資源簡介

(共62張PPT)
每天上學騎自行車的感受？乘車的感受等？
在送乘飛機出行時，為什么不能說祝你一路順風
干擾因素
這節課我們就研究研究閉環控制系統的干擾與反饋。
第四單元 控制與設計
第三節 閉環控制系統的干擾與反饋
一）什么是干擾因素：
1.干擾因素的概念：
在控制系統中，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（interference）因素。
案例一：逆風中騎自行車。
腳踩的力
自行車
行使的速度
風
給定量
被控量
逆風、順風、上坡路……
案例二：飛機飛行。
結論：在控制系統中，干擾因素一定有，可能有一個，也可能有若干個。
擴展討論：
生活中還有哪些例子說明“閉環控制系統的干擾是存在的，是不可避免的”？
馬上行動：
在電冰箱的溫度控制系統中，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。
外面熱氣進入冰箱將會引起箱內溫度變化，屬于干擾因素。
（2）電冰箱所在房間的溫度從20℃變到32℃
屬于干擾因素。
（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中。
屬于干擾因素。
嚴格說這也會引起環境溫度的變化，但這種變化一般有利于冰箱實現目標，不屬于干擾因素。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
思考：在下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？
控制系統 干擾因素
自動扶梯的升降控制系統
利用滑輪組提升重物的控制系統
蔬菜大棚的溫度控制
扶梯承載的重力、電機輸出電壓的波動、齒輪間的摩擦力等。
滑輪組的摩擦力、電機電源的波動等、繩子和滑輪，重物的重力。
外部環境溫度的變化、大棚保溫材料的保溫性能產生變化等、植物排放的二氧化碳，溫室效應。
案例分析：
電視機的工作。
電視機出現畫面紊亂的現象往往是由于受到外界磁場干擾。
比如：近距離擺放的電冰箱、空調器、電風扇、日光燈等等。他們就是電視機正常工作的干擾因素。
克服這些干擾的辦法就是將家用電器遠離電視機放置。
2.克服干擾的基本方法：
A、消除干擾
在飛機上不能使用通信工具
B、減弱干擾
電器在使用時遠離其它電子設備
C、提高控制系統性能
采用閉環控制系統
3.干擾因素的特點：
（1）干擾既存在于閉環控制中，也存在于開環控制中。
聲控燈開環控制，除輸入的聲音外，其他聲音就是其干擾因素；空調房的溫度控制屬于閉環控制，室外環境溫度的變化就是它的干擾因素。
（2）通常，干擾因素都是作用在控制對象上，其作用是破壞控制系統的平衡——使被控量偏離平衡值。
（3）通常，干擾因素不止一個。如自行車速度控制的干擾因素除逆風外，還可能有路面狀況（斜坡、粗糙度）。
（4）在進行控制系統設計時，必須對可能存在的干擾進行全面的調查和分析，如果干擾比較經常和嚴重，對控制目標影響產生嚴重的后果，就必須考慮抗干擾措施，保證控制系統的正常工作；如果可能存在的干擾不是很嚴重，對系統正常工作影響不大，就可以忽略。因為任何抗干擾措施的實現，都意味著系統結構的復雜和成本的增加。
（5）對干擾的利用，是指有意對控制系統施加干擾，使控制系統無法達到控制的目標，而不是控制系統本身需要干擾。
例如：打狂犬疫苗、軍事演習中對敵方信息指揮系統進行電磁波干擾。
火盆。冬天冷了，可以在室內放火盆，這樣可以使室內溫度升高。
馬上行動：
生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進行利用？
二）反饋
1.什么是反饋（feedback）？
案例引入p110：投籃的工作過程
（１）請判斷以上過程是開環，還是閉環控制？
考慮可能的風向，及其影響。
順向風：
逆向風：
側向風：
（２）如果有風，請判斷風可能對投籃產生的影響，許寧可以怎樣克服這些影響？
許寧應減小投擲力量。
