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4.3 闭环控制系统的干扰与反馈_图文

时间:2017-10-24

第四单元 控制与设计
4.3 闭环控制系统的干扰与反馈

1.什么是干扰因素

干扰因素

各种电器设备对电视机的干扰.

干扰因素
应保持的速度
给定量

自行车

行使的速度 被控量

风 逆风、顺风、雨水……

干扰因素可能一个, 也可能若干个。

干扰因素的概念
? 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。
? 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。

案例1:
在飞机上,使用电子装置可能会干扰飞 机的通信、导航、操纵系统,会干扰飞机与 地面的无线信号联系,尤其是在升降时,即 使这些干扰只造成飞机很小的角度的航向偏 离,也可能导致机毁人亡的结果。1999年7 月11日,某航班准备在广州白云机场降落时 ,出现了8度的航迹偏离,机长发现后,立 即通知乘务员检查,结果发现有四五位旅客 在使用移动电话。乘务员上前制止后才在着 陆时恢复了正常航迹。因此在飞机上不能使 用手机及其他电子产品。

马上行动
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







下表所列控制系统中,可能存在哪些干扰因素? 控制系统
自动扶梯的升降控制系统

干扰因素
电机输出电压 的波动等、齿轮间的摩擦力等 滑轮组的摩擦力等 外部环境温度变化, 大棚保温材料的保温性能改变等

利用滑轮组提升重物的控制装置

蔬菜大棚的温度控制

克服干扰
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。

克服干扰的基本方法 1.消除干扰:如飞机中不能使用 通信设备; 2.减弱干扰:如电器在使用时要 远离其他电子设备; 3.提高控制系统性能:如采用闭 环控制系统;

干扰因素是否一无是处?
干扰因素有时要克服,有时还可利用。 在军事中,可利用一定频率的电磁波 对对方的信息指挥系统进行干扰。

手机来电闪, 根据电磁波干扰原理

2.反馈
闭环控制系统方框图
给定量

+

比较器

控制量

控制器

执行器

被控对象

被控量

检测装置

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)。

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, 称为反馈方法。

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。

供水水箱的水位自动控制系统

预设 比较器 水位

进水量

控制器

阀门

水箱

实际 水位

浮球

加热炉的温度自动控制系统

设定 温度

比较器

热量

炉内 温度

控制器

加热器
热电偶

加热炉

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。在精度要求不高或干扰 影响较小的情况下,这种控制方式还有一定 的实用价值。

闭环控制系统与开环控制系统的比较
系统
能否自动调 节补偿 控制精度 结构 适用场合

开环控制系统

闭环控制系统


低 简单
精度要求低、 稳定场合


高 复杂
精度要求高、 可靠性高

功能模拟方法
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。

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,就是功能模拟法。

对人脑的模拟
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。

卡斯帕罗夫VS“深篮”

1997年5月11日

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。功能模拟法为仿生学、人工智能等学科提供了科学方 法。

西瓜含有大量水分及多种 人体所需的矿物质。我们去买时怎么挑选?

看纹路、掂重量、 西瓜 弹声音…… 黑箱

西瓜的 生熟

黑箱方法
? 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。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。
中医“望闻问切”

判断生熟鸡蛋

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
摇、转、看
望、闻、问、切

输 出

需要 了解的情况

判断生熟鸡蛋 中医诊断病情 B超探测胎儿性别
了解计算 机的基本性能

生或熟
是否健康 胎儿性别 计算机的 反应

旋转速度
气色、舌苔、 脉搏等

B型超声波 运行应用 程序

超声图象
计算机基本 性能的好坏

控制系统的设计
分析被控对象 的主要特征
控制系统的 方案选择 控制系统的调试 、运行和评价 系统的成本分析 明确控制的目的 确定被控量、控制量

控制系统的 设计

分析主要的 干扰因素

。。。 。。。 实施控制系统所需 的设备、元件等

控制系统的设计一般步骤
①设计分析:判断开环还是闭环;分析被控对象、被控量 、控制量、执行器、控制器、检测装置、干扰因素等 ②控制过程 ③写出方框图。
例:抽水马桶水箱的自动控制系统设计: A 设计分析:被控对象是抽水马桶的水箱,被控量是抽水马桶水 箱水位的高度,控制量是进水管的进水量,执行器是进水阀门, 控制器是杠杆装置,检测装置是浮球,主要干扰因素是出水量。 B 控制过程:拨动冲水旋钮,使出水阀打开,水箱冲水。与此同 时,进水阀打开,水箱进水,直到指定水位时,进水阀关闭。 C 方框图:



结:

1、干扰因素 2、反馈 3、功能模拟法 4、黑箱方法

练习
1.家用空调温度自动控制系统是闭环控 制,其中反馈环节的作用是( D ) A.减少输入量 B.增加输入量 C.稳定输入量 D.稳定输出量

2.家用电视机最容易受到的影响(即干扰 因素)是( D ) A.环境温度 B.环境湿度 C.风的强度 D.电磁干扰

3.比较闭环控制系统和开环控制系统, 下列判断正确的是( ) ABC A.开环控制系统的控制精度较低 B.开环控制系统无反馈环节 C.闭环控制系统的抗干扰能力强 D.闭环控制系统和开环控制系统都 有比较器

4.把在体育课上练习投篮看成一个控制系 统,则下列判断正确的是( ABC ) A.控制系统的控制器是人的大脑 B.控制系统的反馈环节是人的眼睛 C.控制系统的执行器是人的手 D.控制系统的被控量是篮球

5.家用冰箱的温控系统采用闭环控制. 为了进一步提高其抗干扰的性能.设计中 采取的措施是( C ) A.增加反馈环节 B.提高压缩机的制冷量 C.提高箱体的隔热性能 D.说明书上建议用户将冰箱远离其他家 用电器放置

高考原题
1.如图所示为自动火炮控制系统示意图。当雷达检测到飞机 后发出信号给跟踪系统,跟踪系统操纵火炮,调整火炮角度 ,该系统中被控对象是( A )

A.火炮

B.跟踪系统

C.雷达

D.飞机

2.如图所示为某种抽水马桶水箱的结构示意图:浮球和连 杆用螺纹连接,通过调节连杆长度来设置给定水位,当水 位上升到给定水位时,浮球带动连杆装置关闭进水阀。如 果往进水阀方向调节浮球,缩短连杆长度,那么产生的后 果是( ) B
A.降低给定水位高度 B.增加给定水位高度 C.不影响给定水位高度 D.降低实际水位高度

3.如图所示为简化的飞机飞行状态控制系统。陀螺仪检测飞机 的飞行状态后,将信号送给自动驾驶仪,自动驾驶仪将飞行状 态与给定状态进行比较,根据偏差值控制舵机运转,舵机操纵 飞机尾翼,调整飞行状态。 (1)请根据上面的示意图,补充完整飞机飞行状态控制系统方 框图。(在“▲”处填写相应的内容)

(2)陀螺仪将检测到的飞行状态信号传送到自动驾驶仪与给定状态进 行比较的过程称为▲ 。 (3)在飞机飞行过程中,遇到气流时,飞行状态会发生变化,这种给 定状态以外引起飞行状态变化的因素称为 ▲ 。

?谢谢!


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