闭环控制系统的干扰与反馈正式（35张幻灯片）

(共35张PPT)
干扰因素
反馈
功能模拟方法
黑箱方法
3、熟悉闭环控制系统的工作过程
4、了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用
2、熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。
1、能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。
第三节 闭环控制系统中的干扰与反馈
　　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，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。
事件一：
出现杂色的线
说说你知道的干扰现象
家用压力锅在使用过程中，如果操作不当，会发生爆炸。
因为在压力锅控制系统中存在着相应的干扰，这些干扰
会影响正常的使用，例如，出气孔堵塞。
航空公司在飞机飞行过程中对乘客有哪些规定
不能使用电子设备，更不能拨打和接听手机。
【补充材料】在飞机上，使用电子装置会干扰飞机的通信、
导航、操纵系统．会干扰飞机与地面的无线电信号联系尤其在飞机起飞和降落时干扰更大．即使这些干扰只造
成飞机很小角度的航向偏离，也可能导致机毁人亡的后果。所以这是威胁飞行安全的“杀手” 。
以手机为例。
手机不仅在拨打过程中会发射电磁波信号，在待机状态下也不停地和地面基站联系。虽然每次发射信号的时间很短，但具有很强的连续性。
飞机在平稳飞行时，距地面6000～12000m，此时手机根本接收不到信号，但在起飞和降落过程中，手机可能与地面基站取得联系，在这时开启或使用手机对飞机的导航系统干扰最严重。例如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。
“空调温度控制系统”中，空调房间的门窗，对控制系统有什么影响
会影响室内温度，起干扰作用。但空调温度控制系统是一个闭环控制系统，可自动调控温度的变化。
1、干扰因素
通俗地讲：干扰就是对控制系统的行为造
　　　　　成影响的有害的信号及扰动。　
　在控制系统中，除输入量（给定的值）外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；
有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。
控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。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。
控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调器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，空调器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。
在电冰箱的温度控制系统中，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素？
马上行动：P108
⑴开电冰箱门； ⑵电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃； ⑶把热菜或热饭放入电冰箱中； ⑷在电冰箱外放一盆冷水。
是
是
是
非
思考 P109
说说下列控制系统中，可能存在哪些干扰因素，如何克服？
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
自动扶梯的承载量，电梯输入电压的波动
大棚外的环境温度变化，大棚保温材料的保温性能发生改变
滑轮组的摩擦力
我们在上课学习的过程中，会受到哪些因素的干扰呢？
走廊里的脚步声、小食品的气味等
校外汽车的喇叭声、夏天34℃ 高温等
环境干扰因素：
人为干扰因素：
科学实验证明，如果人长时间处在没有声音，没有外界环境的干扰，人听觉会失常，饥渴，并可能造成人的失语状态，甚至会让人发疯，就像噪音能让人发狂一样。
干扰的利用
信息战中，利用电磁波对敌方信息系统进行干扰
利用基因干扰疗法治疗顽固疾病
思考：如果没有干扰，行不行？
信息战中，利用电磁波对敌方信息系统进行干扰
利用基因干扰疗法治疗顽固疾病
找出干扰源，
切断干扰
但在一般的控制系统中，我们还是要想办法克服干扰
克服干扰的基本方法：
1、消除干扰
2、减弱干扰
飞机导航系统
手机信号
GPS信号
航线
X
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。
反馈
在自动控制系统中，将输出量通过适当的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（feedback）。
什么是反馈
案例分析：投篮
投篮的工作过程的描述：
圈的位置
＋
大脑
手
圈圈
圈实际投
掷的位置
眼睛
－
反馈使工作过程形成闭环：
检测
比较
运算
操作
检测
如此反复
反馈方法：
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。
马上行动:P111
事例 输入 检测装置 输出
花房恒温自动控制
设定的温度
　温度检测装置
　射击
靶心的位置
　眼睛
子弹击中靶心
线与针孔对准
练一练：
控制
现象 输入量 控制器 执行器 被控
对象 输出量 检测
装置
人投
飞镖
抽水马
桶水箱
自动供
水过程
靶中心
位置
大脑
手
飞镖
飞镖投的实际位置
眼睛
设定的
水位
阀门
水箱
实际水位
