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4.3闭环控制系统的干扰与反馈ppt


第四单元 控制与设计
闭环控制系统的干扰和反馈
华甫中学通用技术备课组

章 节 构 成
学习目标:

1、干扰因素 2、反馈 3、功能模拟方法 4、黑箱方法

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程
4、了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用

一、干扰因素
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。 风 应保持的速度
自行车

行车速度

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成为干扰因素
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。

马上行动
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? (1)开电冰箱门 (2)电冰箱所在房间的温度 从20C变到30C; (3)把热菜或热饭放入电冰箱中; (4)在电冰箱外放一盆冷水。

思考
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 干扰因素

蔬菜大棚的温度控制

案例分析
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。

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,我们需要以谨慎、 严谨的态度对待干扰因素的利用。

马上行动
生活中哪些干扰因素是可以利用的?如何 进行利用?

辩论
如何看待控制系统中的干扰因素,请进行 一下辩论。 正方:干扰因素都市需要克服的。

反方:干扰因素有时也可以被利用。

二、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)

案例分析:投篮
许宁在体育课上练习立定投篮时,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,他吸取了第一次的经验,减小了用力,但由于用力过 小,篮球没有碰到篮圈。 第三次投掷,他吸取了前两次的

经验,终于投中了。

在这里,可以将人看作控 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。

投篮的工作过程可用下图描述:
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

人在驾车时,要使运行中的骑车保持40km/h的速度 不变,司机需要目视速度计(监测装置),然后与给定 值(40km/h)进行比较、运算,若与给定值有偏差,就 通过调节加速器或自动器(即踩油门或踩刹车)来增减 速度。因此,反馈使驾驶工作过程形成了一个闭环: 检测--比较--运算--操作--监测,如此反复, 直到被控量的值与给定值一致为止。

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,成为反馈方法。 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。

马上行动
分析“穿针引线”的动作过程,并补充一个 适当的事例填写下表。









检测装置





“穿针引线”

小试验
试验目的:通过视力保护提醒器报警试验理解反 馈的远离。
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。

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植 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,是被控量控制在给定植附近。

案例分析
供水水箱的水位自动控制系统 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植比较,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,使水位回升到给定植;反之,当出水流 量减小时,通过控制器调节阀门,将阀门关小, 使水位回到给定植的位置。 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。

案例分析
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。

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。也就是说由于某种干扰信号的作用 使输出信号出现非正常状态时系统本身没有自动 纠正的能力,要进行纠正,必须借助于人工。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。但如果控制系统中个组成元件的特 性比较稳定,而且外界的干扰相对较小,则开环 控制系统也可以保持一定的精度。开环控制系统 一般结构简单,使用于控制精度要求不高而系统 本身的元件又比较稳定的场合。

闭环控制系统的优点是控制精度高,不论何 种原因造成系统的输出量偏离给定植,闭环控制 系统都会产生控制作用来减小这一偏差。于开环 控制系统相比,闭环控制系统的设计比较麻烦, 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。

马上行动
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。

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。

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 的大脑太复杂啦。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。也就是说,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。例如: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。

阅读:功能模拟方法的提出
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。 参加研究的美国科学家挨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。

黑箱方法
在生活中,有时我们需要哦认识的对象的内部 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、 切”来了解病人的病况,最后对病情作出判断; 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。 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。

马上行动:
列举黑箱方法应用的例子,并填写下表。
黑箱方法应用的例子

输 入

输 出

需要了解的情况

练习:
1.某花农正在筹建一个小型花房,花房的温度冬 季一般控制在18? C左右,夏季一般控制在25C左 右。请画出花房的温度控制系统的方框图,简要 说明它的工作过程。 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。 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。


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