第四單元《控制與設(shè)計(jì)》第三節(jié)《閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

1、每天上學(xué)騎自行車的感受？乘車的感受等？,在送乘飛機(jī)出行時(shí)，為什么不能說祝你一路順風(fēng)?,干擾因素,這節(jié)課我們就研究研究閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋。,第四單元 控制與設(shè)計(jì)第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋,長安一中 蔣建波,一）什么是干擾因素：,1.干擾因素的概念：,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稱為干擾（interference）因素。,案例一：逆風(fēng)中騎自行車。,案例二：飛機(jī)飛行。,結(jié)論：在控制系統(tǒng)

2、中，干擾因素一定有，可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)。,擴(kuò)展討論：,生活中還有哪些例子說明“閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾是存在的，是不可避免的”？,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。,外面熱氣進(jìn)入冰箱將會(huì)引起箱內(nèi)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(yán)格說這也會(huì)引起環(huán)境溫度的變化，但這種變

3、化一般有利于冰箱實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，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(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素？,扶梯承載的重力、電機(jī)輸出電壓的波動(dòng)、齒輪間的摩擦力等。,滑輪組的摩擦力、電機(jī)電源的波動(dòng)等、繩子和滑輪，重物的重力。,外部環(huán)境溫度的變化、大棚保溫材料的保溫性能產(chǎn)生變化等、植物排放的二氧化碳，溫室效應(yīng)。,案例分析： 電視機(jī)的工作。,電視機(jī)出現(xiàn)畫面紊亂的現(xiàn)象往往是由于受到外界磁場干擾。,比如：近距離擺放的

4、電冰箱、空調(diào)器、電風(fēng)扇、日光燈等等。他們就是電視機(jī)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(yuǎn)離電視機(jī)放置。,2.克服干擾的基本方法：,A、消除干擾在飛機(jī)上不能使用通信工具B、減弱干擾電器在使用時(shí)遠(yuǎn)離其它電子設(shè)備C、提高控制系統(tǒng)性能采用閉環(huán)控制系統(tǒng),3.干擾因素的特點(diǎn)：,（1）干擾既存在于閉環(huán)控制中，也存在于開環(huán)控制中。,聲控?zé)糸_環(huán)控制，除輸入的聲音外，其他聲音就是其干擾因素；空調(diào)房的溫度控制屬于閉環(huán)

5、控制，室外環(huán)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(tǒng)的平衡——使被控量偏離平衡值。,（3）通常，干擾因素不止一個(gè)。如自行車速度控制的干擾因素除逆風(fēng)外，還可能有路面狀況（斜坡、粗糙度）。,（4）在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對可能存在的干擾進(jìn)行全面的調(diào)查和分析，如果干擾比較經(jīng)常和嚴(yán)重，對控制目標(biāo)影響產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，就必須考慮抗干擾措施，保證控制系統(tǒng)的正常工作；如果可能存在的干擾不是很嚴(yán)重，

6、對系統(tǒng)正常工作影響不大，就可以忽略。因?yàn)槿魏慰垢蓴_措施的實(shí)現(xiàn)，都意味著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和成本的增加。,（5）對干擾的利用，是指有意對控制系統(tǒng)施加干擾，使控制系統(tǒng)無法達(dá)到控制的目標(biāo)，而不是控制系統(tǒng)本身需要干擾。例如：打狂犬疫苗、軍事演習(xí)中對敵方信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行電磁波干擾。,火盆。冬天冷了，可以在室內(nèi)放火盆，這樣可以使室內(nèi)溫度升高。,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？,二）反饋,1.什么是反饋（feedback）？,

7、案例引入p110：投籃的工作過程,（１）請判斷以上過程是開環(huán)，還是閉環(huán)控制？,考慮可能的風(fēng)向，及其影響。順向風(fēng)：逆向風(fēng)：側(cè)向風(fēng)：,（２）如果有風(fēng)，請判斷風(fēng)可能對投籃產(chǎn)生的影響，許寧可以怎樣克服這些影響？,許寧應(yīng)減小投擲力量。,應(yīng)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(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測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）。,反饋控

8、制是一種在計(jì)劃執(zhí)行一段時(shí)間或結(jié)束后進(jìn)行的事后控制，主要為下一步計(jì)劃的實(shí)施總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，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(huán)境反饋、教學(xué)活動(dòng)、超市反饋調(diào)查表、市場信息反饋系統(tǒng)、工作總結(jié)、 產(chǎn)品性能檢驗(yàn)、現(xiàn)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(gè)同學(xué)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(huán)節(jié)，不能對

9、控制結(jié)果加以修正、調(diào)節(jié)。 是個(gè)單程的控制流向。 這是開環(huán)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(shí)反饋給大腦，使得大腦準(zhǔn)確精細(xì)的控制手去畫好眼睛?？刂七^程中有反饋環(huán)節(jié)可以把控制結(jié)果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這是閉環(huán)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(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的

