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1、2008.4,控制与设计,控制的手段与应用,控制系统的工作过程与方式,闭环控制系统的干扰与反馈,控制系统的设计与实施,2008.4,干扰因素,反馈,学习目标,功能模拟方法,闭环控制系统的干扰与反馈,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。,2008.4,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。,自行车,干扰因素,在日常生活中，干扰（interference）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
2、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；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。,1).干扰因素的定义：,2008.4,风对行车带来的干扰,风对行人行走带来的干扰,风对飞机飞行的干扰,2008.4,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。,干扰因素,2008.4,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
3、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。,2008.4,是,是,是,非,2008.4,思考：,在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？,2).干扰因素的分析,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,被提物体的重力,滑轮组的摩擦力,2008.4,电视机有时在正常工作时，突然出现图像闪烁厉害或画面紊乱等情况，这是由于它受到外界磁场干扰所导致的现象。如果在电视机周围放置一台电冰箱，当电冰箱启动工作时，会形成一定范围的磁场，将对电视机的
4、图像造成干扰，使其画面紊乱。又如，空调器在工作时也会向周围空间发射大量的电磁波，如果电视机与空调器的距离很近，电磁波将对电视机图像造成干扰。此外，电风扇、日光灯等电器也会对电视机产生不同程度的磁场干扰，从而导致电视机的图像出现抖动，波纹等现象。,案例分析,电视机最忌磁场干扰，这些近距离的家用电器所形成的磁场，就是电视机正常工作时的干扰因素。克服这些干扰因素的办法就是将家用电器远离电视机放置。,2008.4,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。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。但在生产生活中
5、，我们需要以谨慎、严谨的态度对待干扰因素的利用。,电子干扰战,3).干扰因素的利用,2008.4,生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？,马上行动：P109,2008.4,干扰因素利用的含义:,干扰利用是指由于对控制系统施加某种干扰,使该控制系统的工作产生某种变化,而这种变化给干扰的施加者带来某种积极的效果,这便是干扰的利用.,应注意:并不是控制系统本身需要干扰,2008.4,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。,什么是反馈？,2008.4,投篮中的反馈,许宁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
6、球碰到篮板上弹了回来，没有命中。第二持投掷，他吸取了第一次的经验，减小了用力，但由于用力过小，篮球没有碰到篮圈。第三次投掷，他吸取了前两次的经验，终于投中了。,在这里，可以将人看作控制系统，眼睛（检测装置）把接受到的篮圈位置以及篮球实际投掷的位置等信息输入大脑（控制器），经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球（输出），直到投篮命中。,案例分析P110,2008.4,控制器（大脑）,执行器（手）,被控对象（篮球）,篮球实际投掷的位置,监测装置（眼睛）,篮圈的位置,投篮的工作过程可用下图描述：,2008.4,人在驾车时，要使运行中的汽车保持40km/h的速度不变，司机需要目视速度计（监测
7、装置），然后与给定值（40km/h）进行比较、运算，若与给定值有偏差，就通过调节加速器或自动器（即踩油门或踩刹车）来增减速度。因此，反馈使驾驶工作过程形成了一个闭环：检测比较运算操作监测，如此反复，直到被控量的值与给定值一致为止。,反馈使驾驶工作过程形成了一个闭环,2008.4,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。,如普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动电水壶具有当水沸腾时自动切断电源的功能，这就是运动反馈方法实现自动控制的结果。,反馈方法,2008.4,分析“穿针引线”的动作过程，并补充一个适当的事例填写
8、下表。,马上行动：P111,能扑灭烛焰的机器人,扑灭烛焰的指令,光敏力敏传感器,找到烛焰，将其扑灭,投掷飞镖,飞镖正确投掷的位置(期望值),人的眼睛,飞镖实际投掷的位置,2008.4,小试验：,试验目的：通过视力保护提醒器报警试验理解反馈的原理。,试验过程：根据电路图焊接视力保护提醒器的电路，并根据人眼看书时适宜的亮度范围，通过调节电路中的两个可变电阻Rp1和Rp2分别调整亮度的下限和上限。拉上窗帘使室内光线变暗。把做好的视力保护提醒器与台灯同放在一个桌面上，通过可调光旋钮或跳高台灯灯泡与桌面的距离，将台灯的光线逐渐调暗，是光线渐渐减弱，观察视力保护提醒器，直到它报警。用同样的方法将台灯调亮，
9、使光线渐渐增强，观察视力保护提醒器，直到它报警。,试验准备：有窗帘的房间，可调光台灯（或可调灯泡高度的台灯），试验电路板，光敏电阻，微调电阻三极管，小喇叭，电阻，导线，电池盒等。,视力保护提醒器报警试验,2008.4,试验总结：在视力保护提醒器内部已经设定两个可变电阻的阻值，分别对应着强光和弱光报警的上、下限电流值，这相当于一个已知的输入信号。当台灯光线的输出信号通过光敏电阻反馈到视力保护提醒器内，电路电流值与上、下限电流值比较，当电流值在这两者之间时，电路不报警；当光线过暗或过强，提醒器就报警，提醒人们电灯的光线过暗或过亮，人们再根据这一提示调节可变电阻值，从而调整光线的亮度。视力保护提醒器
10、利用了反馈原理，可用于提示学生用眼卫生。,小试验：,视力保护提醒器报警试验,2008.4,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，是被控量控制在给定值附近。,2008.4,供水水箱水位的
11、自动控制在生活中应用较多，如楼宇的水塔，其目的是使水箱中的水位保持在给定的高度。,供水水箱的水位自动控制系统,案例分析：,2008.4,控制系统有控制器、执行器、被控对象和检测器等组成。被控对象：水箱；被控量：水箱中的水位；执行器：阀门；控制器：机械或电气控制装置；监测器：浮球或液位传感器，是控制系统的反馈环节。,供水水箱的水位自动控制系统,案例分析：,2008.4,水位的自动调整过程：当水箱的出水流量加大时，水位下降，液位传感器测出水位后与给定值比较，其偏差值进入控制器，通过控制器的输出信号调节阀门，将阀门开大，使水位回升到给定值；反之，当出水流量减小时，通过控制器调节阀门，将阀门关小，使水
