資源簡介

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、教學內容分析：
本節是在學生對控制系統有一定認識的基礎上具體的闡述閉環控制系統的干擾與反饋的辨證關系，是全書的重點章節，也是控制系統的具體應用章節。為以后學習的控制系統的設計等內容奠定了理論基礎。
本節內容在《控制和設計》中起到舉足輕重的作用，不僅可以使學生對閉環控制系統中的反饋（feedback）有很深的認識，而且也為閉環控制系統的設計與實施打好基礎。本節教材主要包含三部分內容：干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱法。本節是本單元的重點，也是一個難點，分析干擾因素及反饋給控制系統帶來的影響，綜合了本單元前兩節的知識。從模塊角度看，該節融合了該模塊第二單元流程與設計，以及第三單元系統與設計的內容，控制過程本身的工作過程就是一個流程，閉環控制系統大致包括控制環節、執行環節、反饋環節和比較環；反饋也體現了系統的環境適應性，因此，本節是本模塊的綜合應用。本單元是本課程知識的綜合應用，綜合了必修1、必修2的知識，講了閉環自適應控制，體現了技術以人為本的理念。
二、教學對象分析：
學生對控制機理比較陌生，整個教學都應以案例分析為主，所舉案例應力求簡單。
三、目標：
1.知識與技能：
（1）能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，并作分析。
（2）熟悉閉環控制系統中反饋環節的作用。
（3）熟悉閉環控制系統的工作過程。
（4）了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用。
2.過程與方法：
用方框圖分析生活中常見控制系統，通過實踐、游戲、討論、分析、講授法、問題教學法、小組討論法、設計教學法等方法使學生懂得反饋在閉環控制系統中的作用，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用；結合案例分析影響簡單控制系統運行的主要干擾因素及克服方法。
3.情感態度價值觀：
通過學習，聯系生活，能具體問題，具體分析，能在生活中應用反饋原理，調節自身的心理、學習與生活。培養學生的觀察能力，體驗學習樂趣。滲透安全教育、德育教育、環保等教育。
四、教學重難點：
1.教學重點：
干擾因素；反饋與閉環系統的工作原理；開環控制系統與閉環控制系統的選用。
2.教學難點：
干擾因素的判定；閉環系統的工作原理；功能模擬方法、黑箱方法。
五、教學概述：
通過人們熟悉的例子來說明在控制系統中除輸入量以外能引起被控量變化的各種因素都是控制系統的干擾。用方框圖分析生活中常見控制系統，通過實踐、游戲、討論、分析等方法使學生懂得反饋在閉環控制系統中的作用。
3課時。
六、教學器材：
水塔水位控制模型1套、一次性杯子、乒乓球、烘箱等。
七、教學過程：
引入：
做一個簡單的調查：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 （活躍課堂氣氛，激發學生的求知欲。）
大部分同學應該是有風的影響，從而聯系到本節課的內容：干擾因素，同時乘車也有干擾，而且不論是騎自行車還是乘車干擾因素不止一個，有主要的，有次要的。
這節課我們就研究研究閉環控制系統的干擾與反饋。
第三節 閉環控制系統的干擾與反饋
新課教學：
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。
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。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
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。
擴展討論：通過分析，增加對電冰箱的了解，進而了解生活。
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 扶梯承載的重力、電機輸出電壓的波動、齒輪間的摩擦力等。
利用滑輪組提升重物的控制系統 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。
蔬菜大棚的溫度控制 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。從學生看電視的經歷來分析，引導，讓學生從電視內容中走出來，關注電視的相關技術與控制。
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。
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？
答：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。
二）反饋
1.什么是反饋（feedback）？
案例引入p110：投籃的工作過程
許寧在體育課上練習立定投籃時，發生了這樣的情況：
第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到了籃板上彈了回來，沒有命中。
第二次投擲，他吸取了第一次的經驗，減小了用力，但用力過小，籃球沒有碰到籃圈。
第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經驗，終于投中了。
在這里，可以將人看作控制系統，眼睛把接收到的籃圈位置以及實際投擲位置等信息輸送給大腦，經大腦分析和加工處理后，發出指令，指揮手投擲籃球，直到投籃命中。
（１）請判斷以上過程是開環，還是閉環控制？
（２）畫出系統的方框圖。
（３）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？
學生活動：
（1）回顧系統控制的工作方式，根據題意進行判斷。答案：閉環。
（2）畫出系統的方框圖。
（3）考慮可能的風向，及其影響。
順向風：許寧應減小投擲力量。
逆向風：應增大投擲力量。
側向風：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。
[引出結論]：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）。
生活中的反饋：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。
[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。
[分析原因]：將兩次畫的過程來分析。畫出其控制框圖，得出它們的控制類別。
1.閉著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛：人腦——手——眼睛；