10、行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，稱為反饋方法。,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?線的位置,人的眼睛,線與針孔對準(zhǔn),靶的位置 (期望值),眼睛,飛鏢實(shí)際投擲的位置,投擲飛鏢,能撲滅蠟燭的機(jī)器人,打開機(jī)器人的開關(guān),光敏、力敏傳感器,找到蠟燭、并將其撲滅,電冰箱,溫控器設(shè)定溫度,溫度傳感器,制冷后冰箱內(nèi)溫度,反饋的工作過程：當(dāng)人打算要拿桌子上的水杯時(shí)，人首先要看到自己的手與杯子之間的距離，然后確定

11、自己手的移動(dòng)方向，手始向水杯移動(dòng)。同時(shí)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?？刂剖忠苿?dòng)，以消除這個(gè)差值。直到手拿到杯子為止，整個(gè)過程也就結(jié)束了。從上面的例子可以看出，由（負(fù)）反饋形成的偏差是人準(zhǔn)確完成拿杯子動(dòng)作的關(guān)鍵。如果這個(gè)差值不能得到的話，整個(gè)動(dòng)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(huán)控制系統(tǒng)的工作過程,閉環(huán)控制系統(tǒng)就是系統(tǒng)的輸出端與輸入

12、端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。,閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過反饋環(huán)節(jié)克服干擾因素而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)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,,比較器,被控量,[案例分析]：閱讀書上案例p112 供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。,P112 思考：,在水箱的水位控制系統(tǒng)中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？,不能，因?yàn)槲覀冎饕獮榱藢?shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制，那么控制量只能是水量。,[思考設(shè)計(jì)]：家用抽水馬桶是

13、一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)的水位控制。,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn): 1）系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響。2）有反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小誤差。3）當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，可以自動(dòng)減弱其影響。,在加熱鍋爐的溫度控制系統(tǒng)中，可能有那些干擾因素，系統(tǒng)如何克服干擾使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)？,干擾因素有加熱爐外的環(huán)境溫度變化、加熱器的電壓波動(dòng)、爐壁自身溫度、爐內(nèi)空氣溫度等。,[圖片展示]： 烘箱（飲水機(jī)）,P113 思考：,首先用熱電偶來代替溫度計(jì)來測量溫度的值，

14、然后對溫度的比較，當(dāng)小于恒溫箱給定時(shí)，就增大加熱裝置的電流；相反當(dāng)大于恒溫箱給定時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：,閉環(huán)控制系統(tǒng)受影響較小，因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)能不斷修正控制效果。,思考與分析,在出現(xiàn)干擾的情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)哪種受干擾的影響?。繛槭裁?？,4.閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較：,閉環(huán)控制：反饋控制， 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對被量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、

15、分析麻煩。開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值。,[提問回答]：,否,低,高,是,簡單,復(fù)雜,精度要求低、穩(wěn)定,精度要求高、高可靠性,起增強(qiáng)輸入信號作用——正反饋。起減弱輸入信號作用——負(fù)反饋。正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特

16、點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差。,P114馬上行動(dòng)： 就開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別，設(shè)計(jì)一個(gè)圖表。,三）控制系統(tǒng)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(tǒng)與自動(dòng)恒溫箱控制系統(tǒng)的方框圖，我們發(fā)現(xiàn)：兩者的控制器、執(zhí)行器及檢測裝置的具體結(jié)構(gòu)不同，但兩者在功能和行為是相似的，都能實(shí)現(xiàn)恒溫箱的恒溫控制。,圖1 人工恒溫箱控制系統(tǒng)方框圖,實(shí)際溫度,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

17、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(xué)、人工智能、價(jià)值工程提供了科學(xué)方法。,你能列舉功能模擬法的案例嗎？,可以通過模擬，進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，從而使有些不易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)設(shè)計(jì)得以設(shè)計(jì)成功。,探究：功能模擬方法對技術(shù)設(shè)計(jì)有何意義？,2.黑箱方法,同們學(xué)聽說過“大腦之謎”嗎？這可是在科學(xué)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(zhì)中產(chǎn)生出來的？大腦功能的具體活動(dòng)機(jī)制又是什么？,要解答

18、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(zhì)的結(jié)構(gòu)和屬性；也可以用化學(xué)分解和合成的方法來了解不同物質(zhì)的成分。但這些方法，對研究大腦的思維功能卻鞭長莫及，因?yàn)榧词拱催@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(zhì)的認(rèn)識。這樣，在科學(xué)研究面前，大腦的思維過程就是一個(gè)只見其外觀和表現(xiàn)，而無法深入其內(nèi)在了解其機(jī)制的難題。它就像一個(gè)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

19、之為黑箱。,所謂黑箱方法，指的是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚時(shí)，利用外部觀察和試驗(yàn)方法，獲得系統(tǒng)（即黑箱）的輸入——輸出特性；再根據(jù)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(gòu)造和機(jī)理的一種科學(xué)方法。,它是通過對系統(tǒng)的輸入與輸出的關(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。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。,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(yùn)用這種方法。

