資源簡(jiǎn)介

(共35張PPT)
第四單元 控制與設(shè)計(jì)
閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾和反饋
華甫中學(xué)通用技術(shù)備課組
1、干擾因素
2、反饋
3、功能模擬方法
4、黑箱方法
學(xué)習(xí)目標(biāo)：
1、能結(jié)合案例找出影響簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾因素，并作分析。
2、熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)的作用。
3、熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程
4、了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
章節(jié)構(gòu)成
一、干擾因素
在日常生活中，干擾（interference）是時(shí)常存在的。例如，人在逆風(fēng)中騎自行車，逆風(fēng)對(duì)自行車的速度構(gòu)成干擾，要保持速度不變，人就需要用力蹬車，以克服這一干擾；在飛機(jī)飛行過程中，手機(jī)信號(hào)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)構(gòu)成干擾，直接影響飛行安全，所以乘客必須關(guān)閉手機(jī)。
自行車
風(fēng)
應(yīng)保持的速度
行車速度
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成為干擾因素
有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風(fēng)等；
有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的手機(jī)信號(hào)等。
干擾因素
控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)。如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準(zhǔn)確度的干擾因素。
控制系統(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。空調(diào)器的溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當(dāng)室外溫度升高時(shí)，空調(diào)器監(jiān)測(cè)出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過啟動(dòng)壓縮機(jī)降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。
馬上行動(dòng)
在電冰箱的溫度控制系統(tǒng)中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？
（1）開電冰箱門
（2）電冰箱所在房間的溫度
從20C變到30C；
（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中；
（4）在電冰箱外放一盆冷水。
思考
在下表所列控制系統(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素？
控制系統(tǒng) 干擾因素
自動(dòng)扶梯的升降控制系統(tǒng)
利用滑輪組提升重物的控制裝置
蔬菜大棚的溫度控制
電視機(jī)有時(shí)在正常工作時(shí)，突然出現(xiàn)圖像閃爍厲害或畫面紊亂等情況，這是由于它受到外界磁場(chǎng)干擾所導(dǎo)致的現(xiàn)象。
如果在電視機(jī)周圍放置一臺(tái)電冰箱，當(dāng)電冰箱啟動(dòng)工作時(shí)，會(huì)形成一定范圍的磁場(chǎng)，將對(duì)電視機(jī)的圖像造成干擾，使其畫面紊亂。又如，空調(diào)器在工作時(shí)也會(huì)向周圍空間發(fā)射大量的電磁波，如果電視機(jī)與空調(diào)器的距離很近，電磁波將對(duì)電視機(jī)圖像造成干擾。此外，電風(fēng)扇、日光燈等電器也會(huì)對(duì)電視機(jī)產(chǎn)生不同程度的磁場(chǎng)干擾，從而導(dǎo)致電視機(jī)的圖像出現(xiàn)抖動(dòng)，波紋等現(xiàn)象。
案例分析
電視機(jī)最忌磁場(chǎng)干擾，這些近距離的家用電器所形成的磁場(chǎng)，就是電視機(jī)正常工作時(shí)的干擾因素。克服這些干擾因素的辦法就是將家用電器遠(yuǎn)離電視機(jī)放置。
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(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對(duì)藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以謹(jǐn)慎、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待干擾因素的利用。
馬上行動(dòng)
生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進(jìn)行利用？
