4.3闭环控制系统的工作过程任务二 辨析反馈在控制系统中的作用 课件(共82张PPT，缺视频)

(共82张PPT)
在飞机飞行时，乘客为什么必须关闭手机？
干扰因素
这节课我们就来探讨闭环控制系统中的干扰与反馈。
第三节 闭环控制系统的工作过程
任务二 辨析反馈在控制系统中的作用
开投影仪的时候为什么要关窗户？
汽车的流线型设计是为了什么目的？
风对行人行走带来什么样的影响？
　西安警方摧毁一用高科技手段作案的犯罪团伙。这个盗窃团伙在西安盗窃机动车价值达300余万元。据交代，
事件一：
作案用的“干扰器”是花了5000元买回来的。这种干扰器使用很简单，当车主遥控锁门时，对着汽车按住干扰器按钮，干扰器就会发射一种电磁波，干扰遥控钥匙的电子信号，使车门无法上锁。
出现杂色的线
事件二：
1999年7月11日，某航班准备在广州白云机场降落时，出现了约80的航道偏离现象机长发现这一情况后，立即通知乘务员检查客舱。结果发现有四五位旅客正在使用移动电话。在乘务员上前制止后。飞机才在着陆前恢复了正常航道。
因此，在飞机上不能使用手机及其他电子类产品。
事件三：
一、干扰因素
在日常生活中，干扰是时常存在的。例如，人在逆风中骑自行车，逆风对自行车的速度构成干扰，要保持速度不变，人就需要用力蹬车，以克服这一干扰；
例如，前面提到在飞机飞行过程中，手机信号对导航信号构成干扰，直接影响飞行安全，所以乘客必须关闭手机。
例如，冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电。当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中等更加费电。
例如，战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。
1、什么是干扰因素
通俗地讲：扰干因素就是对控制系统
的行为造成影响的因素。
　在控制系统中，除输入量（给定值）外，引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。
有的干扰因素是由于环境造成的，有的干扰因素是人为原因所致。
例如：逆风中骑自行车。
脚踩的力
自行车
行使的速度
风
给定量
被控量
逆风、顺风、上坡路……
干扰因素就是环境造成的。
干扰因素就是人为原因所致。
例如，冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电。
干扰因素就是环境造成的。
例如，当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中等更加费电。
在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。
例如，战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。
对于大多数控制系统，在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。
例如，空调的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰。
当室外温度升高时，空调监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。
控制装置
压缩机
空调房间
制冷量
室内实际温度
设定温度
温度检测装置
（热敏电阻）
比较器
空调房间的温度控制系统
干扰因素
电冰箱的温度控制系统，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素
开电冰箱门
电冰箱所在房间的温度从20度变到32度
把热菜热饭放入电冰箱中
在电冰箱外放一盆冷水
是
是
是
否
马上行动
控制系统 干扰因素
自动扶梯的升降控制系统
利用滑轮组提升
重物的控制装置
蔬菜大棚的温度控制
扶梯承载的重量、电机输入电压的波动等
电机电源的波动、滑轮组的摩擦力等
大棚外部的环境温度的变化、大棚保温材料的保温性能产生变化等
下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？
飞机在起飞和降落时需要利用跑道上的盲降台向飞机发射电磁波信号以确定跑道位置。手机不仅在拨打或接听电话过程中会发射电磁波信号，在待机状态下也在不停地和地面基站联系。在它的搜索过程中虽然每次发射信号的时间很短，但具有很强的连续性，会对飞机的导航系统造成干扰，所以飞机在起飞和降落时不允许乘客使用手机。
出现杂色的线
电视机
案例分析：电视机的工作
电视机出现画面紊乱的现象往往是由于受到外界磁场干扰。
比如：近距离摆放的电冰箱、空调器、电风扇、日光灯等等。他们就是电视机正常工作的干扰因素。克服这些干扰的办法就是将家用电器远离电视机放置。
在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。
2、克服干扰的基本方法：
A、消除干扰
在飞机上不能使用通信工具
B、减弱干扰
电器在使用时远离其它电子设备
C、提高控制系统性能
采用闭环控制系统
找出干扰源，
切断干扰
2、克服干扰的基本方法：
1）消除干扰：
飞机导航系统
手机信号
GPS信号
航线
X
2）减弱干扰
电视信号传输过程中往往采用铁壳屏蔽的分支器
3）我们也可以加强控制系统的性能来提高抗干扰能力。
比较常用的就是在控制系统中引入反馈。
对汽车驾驶的干扰
汽车驾驶
1、控制系统的克服措施：
2、针对干扰源的措施：
3、管理措施：
交通部门设立道路隔离带、交通法加重对违章的处罚……
刹车、转向、鸣喇叭；
加强国民交通安全意识；
而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。
信息战中，利用电磁波对敌方信息系统进行干扰
在生产生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？
但在生产生活中，我们需要以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。
利用基因干扰疗法治疗顽固疾病
3、干扰因素的几点说明：
