1、三、閉環控制系統的干擾與反饋學習目標能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，并作分析；熟悉閉環控制系統中反饋環節的作用；熟悉閉環控制系統的工作過程；了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統中的應用。1、干擾因素在日常生活中，干擾是時常存在的。例如，1.人在逆風中騎自行車，逆風對自行車的速度構成干擾，要保持車速不變，人就需要用力蹬車，以克服這一干擾；2.在飛機飛行過程中，手機信號對導航信號構成干擾，直接影響飛行安全，所以乘客必須關閉手機。風應保持的速度 自行車 行車速度 在控制系統中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。有的干擾因素是由于環境造成的，如影響自行車行

2、駛速度的變化的自然風等；有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。在控制系統中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定。空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器監測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。馬上行動在電冰箱的溫度控制系統中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？（1）開電冰箱門；（2）電冰箱所在房間的溫度從20變到32；（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中；（4）在電冰

3、箱外放一盆冷水。思考在下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？控制系統干擾因素自動扶梯的升降控制系統利用滑輪組提升重物的控制裝置蔬菜大棚的溫度控制案例分析電視機電視機有時在正常工作時，突然出現圖像閃爍厲害或畫面紊亂等情況，這是由于它受到外界磁場干擾所致的現象。如果在電視機周圍放置一臺電冰箱，當電冰箱啟動工作時，會形成一定范圍的磁場，將對電視機的圖像造成干擾，使其畫面紊亂。又如，空調器在工作時也會向周圍空間發射大量的電磁波，如果電視機與空調節器器的距離很近，電磁波將對電視機的圖像造成干擾。此外，電風扇、日光燈等電器也會對電視機產生不同程度的磁場干擾，從而導致電視機的圖像出現抖動、波紋等現象。電

4、視機最忌磁場干擾，這些近距離的家用電器所形成的磁場，就是電視機正常工作的干擾因素。克服這些干擾因素的辦法是將家用電器遠離電視機放置。在一般控制系統中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統進行干擾，使之不能正常工作。但在生產生活中，我們需要以慎重、嚴謹的態度對待干擾因素的利用。馬上行動生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進行利用？如何看待控制系統中的干擾因素，請進行以下辯論。正方：干擾因素都是需要克服的。反方：干擾因素有時也可以被利用。2、反饋什么是反饋控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端

5、并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。案例分析許寧在體育課上練習立定投籃時，發生了這樣的情況：第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到籃板上彈了回來，沒有命中。第二次投擲，他吸取了第一次的經驗，減小了用力，但由于用力過小，籃球沒有碰到籃圈。第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經驗，終于投中了。在這里，可以將人看做控制系統，眼睛（檢測裝置）把接收到的籃圈位置以及籃球實際投擲的位置等信息輸送給大腦（控制器），經大腦分析和加工處理后，發出指令，指揮手投擲籃球（輸出），直到投籃命中。投籃的工作過程可用下圖描述：在上面的案例中，若沒有眼睛的觀察和檢測，投籃的反饋就無法形成。又如，人在駕車時，要使運行中的汽車保持40

6、km/h的速度不變，司機需要目視速度計（檢測裝置），然后與給定值（40km/h）進行比較、運算，若與給定值有偏差，就通過調節加速器或制動器（即踩油門或踩剎車）來增減速度。因此，反饋使駕駛工作過程形成了一個閉環：檢測 比較 運算 操作 檢測，如此反復，直到被控量的值與給定值一致為止。利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動電水壺具有當水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是運用反饋方法實現自動控制的結果。馬上行動分析“穿針引線”的動作過程，并補充一個適當的事例填寫下表。事例輸入檢測

7、裝置輸出“穿針引線”小試驗試驗目的：通過視力保護提醒器報警試驗理解反饋的原理。試驗準備：有窗簾的房間，可調光臺燈（或可調燈泡高度的臺燈），試驗電路板，光敏電阻，微調電阻，三極管，小喇叭，電阻，導線，電池盒等。試驗過程：1、根據電路圖焊接視力保護提醒器的電路，并根據人眼看書時適宜的亮度范圍，通過調節電路中的兩個可變電阻RP1和RP2分別調整亮度的下限和上限。2、拉上窗簾使室內光線變暗。3、把做好的視力保護提醒與臺燈同放在一個桌面上，通過可調光旋鈕或調高臺燈燈泡與桌面的距離，將臺燈的光線逐漸調暗，使光線漸漸減弱，觀察視力保護提醒器，直到它報警。4、用同樣的方法將臺燈的光線逐漸調亮，使光線漸漸增強，

8、觀察視力保護提醒器，直到它報警。試驗總結：1、在視力保護提醒器內部已經設定兩個可變電阻的阻的阻值，分別對應著強光和弱光報警的上、下限電流值，這相當于一個已知的輸入信號。當臺燈光線的輸出信號通過光敏電阻反饋到視力保護提醒器內，電路電流值與上、下限電流值比較，當電流值在這兩者之間時，電路不報警；當光線過暗或過強，提醒器就報警，提醒人們電燈的光線過暗或過亮，人們再根據這一提示調節可變電阻值，從而調整光線的亮度。2、視力保護提醒器利用了反饋原理，可用于提示學生用眼衛生。閉環控制系統的工作過程從反饋來看，閉環控制系統就是指在系統的輸出與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。閉環控制