辯論
如何看待控制系統(tǒng)中的干擾因素，請(qǐng)進(jìn)行一下辯論。
正方：干擾因素都市需要克服的。
反方：干擾因素有時(shí)也可以被利用。
二、反饋
控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋（feedback）
案例分析：投籃
許寧在體育課上練習(xí)立定投籃時(shí)，發(fā)生了這樣的情況：
第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到籃板上彈了回來，沒有命中。
第二持投擲，他吸取了第一次的經(jīng)驗(yàn)，減小了用力，但由于用力過小，籃球沒有碰到籃圈。
第三次投擲，他吸取了前兩次的
經(jīng)驗(yàn)，終于投中了。
在這里，可以將人看作控制系統(tǒng)，眼睛（檢測(cè)裝置）把接受到的籃圈位置以及籃球?qū)嶋H投擲的位置等信息輸入大腦（控制器），經(jīng)大腦分析和加工處理后，發(fā)出指令，指揮手投擲籃球（輸出），直到投籃命中。
×
控制器（大腦）
執(zhí)行器（手）
被控對(duì)象（籃球）
籃球?qū)嶋H投擲的位置
監(jiān)測(cè)裝置（眼睛）
籃圈的位置
投籃的工作過程可用下圖描述：
人在駕車時(shí)，要使運(yùn)行中的騎車保持40km/h的速度不變，司機(jī)需要目視速度計(jì)（監(jiān)測(cè)裝置），然后與給定值（40km/h）進(jìn)行比較、運(yùn)算，若與給定值有偏差，就通過調(diào)節(jié)加速器或自動(dòng)器（即踩油門或踩剎車）來增減速度。因此，反饋使駕駛工作過程形成了一個(gè)閉環(huán)：
檢測(cè)－－比較－－運(yùn)算－－操作－－監(jiān)測(cè)，如此反復(fù)，直到被控量的值與給定值一致為止。
利用反饋來分析和處理被控對(duì)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(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，成為反饋方法。
如普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)電水壺具有當(dāng)水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能，這就是運(yùn)動(dòng)反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的結(jié)果。
馬上行動(dòng)
分析“穿針引線”的動(dòng)作過程，并補(bǔ)充一個(gè)適當(dāng)?shù)氖吕顚懴卤怼?br/>事 例 輸 入 檢測(cè)裝置 輸 出
“穿針引線”
小試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^視力保護(hù)提醒器報(bào)警試驗(yàn)理解反饋的遠(yuǎn)離。
試驗(yàn)過程：
根據(jù)電路圖焊接視力保護(hù)提醒器的電路，并根據(jù)人眼看書時(shí)適宜的亮度范圍，通過調(diào)節(jié)電路中的兩個(gè)可變電阻Rp1和Rp2分別調(diào)整亮度的下限和上限。
拉上窗簾使室內(nèi)光線變暗。
把做好的視力保護(hù)提醒器與臺(tái)燈同放在一個(gè)桌面上，通過可調(diào)光旋鈕或跳高臺(tái)燈燈泡與桌面的距離，將臺(tái)燈的光線逐漸調(diào)暗，是光線漸漸減弱，觀察視力保護(hù)提醒器，直到它報(bào)警。
用同樣的方法將臺(tái)燈調(diào)亮，使光線漸漸增強(qiáng)，觀察視力保護(hù)提醒器，直到它報(bào)警。
試驗(yàn)準(zhǔn)備：
有窗簾的房間，可調(diào)光臺(tái)燈（或可調(diào)燈泡高度的臺(tái)燈），試驗(yàn)電路板，光敏電阻，微調(diào)電阻三極管，小喇叭，電阻，導(dǎo)線，電池盒等。
試驗(yàn)總結(jié)：
在視力保護(hù)提醒器內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定兩個(gè)可變電阻的阻值，分別對(duì)應(yīng)著強(qiáng)光和弱光報(bào)警的上、下限電流值，這相當(dāng)于一個(gè)已知的輸入信號(hào)。當(dāng)臺(tái)燈光線的輸出信號(hào)通過光敏電阻反饋到視力保護(hù)提醒器內(nèi)，電路電流值與上、下限電流值比較，當(dāng)電流值在這兩者之間時(shí)，電路不報(bào)警；當(dāng)光線過暗或過強(qiáng)，提醒器就報(bào)警，提醒人們電燈的光線過暗或過亮，人們?cè)俑鶕?jù)這一提示調(diào)節(jié)可變電阻值，從而調(diào)整光線的亮度。
視力保護(hù)提醒器利用了反饋原理，可用于提示學(xué)生用眼衛(wèi)生。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程
從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。
由于某種干擾因素的存在，系統(tǒng)的被控量偏離給定植時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)能及時(shí)檢測(cè)出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)比較得到的偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的被控量接近給定值，達(dá)到精確控制的目的。所以，一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，是被控量控制在給定植附近。