應增大投擲力量。
改變投擲角度。
在上例中：如果沒有眼睛的觀察和檢測，投籃的反饋就無法形成。
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程就是反饋（feedback）。
反饋控制是一種在計劃執行一段時間或結束后進行的事后控制，主要為下一步計劃的實施總結經驗，但它卻常常是管理控制工作的主要形式。例如投訴與反饋、留言反饋、意見反饋、環境反饋、教學活動、超市反饋調查表、市場信息反饋系統、工作總結、 產品性能檢驗、現代酒店控制方法等。
生活中的反饋：
[游戲]：在黑板上畫兩張大臉，“四官俱全”，沒有眼睛。然后請一個同學上來“填”眼睛，閉著眼睛畫，位置不對,也不好看。睜著眼睛畫，漂亮。
控制過程中，沒有反饋環節，不能對控制結果加以修正、調節。
是個單程的控制流向。
這是開環控制。
1.閉著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛：人腦——手——眼睛；
2.睜著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛，在此過程中，眼睛可以把手的位置及畫的效果及時反饋給大腦，使得大腦準確精細的控制手去畫好眼睛。控制過程中有反饋環節可以把控制結果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這是閉環控制。
[閱讀]p110：汽車速度控制
利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。
馬上行動：分析“穿針引線”的動作過程，并補充一個適當的事例填寫下表。
事例 輸入 檢測裝置 輸出
“穿針引線”
線的位置
人的眼睛
線與針孔對準
靶的位置
(期望值)
眼睛
飛鏢實際投擲的位置
投擲飛鏢
能撲滅蠟燭的機器人
打開機器人的開關
光敏、力敏傳感器
找到蠟燭、并將其撲滅
電冰箱
溫控器設定溫度
溫度傳感器
制冷后冰箱內溫度
反饋的工作過程：當人打算要拿桌子上的水杯時，人首先要看到自己的手與杯子之間的距離，然后確定自己手的移動方向，手始向水杯移動。同時人的眼睛不停觀察手與杯子的距離（該距離就是輸入與輸出的差值），而人腦（控制器）的作用就是不停控制手移動，以消除這個差值。直到手拿到杯子為止，整個過程也就結束了。從上面的例子可以看出，由（負）反饋形成的偏差是人準確完成拿杯子動作的關鍵。如果這個差值不能得到的話，整個動作也就沒有辦法完成了。這就是眼睛失明的人不能拿到杯子的緣故。
[演示]：
3.閉環控制系統的工作過程
閉環控制系統就是系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。
閉環控制系統是通過反饋環節克服干擾因素而使系統達到穩定。
[核心]：通過反饋來減少被控量(輸出量)的偏差。
被控對象
給定值
干擾
反饋環節
控制器
執行器
比較器
干擾
干擾
干擾
被控量
[案例分析]：閱讀書上案例p112 供水水箱的水位自動控制系統。
P112 思考：
在水箱的水位控制系統中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？
不能，因為我們主要為了實現水位的自動控制，那么控制量只能是水量。
[思考設計]：家用抽水馬桶是一個典型的閉環控制系統的水位控制。
閉環控制系統的特點:
1）系統輸出量對控制作用有直接影響。
2）有反饋環節，并應用反饋減小誤差。
3）當出現干擾時，可以自動減弱其影響。
在加熱鍋爐的溫度控制系統中，可能有那些干擾因素，系統如何克服干擾使爐溫穩定在給定范圍內？
干擾因素有加熱爐外的環境溫度變化、加熱器的電壓波動、爐壁自身溫度、爐內空氣溫度等。
[圖片展示]： 烘箱（飲水機）
P113 思考：
首先用熱電偶來代替溫度計來測量溫度的值，然后對溫度的比較，當小于恒溫箱給定時，就增大加熱裝置的電流；相反當大于恒溫箱給定時，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。 加熱爐的溫度自動控制系統的結構圖：
