第四单元 3.闭环控制系统的干扰与反馈

[e-mail]桐乡一中执教：沈云丰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三．闭环控制系统的干扰与反馈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学习目标:四．控制系统的设计与实施在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素。应保持的速度自行车行车速度风1.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。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。⑴开电冰箱门；⑵电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃；⑶把热菜或热饭放入电冰箱中；⑷在电冰箱外放一盆冷水。是是非非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？控制系统干扰因素自动扶梯的升降控制系统自动扶梯的承载量，电梯输入电压的波动利用滑轮组提升重物的控制装置滑轮组的摩擦力蔬菜大棚的温度控制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在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？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。109电视机在一般控制系统中，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。电子干扰战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。P109答：电磁波干扰信号。用来屏蔽手机信号,从而防止考试作弊。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，就是反馈（feedback）。①什么是反馈？电冰箱的温度控制×设定温度比较器主弹簧及连接杆活动触点压缩机电冰箱检测反馈装置电冰箱工作温度制冷量﹢﹣110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。反馈方法分析花房恒温自动控制的工作过程，并再补充一个闭环自动控制的事例填写下表。自动控制系统输入量检测装置输出量花房恒温自动控制设定的温度温度传感器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。视力保护提醒器报警试验P111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。供水水箱的水位自动控制系统112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。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。113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。控制器执行器被控对象给定值被控量干扰反馈环节控制器执行器被控对象给定值被控量干扰比较器干扰对控制功能的影响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不能能控制精度比较低高结构简单相对复杂成本较低较高适用场合控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合要求高精度和高可靠性的场合P114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。3.功能模拟方法•左图是加热炉温度手动控制系统示意图。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。对人脑的模拟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。功能模拟方法的提出P1154.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、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。西瓜看、听、拍生或熟控制系统系统的输入系统的输出•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。•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。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：根据旋转速度怎样判断生熟鸡蛋？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