20、人們雖然不懂得電視機(jī)內(nèi)部構(gòu)造和機(jī)理，卻知道按哪個(gè)開關(guān)打開它，調(diào)整哪些開關(guān)可以得到清晰穩(wěn)定的畫面效果等。這些都是我們運(yùn)用黑箱方法的具體體現(xiàn)。,黑箱方法最典型的應(yīng)用是中醫(yī)看病。中醫(yī)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(shí)遇到疑難雜癥沒有把握時(shí)，可以先投以試探性的藥物，觀察病人的反應(yīng)，并隨時(shí)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(shí)施“辯證論治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。,你能

21、舉出黑箱方法在生活中應(yīng)用的案例嗎？,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(yùn)行應(yīng)用程序,計(jì)算機(jī)的反應(yīng),計(jì)算機(jī)的基本性能,技術(shù)試驗(yàn),鋼的性能情況,鋼的硬度,視覺的傳遞,分析腦電波的反應(yīng),圖像,中醫(yī)看病,選購電視機(jī),買西瓜,觀察計(jì)算機(jī)的基本性能,測定鋼材的硬度,研究人腦,教師小結(jié)控制論： 新時(shí)代的科學(xué)技術(shù)革命構(gòu)筑了那一高聳

22、入云的摩天大廈，而支撐這片大廈的擎天柱就是系統(tǒng)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(nèi)的生物系統(tǒng)和各種非生物系統(tǒng)（如工程系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等），它橫跨各個(gè)學(xué)科，超出了學(xué)科的局限性，為各門學(xué)科找到了共同的內(nèi)涵，控制論享有“交叉科學(xué)”、“邊緣科學(xué)”和“橫斷科學(xué)”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(xué)們自由分組，每組3到6人，收集整理控制方法的有關(guān)資料，可以是我們已學(xué)過的反

23、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(jié)課請每個(gè)小組派代表展示交流小組的成果，時(shí)間為三到五分鐘。,四）探究性學(xué)習(xí)展示：,1.各小組學(xué)生派代表，展示交流小組成果。,2.作品的總結(jié)及評價(jià)。,希望同學(xué)們在生活和學(xué)習(xí)中主動(dòng)嘗試應(yīng)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(tǒng)的分析方法四）探究性學(xué)習(xí)展示,五）小結(jié),練習(xí)：,1.花房溫度控制的要求基本屬于恒溫控制

24、。因此，它的溫度控制系統(tǒng)通常應(yīng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)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(shí)際溫度，將其轉(zhuǎn)換為與設(shè)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(dòng)增降溫裝置，實(shí)施增溫或降溫，使花房溫度向設(shè)定溫度趨近，直至誤差被消除。冬季設(shè)定溫度為18℃，夏季設(shè)定溫度為25℃。,2.在可調(diào)光臺(tái)燈中，人手調(diào)節(jié)臺(tái)燈旋鈕實(shí)際上是在改變臺(tái)燈內(nèi)部可變電阻的阻值。根據(jù)電路原理，電壓一定，改變電阻，電路中的電流也隨之

25、改變，因此燈泡的亮暗也隨之變化。 如果人調(diào)節(jié)旋鈕是為了獲得某一認(rèn)定的合適的亮度，這時(shí)“人”作為某些環(huán)節(jié)加入到了控制過程之中，那么這時(shí)的控制就是一個(gè)人工控制。其控制過程是：人眼檢測臺(tái)燈的實(shí)際亮度反饋到大腦，與認(rèn)定的合適亮度進(jìn)行比較，如果臺(tái)燈亮度較暗，大腦就會(huì)發(fā)出指令，讓手旋動(dòng)旋鈕，使燈泡亮度增大；反之，就減小亮度。這種控制可能會(huì)反復(fù)進(jìn)行，直至臺(tái)燈亮度滿意為止。方框圖如下：,當(dāng)人感覺燈光暗時(shí)，通過調(diào)節(jié)臺(tái)燈的旋鈕使其變亮；當(dāng)感覺燈光

26、過強(qiáng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)臺(tái)燈的旋鈕使其變暗。人眼的觀察相當(dāng)于檢測環(huán)節(jié)。,3.帆板是靠風(fēng)推動(dòng)帆來行駛的，要使帆板速度最快，必須轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)帆，使之具有最大的迎風(fēng)面積。由于風(fēng)向是不定的，因此這是一個(gè)隨動(dòng)控制。人對風(fēng)向的觀察相當(dāng)于這一控制系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)。,其控制過程為：人同時(shí)觀測風(fēng)向（由風(fēng)標(biāo)顯示）和風(fēng)帆的角度，經(jīng)過大腦的判斷，如果風(fēng)帆的角度不符合風(fēng)力最大的要求，則大腦指揮運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)帆，使之達(dá)到要求。在這個(gè)系統(tǒng)中，風(fēng)帆是控制對象，風(fēng)帆角度是被控量，風(fēng)向是