閉環控制系統受影響較小，因為閉環控制系統能不斷修正控制效果。
思考與分析
在出現干擾的情況下，開環控制系統和閉環控制系統哪種受干擾的影響小？為什么？
4.閉環與開環控制系統的比較：
閉環控制：反饋控制， 偏差控制，可以抑制內、外擾動對被量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。
開環控制：順向作用，沒有反向的聯系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。
[提問回答]：
開環控制系統 閉環控制系統
能否自動調整和補償
控制精度
結構
適用場合
否
低
高
是
簡單
復雜
精度要求低、穩定
精度要求高、高可靠性
起增強輸入信號作用——正反饋。
起減弱輸入信號作用——負反饋。
正反饋不能進行控制，會使系統的偏差越來越大。
只有負反饋控制系統才能完成自動控制的任務。
負反饋控制系統最大的特點：檢測偏差，糾正偏差。
P114馬上行動：
就開環控制系統與閉環控制系統的聯系與區別，設計一個圖表。
聯系 區別
閉環控制系統 都用于控制 控制精度低、結構簡單，用于控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合。
開環控制系統 控制精度高，麻煩，復雜，用于要求高精度和高可靠性的場合。
三）控制系統的分析方法
1. 功能模型法
請大家觀察下面圖1、圖2,對比人工恒溫箱控制系統與自動恒溫箱控制系統的方框圖，我們發現：兩者的控制器、執行器及檢測裝置的具體結構不同，但兩者在功能和行為是相似的，都能實現恒溫箱的恒溫控制。
實際溫度
給定溫度
大腦
肌體
恒溫箱
+
-
眼睛
圖1 人工恒溫箱控制系統方框圖
實際溫度
給定溫度
比較電路
電機
恒溫箱
+
-
熱電偶
圖2 自動恒溫箱控制系統方框圖
這種以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。
功能模擬方法是一種整體性研究方法，功能模擬法為仿生學、人工智能、價值工程提供了科學方法。
你能列舉功能模擬法的案例嗎？
可以通過模擬，進行技術設計，從而使有些不易實現的技術設計得以設計成功。
探究：功能模擬方法對技術設計有何意義？
2.黑箱方法
同們學聽說過“大腦之謎”嗎？這可是在科學研究史上長期以來沒有得到圓滿解答的難題。思維究竟是怎樣從物質中產生出來的？大腦功能的具體活動機制又是什么？
要解答這一系列問題可不是一件容易的事。人們可以用物理上的分割法，研究物質的結構和屬性；也可以用化學分解和合成的方法來了解不同物質的成分。但這些方法，對研究大腦的思維功能卻鞭長莫及，因為即使按這些方法的要求，將大腦打開，解剖分析，也只能是對失去思維功能的大腦物質的認識。這樣，在科學研究面前，大腦的思維過程就是一個只見其外觀和表現，而無法深入其內在了解其機制的難題。它就像一個不能打開的箱子一樣，里面的一切對于我們來說都是黑乎乎的，一無所知，我們稱之為黑箱。
所謂黑箱方法，指的是當一個系統內部結構不清楚時，利用外部觀察和試驗方法，獲得系統（即黑箱）的輸入——輸出特性；再根據這種信息，在不打開“黑箱”的情況下，研究其功能和屬性，探索其構造和機理的一種科學方法。
它是通過對系統的輸入與輸出的關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。
黑箱方法的道理并不神秘，在我們的日常生活中，人們都在自覺或不自覺地運用這種方法。人們雖然不懂得電視機內部構造和機理，卻知道按哪個開關打開它，調整哪些開關可以得到清晰穩定的畫面效果等。這些都是我們運用黑箱方法的具體體現。