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。
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。
2.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
投擲飛鏢 靶的位置 (期望值) 眼睛 飛鏢實際投擲的位置
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
[演示]：
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。
[教具演示]：水位自動控制系統
接通電源后，電機工作，水泵出水，當水位升到A 點水位傳感器位置時，電機停止工作；當水位由A點降止B點以下時，電機又開始工作，這樣往復，達到了自動控制儲水器中的水位。
[學生討論]：
請同學們相互討論一下這個水位自動控制系統的工作過程，試用系統框圖來描述。（引導學生歸納出水塔水位控制系統框圖，著重推導信息反饋與比較環節的框圖表達。）
[教師總結]：簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器等環節的作用，熟悉反饋環節的作用。
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。
[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？
答：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。（鏈接下節課用水位檢測，控制電路，電磁閥來改進為自動控制，設計閉環控制系統方框圖，并用頭腦風暴法獲更多節水控制創造性設想。）
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。
[圖片展示]： 烘箱（飲水機）
P113 思考：
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。
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：
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？
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。
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 否 是
控制精度 低 高
結構 簡單 復雜
適用場合 精度要求低、穩定 精度要求高、高可靠性
[補充]：
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。
答：
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。
圖1 人工恒溫箱控制系統方框圖
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（相關資料請參閱同文件夾內“有關功能模擬方法的資料.doc”）？
學生活動：積極思考相關案例。
探究：功能模擬方法對技術設計有何意義？
答：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。
2.黑箱方法
教師講授：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。
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。
教師提問：你能舉出黑箱方法在生活中應用的案例嗎？
學生活動：列舉黑箱方法的案例，領會黑箱方法的含義及應用。夏天買西瓜，可以通過“看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性”來判斷西瓜的生熟。
黑箱方法應用的例子 入 輸出 需要了解的情況
觀察計算機的基本性能 運行應用程序 計算機的反應 計算機的基本性能
測定鋼材的硬度 技術試驗 鋼的性能情況 鋼的硬度
選購電視機 圖像、聲音、外殼 清晰度、散熱的情況 電視好壞
買西瓜 看瓜形、瓜色，聽瓜聲、測彈性 顏色深、聲音脆，彈性好 好瓜
研究人腦 圖像 分析腦電波的反應 視覺的傳遞
中醫看病 望、聞、聽、切 了解情況 對病情作出判斷
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。
探究：
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。
學生活動：利用課余時間，收集整理資料，完成課件，嘗試用自己的眼睛認識控制方法，感受控制方法帶來的新變化。
四）探究性學習展示：
學生活動：請各小組學生派代表，展示交流小組成果。
教師活動：總結、評價學生作品，鼓勵學生在生活和學習中主動嘗試應用控制方法解決問題。
五）小結
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
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：
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：
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。
八、教學反思
本節課涉及控制論的相關內容，尤其是第三節功能模擬法和黑箱方法，學生理解起來有一定難度，因此，在課堂聽講之余，安排學生利用課余時間主動進一步了解控制論，學會自己去了解新事物。
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……
籃球實際投擲的位置
籃圈的
位置
大腦
(控制器）
手
(執行器）
籃球
(被控對象）
+
-
眼睛
（檢測裝置）
被控對象
給定值
被控量
干擾
反饋環節
控制器
執行器
比較器
干擾
干擾
干擾
實際溫度
給定溫度
大腦
肌體
恒溫箱
+
-
眼睛
＋
—－
＋
—－
實際溫度
給定溫度
比較電路
電機
恒溫箱
+
-
熱電偶
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
－
大腦
手
旋鈕
實際亮度
燈泡
+
期望亮度
－
眼睛(共95張PPT)
每天上學騎自行車的同學有什么感受？
在飛機飛行時，乘客為什么必須關閉手機？
干擾因素
這節課我們就來探討閉環控制系統的干擾與反饋。
第三節 閉環控制系統的干擾與反饋
開投影儀的時候為什么要關窗戶？
汽車的流線型設計是為了什么目的？
風對行人行走帶來什么樣的影響？
