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第四單元 控制與設計
第三節 控制系統的干擾及設計
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“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？
[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？
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？
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、黑箱方法以及反饋方法都是控制論的主要方法。
一）什么是干擾因素
二）控制系統的分析方法
三）探究性學習展示
五）小結

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