供水水箱水位的自動(dòng)控制在生活中應(yīng)用較多，如樓宇的水塔，其目的是使水箱中的水位保持在給定的高度。
案例分析
供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)有控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象和檢測(cè)器等組成。
被控對(duì)象：水箱；
被控量：水箱中的水位；
執(zhí)行器：閥門；
控制器：機(jī)械或電氣控制裝置；
監(jiān)測(cè)器：浮球或液位傳感器，
是控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。
水位的自動(dòng)調(diào)整過程：
當(dāng)水箱的出水流量加大時(shí)，水位下降，液位傳感器測(cè)出水位后與給定植比較，其偏差值進(jìn)入控制器，通過控制器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)閥門，將閥門開大，使水位回升到給定植；反之，當(dāng)出水流量減小時(shí)，通過控制器調(diào)節(jié)閥門，將閥門關(guān)小，使水位回到給定植的位置。
在這一控制系統(tǒng)中，影響水位控制的干擾因素主要是水箱的出水量（即用戶使用的水量）、水箱水面蒸發(fā)的水量等。水箱的進(jìn)水量是通過閥門進(jìn)行控制的，它是該系統(tǒng)的控制量。
案例分析
加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)
加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)有控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象和檢測(cè)器等組成。
被控對(duì)象：加熱爐；
被控量：爐內(nèi)溫度；
執(zhí)行器：爐內(nèi)的加熱器；
控制器：一種電子或微機(jī)控制裝置，它根據(jù)輸入給定植與檢測(cè)反饋值的比較信號(hào)控制執(zhí)行器的動(dòng)作；
檢測(cè)器：熱電偶（具有檢測(cè)和傳感的作用），它將信號(hào)返回到輸入端，構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)。
爐溫的調(diào)節(jié)過程：
溫度檢測(cè)裝置測(cè)出加熱爐內(nèi)的溫度，并隨時(shí)與給定的溫度值進(jìn)行比較，若加熱爐內(nèi)的溫度高于給定的溫度，則通過控制器調(diào)整調(diào)壓器的電壓，使通過電阻絲的電流減小，加熱爐的溫度下降；若加熱爐內(nèi)的溫度低于給定的溫度，則通過控制器調(diào)整調(diào)壓器的電壓，使通過電阻絲的電流增大，爐內(nèi)溫度上升，并維持在正常值的范圍內(nèi)，從而使加熱爐的溫度基本穩(wěn)定在給定的溫度值上。
閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較
開環(huán)控制系統(tǒng)本身不能對(duì)被控量的偏差進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償。也就是說由于某種干擾信號(hào)的作用使輸出信號(hào)出現(xiàn)非正常狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)糾正的能力，要進(jìn)行糾正，必須借助于人工。所以，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精確度（或稱控制精度）相對(duì)比較低。但如果控制系統(tǒng)中個(gè)組成元件的特性比較穩(wěn)定，而且外界的干擾相對(duì)較小，則開環(huán)控制系統(tǒng)也可以保持一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用于控制精度要求不高而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場(chǎng)合。
閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，不論何種原因造成系統(tǒng)的輸出量偏離給定植，閉環(huán)控制系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。于開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，構(gòu)成控制系統(tǒng)的成本較高。閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制中廣泛采用的一種控制方式用于要求高精度和高可靠性的場(chǎng)合。
馬上行動(dòng)
就開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系，設(shè)計(jì)一個(gè)圖表。
功能模擬方法