黑箱方法最典型的應用是中醫看病。中醫看病，主要是通過“望、聞、問、切”等外部觀察作出診斷，開方抓藥。有時遇到疑難雜癥沒有把握時，可以先投以試探性的藥物，觀察病人的反應，并隨時增減藥物，觀其療效，一旦抓住病癥就大膽對癥下藥。這種從人體的輸入特征入手，實施“辯證論治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
你能舉出黑箱方法在生活中應用的案例嗎？
黑箱方法應用的例子 輸入 輸出 需要了解的情況
望、聞、聽、切
了解情況
對病情作出判斷
圖像、聲音、外殼
清晰度、散熱的情況
電視好壞
看瓜形、瓜色，聽瓜聲、測彈性
顏色深、聲音脆，彈性好
好瓜
運行應用程序
計算機的反應
計算機的基本性能
技術試驗
鋼的性能情況
鋼的硬度
視覺的傳遞
分析腦電波的反應
圖像
中醫看病
選購電視機
買西瓜
觀察計算機的基本性能
測定鋼材的硬度
研究人腦
教師小結控制論：
新時代的科學技術革命構筑了那一高聳入云的摩天大廈，而支撐這片大廈的擎天柱就是系統論、信息論和控制論，簡稱為三論。
控制論研究的對象是包括人在內的生物系統和各種非生物系統（如工程系統、化工系統、通訊系統、經濟系統等），它橫跨各個學科，超出了學科的局限性，為各門學科找到了共同的內涵，控制論享有“交叉科學”、“邊緣科學”和“橫斷科學”的美稱。功能模擬方法、黑箱方以及反饋方法都是控制論的主要方法。
請同學們自由分組，每組3到6人，收集整理控制方法的有關資料，可以是我們已學過的反饋方法、功能模擬方法、黑箱方法中的一種，也可以向大家介紹新的控制方法，并用PowerPoint做成課件，下節課請每個小組派代表展示交流小組的成果，時間為三到五分鐘。
四）探究性學習展示：
1.各小組學生派代表，展示交流小組成果。
2.作品的總結及評價。
希望同學們在生活和學習中主動嘗試應用控制方法解決問題。
一）什么是干擾因素
二）反饋
三）控制系統的分析方法
四）探究性學習展示
五）小結
練習：
1.花房溫度控制的要求基本屬于恒溫控制。因此，它的溫度控制系統通常應設計為閉環控制。其參考方框圖如下：
設定溫度
+
誤差放大裝置
檢測裝置
增降溫裝置
花房
實際溫度
－
簡要工作過程：測溫裝置測量花房實際溫度，將其轉換為與設定溫度量綱相同的信號并與之比較得到誤差信號，誤差放大裝置將誤差信號放大后去推動增降溫裝置，實施增溫或降溫，使花房溫度向設定溫度趨近，直至誤差被消除。冬季設定溫度為18℃，夏季設定溫度為25℃。
2.在可調光臺燈中，人手調節臺燈旋鈕實際上是在改變臺燈內部可變電阻的阻值。根據電路原理，電壓一定，改變電阻，電路中的電流也隨之改變，因此燈泡的亮暗也隨之變化。
如果人調節旋鈕是為了獲得某一認定的合適的亮度，這時“人”作為某些環節加入到了控制過程之中，那么這時的控制就是一個人工控制。
其控制過程是：人眼檢測臺燈的實際亮度反饋到大腦，與認定的合適亮度進行比較，如果臺燈亮度較暗，大腦就會發出指令，讓手旋動旋鈕，使燈泡亮度增大；反之，就減小亮度。這種控制可能會反復進行，直至臺燈亮度滿意為止。方框圖如下：
期望亮度
+
手
眼睛
旋鈕
燈泡
實際亮度
－
大腦
當人感覺燈光暗時，通過調節臺燈的旋鈕使其變亮；當感覺燈光過強時，通過調節臺燈的旋鈕使其變暗。人眼的觀察相當于檢測環節。
3.帆板是靠風推動帆來行駛的，要使帆板速度最快，必須轉動風帆，使之具有最大的迎風面積。由于風向是不定的，因此這是一個隨動控制。人對風向的觀察相當于這一控制系統中的檢測環節。
其控制過程為：人同時觀測風向（由風標顯示）和風帆的角度，經過大腦的判斷，如果風帆的角度不符合風力最大的要求，則大腦指揮運動員轉動風帆，使之達到要求。在這個系統中，風帆是控制對象，風帆角度是被控量，風向是輸入量。只不過這個輸入量是一個隨時間而變化的未知函數。
如果要將帆板的控制構建成成一個閉環自動控制系統，則既要安裝風向測量裝置，又要安裝風帆角度測量裝置，并使二者同步。兩個測量裝置將測得的結果同時輸入到計算控制裝置中，在這里得到誤差信號，還得增加一個根據誤差信號去轉動風帆的執行機構，以實現帆船的自動控制。

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