12、位回到给定值的位置。在这一控制系统中，影响水位控制的干扰因素主要是水箱的出水量（即用户使用的水量）、水箱水面蒸发的水量等。水箱的进水量是通过阀门进行控制的，它是该系统的控制量。,供水水箱的水位自动控制系统,案例分析：,2008.4,供水水箱的水位自动控制系统的方框图:,2008.4,思考：,在水箱的水位控制系统中,控制量还可以有其他选择吗?为什么?,答:引起水位变化的因素只有进水量和出水量,出水量(包括蒸发量)是不可控的,因此,只有选择进水量为控制量,无别的选择.,2008.4,质疑:幻灯片26的答中,”进水量为控制量”的说法是否有问题,按照课本说的控制量应该是”排水量”才是控制量.供水水箱的
13、水位自动控制系统的控制量前面没列出,应该是什么?,2008.4,加热炉的温度自动控制系统,加热炉的温度自动控制系统是闭环控制系统。控制系统有控制器、执行器、被控对象和检测器等组成。,被控对象：加热炉；被控量：炉内温度；执行器：炉内的加热器；控制器：一种电子或微机控制装置，它根据输入给定植与检测反馈值的比较信号控制执行器的动作；检测器：热电偶（具有检测和传感的作用），它将信号返回到输入端，构成反馈环节。,案例分析：,2008.4,炉温的调节过程：温度检测装置测出加热炉内的温度，并随时与给定的温度值进行比较，若加热炉内的温度高于给定的温度，则通过控制器调整调压器的电压，使通过电阻丝的电流减小，加热
14、炉的温度下降；若加热炉内的温度低于给定的温度，则通过控制器调整调压器的电压，使通过电阻丝的电流增大，炉内温度上升，并维持在正常值的范围内，从而使加热炉的温度基本稳定在给定的温度值上。,加热炉的温度自动控制系统,案例分析：,2008.4,加热炉的温度自动控制系统的图示：,案例分析：,2008.4,答：主要的干扰因素有加热炉外环境温度的变化和加热器电压的变化等，系统通过热电偶检测实际炉温，并与给定的温度值比较，若有偏差，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，使之向给定值变化，直到偏差消除，保证炉温保持在给定范围内。,2008.4,闭环控制系统与开环控制系统的比较,开环控制系统:
15、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。所以，开环控制系统的控制精确度（或称控制精度）相对比较低。但如果控制系统中个组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰相对较小，则开环控制系统也可以保持一定的精度。开环控制系统一般结构简单，使用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。,2008.4,闭环控制系统:优点是控制精度高，不论何种原因造成系统的输出量偏离给定值，闭环控制系统都会产生控制作用来减小这一偏差。与开环控制系统相比，闭环控制系统的设计比较麻烦，结构也相对复杂，构成控制系统
16、的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种控制方式用于要求高精度和高可靠性的场合。,闭环控制系统与开环控制系统的比较,2008.4,控制器,执行器,被控对象,给定值,被控量,干扰,反馈环节,控制器,执行器,被控对象,给定值,被控量,干扰,比较器,干扰对控制功能的影响,2008.4,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：P114,2008.4,形式上的区别:,马上行动：P114,有,无,有,有,有,有,有,有,有,有,有,有,有,无,2008.4,使用效果等方面的比较:,马上行动：P114,不能,能,比较低,简单,较低,控制精度要求不高而系统本身的元件又比较
17、稳定的场合,高,相对复杂,较高,要求高精度和高可靠性的场合,2008.4,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。,2008.4,功能模型:是指以功能行为的相似为 基础而建立的模型功能模拟方法:用功能模型来实现一定 功能和行为的方法,功能模拟方法,例如:猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的,但二者的内部结构和物理过程是截然不同的,2008.4,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
18、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,2008.4,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
19、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：P115,2008.4,黑箱方法,在生活中，有时我们需要哦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
20、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。,2008.4,西瓜,看、听、拍,生或熟,控制系统,系统的输入,系统的输出,黑箱方法,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。,2008.4,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
21、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？,2008.4,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
22、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,2008.4,列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。,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,2008.4,课堂回顾:,一、二、三、四、,干扰因素,反馈,功能模拟方法,黑箱方法,2008.4,1.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1
23、8C左右，夏季一般控制在25C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。,练习:P116,给定量（设定的温度）,控制器（控制电路）,执行器（加热或制冷元件）,被控对象（花房）,被控量（花房温度）,检测装置（温度传感器）,控制量（制冷制暖量）,比较器,2008.4,2.在可调光台灯的使用中，当用手调节旋钮时，灯的亮暗变化情况就会马上反映出来。阐述其工作原理，并画出这一控制系统的方框图。,练习:P116,2008.4,3.了解帆板运动，指出帆板运动员在行进中是怎样实现“凭风借力好行船”的，说明其控制的过程。如果要将帆板设计成一个闭环控制系统，你认为应该增加哪些环节，提出你的构想。,练习:P116,