浮球或
液位传感器
机械控制部件
人投飞镖的控制过程
靶心的
位置
大脑
手
飞镖
飞镖的
实际位置
眼睛
比较器
设定的
水位
机械控
制部件
阀门
水箱中
的水
实际水位
浮球或
液位传感器
比较器
抽水马桶水位自动控制系统工作过程
干扰
闭环控制系统的工作过程
核心：通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差，使
被控量控制在给定值的附近 。
检测装置
比较器
给定量
（输入）
控制器
执行器
被控对象
被控量
（输出）
干扰
要求（特点）： 1、输出端与输入端之间存在反馈回路；
2、输出量对控制过程产生影响；
闭环系统的工作过程:
案例分析：供水水箱的水位自动控制系统
目的：使水箱中的水位保持在给定的高度。
给定量
＋
控制器
阀门
水箱
水箱的水位
检测装置
（反馈）
－
干扰
比较器
案例分析：加热炉的温度自动控制系统
给定量
＋
控制器
加热器
加热炉
炉内温度
检测装置
（反馈）
－
干扰
比较器
思考：在加热炉的温度控制系统中，可能有哪些干扰因素，系统是如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内的？
１、干扰因素：加热炉外的环境温度、加热器电压的波动等
２、通过检测，比较，控制来克服干扰。
就开环控制系统和闭环控制系统的区别与联系，设计一个图表。
马上行动：P114
开环控制系统 闭环控制系统
能否自动调整和补偿 不能 能
控制精度 比较低 高
结 构 简单 相对复杂
成 本 较低 较高
适用场合 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
比较加热炉温度自动控制系 统与手动控制系统，我们发现，控制器代替人脑实现了温度控制的功能，执行器代替人手实现了调压的功能，检测装置代替了人眼实现了检测温度值的功能。
这种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。
功能模拟方法
左图是加热炉温度手动控制系统示意图。
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，仅仅根据模型和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。
对人脑的模拟
在第二次世界大战中，英美等国为了打破德国法西斯的空中优势，集中了一批优秀的科学家和工程师，研究如何使高炮更有效的击落敌机。根据实战的需要，要求设计一种具有控制功能的告诉计算机，它可以根据外界的各种情况，控制高炮按照预测的位置发射炮弹，使炮弹与飞机正好在空中的某一点相遇。
参加研究的美国科学家挨维纳联想起人与机器在控制自己的行为和动作上存在相似性和共同之处，进行了艰苦的努力和探索，突破了传统思维的束缚，揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，提出了功能模拟的方法，并在此基础上创立了控制论，为现代科学技术研究提供了崭新的科学方法。
功能模拟方法的提出
阅读：P115
黑箱方法
在生活中，有时我们需要认识的对象的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和输出的关系来推测其内部的特性和功能。
例如，中医看病通过“望、闻、问、切”来了解病人的病况，最后对病情作出判断；
夏天买西瓜，可以通过“看瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性”来判断西瓜的成熟。
这些事例都没有打开事物直接观看内部结构，而是通过观察外部或试验等方法来认识事物的。
西瓜
看、听、拍
生或熟
控制系统
系统的输入
系统的输出
例如，通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
这种把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，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黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
　　　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
案例：根据旋转速度怎样判断生熟鸡蛋？
　　　中医中的“以象测脏”的方法就是原始的黑箱方法。象就是输入＼输出的信息；脏就是人体黑箱内部的规律性联系。
　　　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付出的信息则人体是否健康的反映。
　　 中医应用黑箱方法推导人体内部规律时，主要采用了演绎推理和类比推理。
案例： 中医中黑箱方法的运用
列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。
黑箱方法应用的例子 输 入 输 出 需要了解的情况
马上行动：P116
判断生熟鸡蛋
摇、转、看
生或熟
旋转速度
中医诊断病情
望、闻、问、切
是否健康
气色、舌苔、脉搏等
B超探测胎儿性别
B型超声波
超声图象
胎儿性别
了解计算机的基本性能
运行应用程序
计算机的反应
计算机基本性能的好坏
小 结：
1、干扰的概念
2、克服干扰的基本方法
3、反馈
4、功能模拟法
5、黑箱方法
练一练：
　　某花农正在筹建一个小型花房，花房的温度冬季
一般控制在18℃左右，夏季一般控制在25℃左右。请
画出花房的温度控制系统的方框图，简要说明它的工
作过程。
给定量
＋
控制器
温度调
控系统
花房
花房内温度
检测装置
（反馈）
－
干扰
比较器