4.3 闭环控制系统的干扰与反馈
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闭环控制系统的干扰与反馈
广东省东莞中学 周熙
一、干扰因素：
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。
风对行人行走带来的干扰
行人
应保持的速度
行人速度
风
控制器
执行器
被控对象
输入值
输出量
干扰
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
给定量
被控量
干扰
比较器
干扰对控制功能的影响
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
手机信号对导航信号的干扰
外界光线对投影效果的干扰
病毒对计算机系统的干扰
电磁波对电视的干扰
手机等通信设备对磁卡的干扰
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
下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？
扶梯承载的重量，电机输出电压的波动等
滑轮组的摩擦力等
大棚外的环境温度变化，大棚保温材料的保温性能改变
1、消除干扰，如在飞机上不能使用通信设备
2、减弱干扰，如电视在使用时要远离其他电子设备
3、提高控制系统功能，如采用闭环控制系统
克服干扰的基本方法：
控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定
电子干扰机
在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的，而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。
竞技比赛
克服对本控制系统产生的干扰因素。
克服干扰因素
利用干扰因素
在特定的情况下，通过一定的手段对其他控制系统施加干扰。
主体不同
思考与分析
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？
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。
二、反馈
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。
被控对象
控制量
给定量
控制器
执行器
检测装置
比较器
+
-
被控量
体育课投篮时，第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到篮板上弹了回来，第二次投掷，减小了用力，由于用力太小，篮球没有碰到篮圈。第三次投掷，吸取前两次投掷的经验，终于投中了。
工作过程：
篮球实际投掷的位置
篮圈的位置
控制器 大脑
执行器手
被控对象篮球
+
检测装置（眼睛）
-
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。
案例分析
马上行动：
分析“穿针引线”的动作过程，并补充一个适当的事例填写下表
事例
输入
检测装置
输出
“穿针引线”
针的位置
人的眼睛
线与针孔的对准
飞镖实际投掷的位置
投掷飞镖
靶的位置
人的眼睛
闭环控制系统的工作过程
把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统叫闭环控制系统。
从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输入端与输出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。
被控对象
控制量
给定量
控制器
执行器
检测装置
比较器
+
-
被控量
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。
设定
温度
干扰
电冰箱
冰箱内
温度
控制
装置
制冷
装置
制冷量
温度传感器
比较器
闭环控制系统与开环控制系统的比较
系统 开环控制系统 闭环控制系统
能否自动调整和补偿
控制精度
结构
适用场合
不能
能
比较低
高
简单
相对复杂
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
机电控制式水位控制
浮球
电气控制装置
阀门
水箱
给定水位
进水量
比较器
水位
水箱出水量
水面蒸发的水量
干扰因素：
案例分析
全机械结构的水位控制
浮球
连杆机构
进水阀
水箱
比较器
进水量
水位
给定水位
案例分析
三、功能模拟法
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。
浮球
连杆机构
进水阀
水箱
比较器
进水量
水位
人脑
手
眼睛
给定水位
仿生
功能和行为
人机大战
卡斯帕罗夫vs深蓝
怎样挑选西瓜
看纹路、看色泽、摸瓜皮、掂重量、弹声音
在不能打开西瓜的前提下，采用上述不同的方法挑选西瓜，通过输入信号观测其输出信息来了解西瓜的好坏和成熟程度。
在实际生产生活中，我们经常碰到类似情况，在不能打开内部结构时，怎样去了解其结构与机理呢？
西瓜
看、摸、听、拍
生或熟
四、黑箱方法
在生活中，有时我们需要认识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与输出的关系来推测其内部的特性和功能。
黑箱方法就是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。
控制系统
系统的输入
系统的输出
案例：中医中黑箱方法的运用
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。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。
病人
望、闻、问、切
病情
案例：怎样判断生熟鸡蛋？
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
马上行动：
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
检测计算机的基本性能
运行程序
技术参数
计算机性能
心电图检查
跳动信号
心率波动图
心脏工作情况
控制论黑箱方法一般包括如下的基本原则和步骤；
1、相对孤立的原则，确认黑箱。
2、观测和主动试验，考察黑箱。
3、建立模型，阐明黑箱。
黑箱方法强调从整体、从整体与外部环境的联系中认识事物，而不去觉察其内部结构和局部细节，这是它的长处，也是它的不足之处。现代系统辨识理论指出：并不是所有系统都可以从它的输入、输出完全确定其结构和参数，正确的态度应当是黑箱方法与其它科学方法结合起来。
闭环控制系统与开环控制系统的比较
系统 开环控制系统 闭环控制系统
控制精度 相对较低 控制精度高
适用 一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场合 设计比较麻烦，结构也相对复杂，成本较高，适用于要求高精度和高可靠性的场合