　西安警方摧毀一用高科技手段作案的犯罪團伙。這個盜竊團伙在西安盜竊機動車價值達300余萬元。據交代，
事件一：
作案用的“干擾器”是花了5000元買回來的。這種干擾器使用很簡單，當車主遙控鎖門時，對著汽車按住干擾器按鈕，干擾器就會發射一種電磁波，干擾遙控鑰匙的電子信號，使車門無法上鎖。
出現雜色的線
事件二：
1999年7月11日，某航班準備在廣州白云機場降落時，出現了約80的航道偏離現象機長發現這一情況后，立即通知乘務員檢查客艙。結果發現有四五位旅客正在使用移動電話。在乘務員上前制止后。飛機才在著陸前恢復了正常航道。
因此，在飛機上不能使用手機及其他電子類產品。
事件三：
一、干擾因素
在日常生活中，干擾是時常存在的。例如，人在逆風中騎自行車，逆風對自行車的速度構成干擾，要保持速度不變，人就需要用力蹬車，以克服這一干擾；在飛機飛行過程中，手機信號對導航信號構成干擾，直接影響飛行安全，所以乘客必須關閉手機。
1、干擾因素
通俗地講：擾干因素就是對控制系統
的行為造成影響的因素。
　在控制系統中，除輸入量（給定值）外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。
一、干擾因素
有的干擾因素是由于環境造成的，有的干擾因素是人為原因所致。
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……
控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。
控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定。空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器監測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。
電冰箱的溫度控制系統，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素
開電冰箱門
電冰箱所在房間的溫度從20度變到32度
把熱菜熱飯放入電冰箱中
在電冰箱外放一盆冷水
是
是
是
否
馬上行動
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
重物的控制裝置
蔬菜大棚的溫度控制
扶梯承載的重量、電機輸入電壓的波動等
電機電源的波動、滑輪組的摩擦力等
大棚外部的環境溫度的變化、大棚保溫材料的保溫性能產生變化等
下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？
出現雜色的線
電視機
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。
在一般控制系統中，干擾因素是需要克服的。
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
找出干擾源，
切斷干擾
2、克服干擾的基本方法：
1）消除干擾：
飛機導航系統
手機信號
GPS信號
航線
X
2）減弱干擾
電視信號傳輸過程中往往采用鐵殼屏蔽的分支器
3）我們也可以加強控制系統的性能來提高抗干擾能力。
比較常用的就是在控制系統中引入反饋。
對汽車駕駛的干擾
汽車駕駛
1、控制系統的克服措施：
2、針對干擾源的措施：
3、管理措施：
交通部門設立道路隔離帶、交通法加重對違章的處罰……
剎車、轉向、鳴喇叭；
加強國民交通意識；
而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統進行干擾，使之不能正常工作。但在生產生活中，我們需要以謹慎、嚴謹的態度對待干擾因素的利用。
生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進行利用？
如何看待控制系統中的干擾因素，請進行一下辯論。
正方：干擾因素都是需要克服的。
反方：干擾因素有時也可以被利用。
信息戰中，利用電磁波對敵方信息系統進行干擾
干擾的利用
利用基因干擾療法治療頑固疾病
干擾的利用
3、干擾因素的幾點說明：
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，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。
問題思考：
在控制系統中怎么克服或利用干擾因素？
需要通過什么過程來克服或利用？
二、反饋
案例：投籃的工作過程
小明在體育課上練習立定投籃時，發生了這樣的情況：
第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到了籃板上彈了回來，沒有命中。
第二次投擲，他吸取了第一次的經驗，減小了用力，但用力過小，籃球沒有碰到籃圈。
第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經驗，終于投中了。
在這里，可以將人看作控制系統，眼睛把接收到的籃圈位置以及實際投擲位置等信息輸送給大腦，經大腦分析和加工處理后，發出指令，指揮手投擲籃球，直到投籃命中。
（１）請判斷以上過程是開環，還是閉環控制？
（２）畫出系統的方框圖。
二、反饋
1、什么是反饋？
×
控制器（大腦）
執行器（手）
被控對象（籃球）
籃球實際投擲的位置
監測裝置（眼睛）
籃圈的位置
+
-
考慮可能的風向，及其影響。
順向風：
逆向風：
側向風：
如果有風，請判斷風可能對投籃產生的影響，小明可以怎樣克服這些影響？
小明應減小投擲力量。
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。
電冰箱的溫度控制系統
主彈簧及連接桿（控制器）
活動觸點（執行器）
壓縮機、電冰箱（被控對象）
電冰箱工作溫度
定設度溫
感溫包、膜盒、傳動膜片（檢測、反饋）
+
-
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。
1、什么是反饋？
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
[補充]：
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。
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。
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
馬上行動:
事例 輸入 檢測裝置 輸出
花房恒溫自動控制
設定的溫度
　溫度檢測裝置
　射擊
靶心的位置
　眼睛
擊中實際位置
花房實際溫度
　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。