1）干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中。
声控灯开环控制，除输入的声音外，其他声音就是其干扰因素；空调房的温度控制属于闭环控制，室外环境温度的变化就是它的干扰因素。
2）通常，干扰因素都是作用在控制对象上，其作用是破坏控制系统的平衡——使被控量偏离平衡值。
3）通常，干扰因素不止一个。如自行车速度控制的干扰因素除逆风外，还可能有路面状况（斜坡、粗糙度）。
4）在进行控制系统设计时，必须对可能存在的干扰进行全面的调查和分析，如果干扰比较经常和严重，对控制目标影响产生严重的后果，就必须考虑抗干扰措施，保证控制系统的正常工作；如果可能存在的干扰不是很严重，就可以忽略。因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的复杂和成本的增加。
5）对干扰的利用，是指有意对控制系统施加干扰，使控制系统无法达到控制的目标，而不是控制系统本身需要干扰。
例如：打狂犬疫苗、军事演习中对敌方信息指挥系统进行电磁波干扰。
启动
停止
第2题：采用单一传感器，需要传感器既能检测高水位信号并将其返回到输入端，又能检测低水位信号并将其返回到输入端。
电极式水位传感器是该控制系统中的检测反馈装置，检测水位信号并将其返回到输入端，当水位达到或低于雨水收集池高度的1/4时，停止抽水。
电极式水位传感器
控制器
潜水泵
雨水收集池
预设水位
出水量
比较器
3、抽水控制系统方框图
水池内水位
问题思考：
在控制系统中怎么克服或利用干扰因素？
需要通过什么过程来克服或利用？
在自动控制系统中，将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程就是反馈。
1、什么是反馈？
二、反馈
电极式水位传感器
控制器
潜水泵
雨水收集池
预设水位
出水量
比较器
水池内水位
输出量水池内实际水位，通过检测装置电极式水位传感器返回到输入端并与输入量预设水位进行比较。
比较的过程就是反馈。
举例：投篮的工作过程
小明在体育课上练习立定投篮时，发生了这样的情况：
第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到了篮板上弹了回来，没有命中。
第二次投掷，他吸取了第一次的经验，减小了用力，但用力过小，篮球没有碰到篮圈。
第三次投掷，他吸取了前两次投掷的经验，终于投中了。
在这里，可以将人看作控制系统，眼睛把接收到的篮圈位置以及实际投掷位置等信息输送给大脑，经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球，直到投篮命中。
（１）请判断以上过程是开环，还是闭环控制？
（２）画出系统的方框图。
×
控制器（大脑）
执行器（手）
被控对象（篮球）
篮球实际投掷的位置
检测装置（眼睛）
篮圈的位置
+
-
控制量
投掷力
投篮的控制过程
是闭环控制系统
输出量篮球实际位置，通过检测装置眼睛返回到输入端并与输入量篮球圈位置进行比较。
比较的过程就是反馈。
电冰箱的温度控制系统
控制
电路
压缩机
电冰箱
制冷量
箱内实际温度
预设温度
检测装置
（热敏电阻）
比较器
输出量冰箱内实际温度，通过检测装置热敏电阻返回到输入端并与输入量预设温度进行比较。
比较的过程就是反馈。
检测装置
温控
装置
加热器
水壶
预设温度
加热时间
比较器
水壶内实际水温
自动保温电热水壶控制系统
上例中，普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源。而自动保温电水壶在壶内温度达到设定值时自动切断电源。
在自动保温电热水壶闭环控制系统中，因为有了比较器和检测装置，将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较，这个过程就是反馈。
利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行。
这就是运用反馈实现自动控制的结果。
　利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法，称为反馈方法。
在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成-个闭合的回路。
因此，带有反馈的控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺少的形式。
花房光照度
设定温度
温度传感器
花房内温度
花房土壤湿度自动控制
设定湿度
湿度传感器
花房土壤湿度
花房光照度自动控制
设定光照度
光传感器
三、闭环控制系统与开环控制系统的比较：
1、闭环控制系统的工作过程
从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。
由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时，闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较，控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。所以，一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
检测装置
控制器
执行器
被控对象
给定值
被控量
干扰
比较器
闭环控制系统的工作过程
+
-
闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。所以一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
浮球
控制器
阀门
水箱
预设水位
进水量
比较器
举例：供水水箱的水位自动控制系统
水箱内水位
干扰
热电偶
控制器
加热器
加热炉
设定温度
比较器
举例：加热炉的温自动控制系统
热量
炉内温度
干扰
在加热炉的温度控制系统中，可能有那些干扰因素，系统如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内？
干扰因素有加热炉外的环境温度变化、加热器的电压波动、炉壁自身温度、炉内空气温度等。