左圖是加熱爐溫度手動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。
比較加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)與手動(dòng)控制系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)，控制器代替人腦實(shí)現(xiàn)了溫度控制的功能，執(zhí)行器代替人手實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓的功能，檢測(cè)裝置代替了人眼實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)溫度值的功能。
這種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，就是功能模擬法。
歷史上曾經(jīng)有過能模擬人的動(dòng)作行為的各種模型，卻沒有解決從結(jié)構(gòu)上模擬人的大腦進(jìn)行思考的問題，因?yàn)槿说拇竽X太復(fù)雜啦。在沒有徹底弄清人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理的情況下，必須另辟一條新的模擬途徑，這條途徑不要求從結(jié)構(gòu)上去模擬人腦，而是只要求模型在功能行為上與人腦相似。也就是說，僅僅根據(jù)模型和人腦在功能行為上的相似，實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦的模擬。例如：在國際象棋的人機(jī)對(duì)弈中，計(jì)算機(jī)具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。
閱讀：功能模擬方法的提出
在第二次世界大戰(zhàn)中，英美等國為了打破德國法西斯的空中優(yōu)勢(shì)，集中了一批優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師，研究如何使高炮更有效的擊落敵機(jī)。根據(jù)實(shí)戰(zhàn)的需要，要求設(shè)計(jì)一種具有控制功能的告訴計(jì)算機(jī)，它可以根據(jù)外界的各種情況，控制高炮按照預(yù)測(cè)的位置發(fā)射炮彈，使炮彈與飛機(jī)正好在空中的某一點(diǎn)相遇。
參加研究的美國科學(xué)家挨維納聯(lián)想起人與機(jī)器在控制自己的行為和動(dòng)作上存在相似性和共同之處，進(jìn)行了艱苦的努力和探索，突破了傳統(tǒng)思維的束縛，揭示了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律，提出了功能模擬的方法，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了控制論，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究提供了嶄新的科學(xué)方法。
黑箱方法
在生活中，有時(shí)我們需要哦認(rèn)識(shí)的對(duì)象的內(nèi)部無法打開或不便打開，這時(shí)，可以通過觀測(cè)和考察它的輸入和輸出的關(guān)系來推測(cè)其內(nèi)部的特性和功能。例如，中醫(yī)看病通過“望、聞、問、切”來了解病人的病況，最后對(duì)病情作出判斷；夏天買西瓜，可以通過“看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測(cè)彈性”來判斷西瓜的成熟。這些事例都沒有打開事物直接觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過觀察外部或試驗(yàn)等方法來認(rèn)識(shí)事物的。
這種把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。
例如，通過輸入圖像、電或聲音信號(hào)，觀測(cè)、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對(duì)視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，就是黑箱方法的運(yùn)用。
列舉黑箱方法應(yīng)用的例子，并填寫下表。
馬上行動(dòng)：
黑箱方法應(yīng)用的例子 輸 入 輸 出 需要了解的情況
1.某花農(nóng)正在籌建一個(gè)小型花房，花房的溫度冬季一般控制在18 C左右，夏季一般控制在25C左右。請(qǐng)畫出花房的溫度控制系統(tǒng)的方框圖，簡(jiǎn)要說明它的工作過程。
3.了解帆板運(yùn)動(dòng)，指出帆板運(yùn)動(dòng)員在行進(jìn)中是怎樣實(shí)現(xiàn)“憑風(fēng)借力好行船”的，說明其控制的過程。
如果要將帆板設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，你認(rèn)為應(yīng)該增加哪些環(huán)節(jié)，提出你的構(gòu)想。
2.在可調(diào)光臺(tái)燈的使用中，當(dāng)用手調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)，燈的亮暗變化情況就會(huì)馬上反映出來。闡述其工作原理，并畫出這一控制系統(tǒng)的方框圖。
練習(xí):

展開更多......

收起↑