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(共34張PPT)
閉環控制系統的干擾與反饋
廣東省東莞中學 周熙
一、干擾因素：
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。
　　 在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定。
風對行人行走帶來的干擾
行人
應保持的速度
行人速度
風
控制器
執行器
被控對象
輸入值
輸出量
干擾
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
給定量
被控量
干擾
比較器
干擾對控制功能的影響
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
手機信號對導航信號的干擾
外界光線對投影效果的干擾
病毒對計算機系統的干擾
電磁波對電視的干擾
手機等通信設備對磁卡的干擾
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
下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？
扶梯承載的重量，電機輸出電壓的波動等
滑輪組的摩擦力等
大棚外的環境溫度變化，大棚保溫材料的保溫性能改變
1、消除干擾，如在飛機上不能使用通信設備
2、減弱干擾，如電視在使用時要遠離其他電子設備
3、提高控制系統功能，如采用閉環控制系統
克服干擾的基本方法：
控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定
電子干擾機
　　 在一般控制系統中，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現某種目的。
競技比賽
克服對本控制系統產生的干擾因素。
克服干擾因素
利用干擾因素
在特定的情況下，通過一定的手段對其他控制系統施加干擾。
主體不同
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。
二、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。
被控對象
控制量
給定量
控制器
執行器
檢測裝置
比較器
+
-
被控量
體育課投籃時，第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到籃板上彈了回來，第二次投擲，減小了用力，由于用力太小，籃球沒有碰到籃圈。第三次投擲，吸取前兩次投擲的經驗，終于投中了。
工作過程：
籃球實際投擲的位置
籃圈的位置
控制器 大腦
執行器手
被控對象籃球
+
檢測裝置（眼睛）
-
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。
案例分析
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”
針的位置
人的眼睛
線與針孔的對準
飛鏢實際投擲的位置
投擲飛鏢
靶的位置
人的眼睛
閉環控制系統的工作過程
把系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統叫閉環控制系統。　　　
從反饋來看，閉環控制系統就是指在系統的輸入端與輸出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。
被控對象
控制量
給定量
控制器
執行器
檢測裝置
比較器
+
-
被控量
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。
設定
溫度
干擾
電冰箱
冰箱內
溫度
控制
裝置
制冷
裝置
制冷量
溫度傳感器
比較器
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
能否自動調整和補償
控制精度
結構
適用場合
不能
能
比較低
高
簡單
相對復雜
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
機電控制式水位控制
浮球
電氣控制裝置
閥門
水箱
給定水位
進水量
比較器
水位
水箱出水量
水面蒸發的水量
干擾因素：
案例分析
全機械結構的水位控制
浮球
連桿機構
進水閥
水箱
比較器
進水量
水位
給定水位
案例分析
三、功能模擬法
　　　
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。
　　
浮球
連桿機構
進水閥
水箱
比較器
進水量
水位
人腦
手
眼睛
給定水位
仿生
功能和行為
人機大戰
卡斯帕羅夫vs深藍
怎樣挑選西瓜
看紋路、看色澤、摸瓜皮、掂重量、彈聲音
在不能打開西瓜的前提下，采用上述不同的方法挑選西瓜，通過輸入信號觀測其輸出信息來了解西瓜的好壞和成熟程度。
在實際生產生活中，我們經常碰到類似情況，在不能打開內部結構時，怎樣去了解其結構與機理呢？
西瓜
看、摸、聽、拍
生或熟
四、黑箱方法
　　　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。　
　　　黑箱方法就是將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。
控制系統
系統的輸入
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。其中人的氣色、舌苔、脈搏等等都是人體內部付出的信息則人體是否健康的反映。
病人
望、聞、問、切
病情
案例：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
馬上行動：
列舉黑箱方法應用的例子，并填寫下表。
黑箱方法應用的例子 輸入 輸出 需要了解的情況
檢測計算機的基本性能
運行程序
技術參數
計算機性能
心電圖檢查
跳動信號
心率波動圖
心臟工作情況
控制論黑箱方法一般包括如下的基本原則和步驟；
1、相對孤立的原則，確認黑箱。
2、觀測和主動試驗，考察黑箱。
3、建立模型，闡明黑箱。
　　　黑箱方法強調從整體、從整體與外部環境的聯系中認識事物，而不去覺察其內部結構和局部細節，這是它的長處，也是它的不足之處。現代系統辨識理論指出：并不是所有系統都可以從它的輸入、輸出完全確定其結構和參數，正確的態度應當是黑箱方法與其它科學方法結合起來。
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
控制精度 相對較低 控制精度高
適用 一般結構簡單，適用于控制精度要求不高而系統本身元件又比較穩定的場合 設計比較麻煩，結構也相對復雜，成本較高，適用于要求高精度和高可靠性的場合

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