思考：
系统通过热电偶检测实际炉温，如与给定炉温有偏差，控制器就会将这个偏差信号传递给加热装置，以升高或降低炉温，使之向设定值变化，直到偏差消除，保证炉温保持在设定范围内。
控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。
2、开环控制系统的工作过程
开环控制系统特征：
系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递，输出量不对控制系统产生任何影响。
举例：公共汽车车门的开关控制系统。
按开关
（输入量）
车门
车门开或关（输出量）
电磁阀
气动活塞的行程
控制电路
控制量
控制器
执行器
被控对象
控制
电路
电动机
自动门
转动
红外装置检测人体热辐射发出的信号
门的开启或关闭
控制器
执行器
被控对象
被控量
控制量
自动门的开环控制系统
输入量
开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。也就是说，由于某种干扰信号的作用，使输出信号出现非正常状态时，系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工。
开环控制系统结构简单，成本低廉。
对于同一个控制问题，开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭环控制系统。
三、闭环控制系统与开环控制系统的比较：
闭环控制：反馈控制， 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。
高
低
复杂
简单
高
低
精度要求高、高可靠性
精度要求低、稳定
闭环控制系统与开环控制系统的比较
优、特点 抗干扰因
素的能力 适用场合
开环
控制系统
闭环
控制系统
结构简单，但控制精确度相对比较低
控制精度高,但设计较麻烦，结构较复杂，成本较高
较弱，没有自动纠正的能力
较强，能对被控量的偏差进行调整和补偿
控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合
要求高精度和高可靠性的场合
思考与分析
　　
闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。
　　举出一些由于干扰而使控制系统受到影响的例子。
雨天交通 病毒攻击 手机干扰飞机
在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？
综合分析：
　 闭环控制系统比开环控制系统具有更好的抗干扰能力，那么是否都应该用闭环控制代替开环控制？
是否采用闭环控制主要看对控制系统的要求（如成本、控制要求）。
在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭环控制系统。
控制
现象 输入量 比较器 控制器 执行器 被控
对象 输出量 检测（反馈）
装置
闭环控制系统 有 有
有
有
有
有
有
开环控制系统 有
无 有
有
有
有
无
开环控制系统与闭环控制系统的联系与区别
　　　在生活中，有时我们需要认识的对象内部无法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能。　
　　　
四、黑箱方法
把将要研究的系统作为“黑箱”，通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。就是黑箱方法
黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。
夏天买西瓜，可以通过“看瓜形，看瓜色，听瓜声，测弹性”来判断西瓜的生熟。
举例：夏天买西瓜黑箱方法的运用
中医看病主要通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断，开方抓药，有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察病人的反应，并随时增减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征入手，实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。其中人的气色、舌苔、脉搏等等都是人体内部输出的信息则人体是否健康的反映。
　　
举例：中医中黑箱方法的运用
　　生鸡蛋里的蛋黄和蛋白是液体，当我们转动鸡蛋后，蛋壳开始旋转，而鸡蛋里面的液体由于惯性的作用，要保持原来的静止状态，所以生鸡蛋旋转起来比较慢。因此旋转快的是熟鸡蛋，旋转慢的是生鸡蛋。
摇、转、看
系统的输入
鸡蛋
黑箱
生或熟
系统的输出
举例：根据旋转速度怎样判断生熟鸡蛋？
第1题：闭环控制系统在抗干扰方面有独特的优势，只要输出量有误差它就会进行控制，而不管这种误差产生的原因。
第2题：控制系统的内部结构和机理不能直接观察的情况下，人们需要采用黑箱方法进行研究。通过考察控制系统的输入、输出及其动态过程，来定量或定性地认识控制系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理。
五、 功能模拟方法
　　以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。
历史上曾经有过能模拟人的动作行为的各种模型，却没有解决从结构上模拟人的大脑进行思考的问题，因为人的大脑太复杂了。
在没有彻底弄清人脑内部结构和机理的情况下，必须另辟一条新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而是只要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是说，仅仅根据模型与人脑在功能行为上的相似，实现对人脑的模拟。
例如，在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋。
第1题：对于粮库的温度和湿度
自动控制，一般采用闭环控制
系统。增设定时检测温度和湿度
的装置，与给定的温度和湿度值比较，当出现偏差时，相应调节温度和湿度。方框图如下：