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。
從反饋來看，閉環控制系統就是指在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，系統的被控量偏離給定值時，閉環控制系統中的反饋環節能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較，控制器根據比較得到的偏差信號進行調節，從而使系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。所以，一個閉環控制系統，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。
2、閉環控制系統的工作過程
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
給定值
被控量
干擾
比較器
閉環控制系統的工作過程
+
-
閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。所以一個閉環控制系統，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。
浮球
（檢測裝置）
電氣控制（控制器）
閥門（執行器）
水箱（被控對象）
預設水位
進水量
比較器
供水水箱的水位自動控制系統
水位
干擾
+
-
設定值
被控量
控制量
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，那么控制量只能是進水量。
熱電偶（檢測裝置）
微機控制（控制器）
加熱器（執行器）
加熱爐（被控對象）
設定溫度
比較器
加熱爐的溫度自動控制系統
熱量
爐內溫度
+
-
干擾
設定值
控制量
被控量
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。
思考：
系統通過熱電偶檢測實際爐溫，如與給定爐溫有偏差，控制器就會將這個偏差信號傳遞給加熱裝置，以升高或降低爐溫，使之向設定值變化，直到偏差消除，保證爐溫保持在設定范圍內。
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。
3、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、外擾動對被控量產生的影響。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。
閉環控制系統與開環控制系統的比較
系統 開環控制系統 閉環控制系統
能否自動調節補償
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
思考題
閉環控制系統與開環控制系統的比較
優、特點 抗干擾因
素的能力 適用場合
開環
控制系統
閉環
控制系統
結構簡單，但控制精確度相對比較低
控制精度高,但設計較麻煩，結構較復雜，成本較高
較弱，沒有自動糾正的能力
較強，能對被控量的偏差進行調整和補償
控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合
要求高精度和高可靠性的場合
思考與分析
　　
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。
　　舉出一些由于干擾而使控制系統受到影響的例子。
雨天交通 病毒攻擊 手機干擾飛機
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？
綜合分析：
　　　閉環控制系統比開環控制系統具有更好的抗干擾能力，那么是否都應該用閉環控制代替開環控制？
是否采用閉環控制主要看對控制系統的要求（如成本、控制要求）。
控制
現象 輸入量 比較器 控制器 執行器 被控
對象 輸出量 檢測（反饋）
裝置
閉環控制系統 有 有
有
有
有
有
有
開環控制系統 有
無 有
有
有
有
無
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。
三、 功能模擬方法
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。
熱電偶（檢測裝置）
微機控制（控制器）
加熱器（執行器）
加熱爐（被控對象）
設定溫度
比較器
加熱爐的溫度自動控制系統
熱量
爐內溫度
+
-
干擾
設定值
控制量
被控量
加熱爐的溫度手動控制系統
眼睛
（檢測裝置）
大腦（控制器）
肌體
（執行器）
加熱爐（被控對象）
設定溫度
比較器
熱量
爐內溫度
+
-
干擾
設定值
控制量
被控量
　　　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。
三、功能模擬方法
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？
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。
　　　在生活中，有時我們需要認識對象的內部無法打開或不便打開，這時，可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關系來推測其內部的特性和功能。　
　　　黑箱方法就是通過觀測黑箱外部輸入信息（外界對黑箱的影響）和輸出信息（黑箱對外界的反應），以研究和認識其功能、特性、結構、機理的科學方法。
四、黑箱方法
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。
案例：根據旋轉速度怎樣判斷生熟雞蛋？
　　　生雞蛋里的蛋黃和蛋白是液體，當我們轉動雞蛋后，蛋殼開始旋轉，而雞蛋里面的液體由于慣性的作用，要保持原來的靜止狀態，所以生雞蛋旋轉起來比較慢。因此旋轉快的是熟雞蛋，旋轉慢的是生雞蛋。
搖、轉、看
系統的輸入
雞蛋
黑箱
生或熟
系統的輸出
案例：中醫中黑箱方法的運用
　 中醫中的“以象測臟”的方法就是原始的黑箱方法。象就是輸入＼輸出的信息；臟就是人體黑箱內部的規律性聯系。
　　　中醫看病主要通過“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。其中人的氣色、舌苔、脈搏等等都是人體內部輸出的信息則人體是否健康的反映。
　　中醫應用黑箱方法推導人體內部規律時，主要采用了演繹推理和類比推理。
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
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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