生了 这样的情况: 第一次投掷,由于用力太大,篮球碰到篮板 上弹了回来,没有命中。 第二持投掷,他吸取第一次的经验,减小了 用力,但由于用力过小,篮球没碰到篮圈。 第三次投掷,他吸取了前两次的经验,终于 投中了。 在这里,可将人看作控制系统,眼睛(检 测装置)把接受到的篮圈位置以及篮球实际 投掷的位置等信息输入大脑(控制器),经 大脑分析和加工处理后,发出指令,指挥手 投掷篮球(输出),直到投篮命中。
篮 圈 的 位 置

×

控制器 (大脑)

执行器 (手)
监测装置(眼睛)

被控对象 (篮球)

篮球 实际 投掷 的位 置


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