闭环控制系统的干扰与反馈
广东省东莞中学 周熙
一、干扰因素：
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。
风对行人行走带来的干扰
行人
应保持的速度
行人速度
风
控制器
执行器
被控对象
输入值
输出量
干扰
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
给定量
被控量
干扰
比较器
干扰对控制功能的影响
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
手机信号对导航信号的干扰
外界光线对投影效果的干扰
病毒对计算机系统的干扰
电磁波对电视的干扰
手机等通信设备对磁卡的干扰
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
下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？
扶梯承载的重量，电机输出电压的波动等
滑轮组的摩擦力等
大棚外的环境温度变化，大棚保温材料的保温性能改变
1、消除干扰，如在飞机上不能使用通信设备
2、减弱干扰，如电视在使用时要远离其他电子设备
3、提高控制系统功能，如采用闭环控制系统
克服干扰的基本方法：
控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定
电子干扰机
在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的，而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。
竞技比赛
克服对本控制系统产生的干扰因素。
克服干扰因素
利用干扰因素
在特定的情况下，通过一定的手段对其他控制系统施加干扰。
主体不同
思考与分析
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？
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。
二、反馈
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。
被控对象
控制量
给定量
控制器
执行器
检测装置
比较器
+
-
被控量
体育课投篮时，第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到篮板上弹了回来，第二次投掷，减小了用力，由于用力太小，篮球没有碰到篮圈。第三次投掷，吸取前两次投掷的经验，终于投中了。
工作过程：
篮球实际投掷的位置
篮圈的位置
控制器 大脑
执行器手
被控对象篮球
+
检测装置（眼睛）
-
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。
案例分析
马上行动：
分析“穿针引线”的动作过程，并补充一个适当的事例填写下表
事例
输入
检测装置
输出
“穿针引线”
针的位置
人的眼睛
线与针孔的对准
飞镖实际投掷的位置
投掷飞镖
靶的位置
人的眼睛
闭环控制系统的工作过程
把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统叫闭环控制系统。
从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输入端与输出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。
被控对象
控制量
给定量
控制器
执行器
检测装置
比较器
+
-
被控量
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。
设定
温度
干扰
电冰箱
冰箱内
温度
控制
装置
制冷
装置
制冷量
温度传感器
比较器
闭环控制系统与开环控制系统的比较
系统 开环控制系统 闭环控制系统
能否自动调整和补偿
控制精度
结构
适用场合
不能
能
比较低
高
简单
相对复杂
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
机电控制式水位控制
浮球
电气控制装置
阀门
水箱
给定水位
进水量
比较器
水位
水箱出水量
水面蒸发的水量
干扰因素：
案例分析
全机械结构的水位控制
浮球
连杆机构
进水阀
水箱
比较器
进水量
水位
给定水位
案例分析
三、功能模拟法
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。
浮球
连杆机构
进水阀
水箱
比较器
进水量
水位
人脑
手
眼睛
给定水位
仿生
功能和行为
人机大战
卡斯帕罗夫vs深蓝
怎样挑选西瓜
看纹路、看色泽、摸瓜皮、掂重量、弹声音
在不能打开西瓜的前提下，采用上述不同的方法挑选西瓜，通过输入信号观测其输出信息来了解西瓜的好坏和成熟程度。
在实际生产生活中，我们经常碰到类似情况，在不能打开内部结构时，怎样去了解其结构与机理呢？
西瓜
看、摸、听、拍
生或熟
四、黑箱方法
在生活中，有时我们需要认识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与输出的关系来推测其内部的特性和功能。
黑箱方法就是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。
控制系统
系统的输入
系统的输出
案例：中医中黑箱方法的运用
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。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。
病人
望、闻、问、切
病情
案例：怎样判断生熟鸡蛋？
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
马上行动：
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
检测计算机的基本性能
运行程序
技术参数
计算机性能
心电图检查
跳动信号
心率波动图
心脏工作情况
控制论黑箱方法一般包括如下的基本原则和步骤；
1、相对孤立的原则，确认黑箱。
2、观测和主动试验，考察黑箱。
3、建立模型，阐明黑箱。
黑箱方法强调从整体、从整体与外部环境的联系中认识事物，而不去觉察其内部结构和局部细节，这是它的长处，也是它的不足之处。现代系统辨识理论指出：并不是所有系统都可以从它的输入、输出完全确定其结构和参数，正确的态度应当是黑箱方法与其它科学方法结合起来。
闭环控制系统与开环控制系统的比较
系统 开环控制系统 闭环控制系统
控制精度 相对较低 控制精度高
适用 一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场合 设计比较麻烦，结构也相对复杂，成本较高，适用于要求高精度和高可靠性的场合