9、系統的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。由于某種干擾因素的存在，系統的被控量偏離給定值時，閉環控制系統中的反饋環節能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較，控制器根據比較得到的偏差信號進行調節，從而使系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。所以，一個閉環控制系統，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。案例分析供水水箱的水位自動控制系統供水水箱水位的自動控制在生活中應用較多，如樓宇的水塔，其目的是使水箱中的水位保持在給定的高度。控制系統由控制器、執行器、被控對象和檢測器等組成。被控對象：水箱；被控量：水箱中的水位；執行器：閥門；控制器：機械或電氣控制裝置；

10、檢測器：浮球或液位傳感器，是控制系統的反饋環節。水位的自動調節過程：當水箱的出水流量增大時，水位下降，液位傳感器測出水位后與給定值比較，其偏差值進入控制器，通過控制器的輸出信號調節閥門，將閥門開大，使水位回升到給定值；反之，當出水流量減小時，通過控制器調節閥門，將閥門關小，使水位回到給定值的位置。在這一控制系統中，影響水位控制的干擾因素主要是水箱的出水量（即用戶使用的水量）、水箱水面蒸發的水量等。水箱的進水量是通過閥門進行控制的，它是該系統的控制量。思考在水箱的水位控制系統中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？案例分析加熱爐的溫度自動控制系統是閉環控制系統。控制系統由控制器、執行器、被控對象和

11、檢測器等組成。被控對象：加熱爐；被控量：爐內溫度；執行器：爐內的加熱器；控制器：一種電子或微機控制裝置，它根據輸入給定值與檢測反饋值的比較信號控制執行器的動作；檢測器：熱電偶（具有檢測和傳感的作用），它將信號返回到輸入端，構成反饋環節。爐溫的調節過程：溫度檢測裝置測出加熱爐內的溫度，并隨時與給定的溫度值進行比較，若加熱爐內的溫度高于給定的溫度，則通過控制器調整調壓器的電壓，使通過電阻絲的電流減小，加熱爐的溫度下降；若加熱爐內的溫度低于給定的溫度，則通過控制器調整調壓器的電壓，使通過電阻絲的電流增大，爐內溫度上升，并維持在正常值的范圍內，從而使加熱爐的溫度基本穩定在給定的溫度值上。思考在加熱爐的

12、溫度控制系統中，可能有哪些干擾因素，系統是如何克服干擾使爐溫穩定在給定范圍內的？閉環控制系統與開環控制系統的比較開環控制系統本身不能對被控量的偏差進行調整和補償。也就是說，由于某種干擾信號的作用使輸出信號出現非正常狀態時，系統本身沒有自動糾正的能力，要進行糾正，必須借助于人工。所以，開環控制系統的控制精確度（或稱控制精度）相對比較低。但如果控制系統中各組成元件的特性比較穩定，而且外界的干擾相對較小，則開環控制系統也可以保證一定的精度。開環控制系統一般結構簡單，適用于控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合。閉環控制系統的優點是控制精度高，不論何種原因造成系統的輸出量偏離給定量，閉環控制

13、系統都會產生控制作用來減小這一偏差。與開環控制系統相比，閉環控制系統的設計比較麻煩，結構也相對復雜，構成控制系統的成三較高。閉環控制系統是自動控制中廣泛采用的一種控制方式，用于要求高精度和高可靠性的場合。馬上行動就開環控制系統與閉環控制系統的聯系與區別，設計一個圖表。3、功能模擬方法左圖是加熱爐溫度的手動控制系統示意圖。比較加熱爐溫度自動控制系統與手動控制系統，我們發現，控制器代替人腦實現了控制溫度的功能，執行器代替人手實現了調壓的功能，檢測裝置代替人眼實現了檢測溫度值的功能。這種以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原形”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。歷史上曾經有過能模擬人的動作

14、行為的各種模型，卻沒有解決從結構上模擬人的大腦進行思考的問題，因為人的大腦太復雜了。在沒有徹底弄清人腦內部結構和機理的情況下，必須另辟一條新的模擬途徑，這條途徑不要求從結構上去模擬人腦，而是只要求模型在功能行為上與人腦相似。也就是說，僅僅根據模型與人腦在功能行為上的相似，實現對人腦的模擬。例如，在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。閱讀功能模擬方法的提出在第二次世界大戰中，英美等國為了打破德國法西斯的空中優勢，集中了一批優秀的科學家和工程師，研究如何使高炮更有效地擊落敵機。根據實戰的需要，要求設計一種具有控制功能的高速計算機，它可以根據外界的各種

15、情況，控制高炮按照預測的位置發射炮彈，使炮彈與飛機正好在空中的某一點相遇。參加研究的美國數學家維納聯想起人與機器在控制自己的行為和動作上存在相似性和共同之處，進行了艱苦的努力和探索，突破了傳統思想的束縛，揭示了機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規律，提出了功能模擬的方法，并在此基礎上創立了控制論，為現代科學技術研究提供了嶄新的科學方法。探究功能模擬方法對技術設計有何意義？4、黑箱方法在生活中，有時我們需要認識的對象的內部無法打開或不便打開，這時，可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關系來推測其內部的特性和功能。例如，中醫看病通過“望、聞、問、切”來了解病人的病況，最后對病情作出判斷

16、；夏天買西瓜，可以通過“看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性”來判斷西瓜的生熟。這些事例都沒有打開事物直接觀看內部結構，而是通過觀察外部或試驗等方法來認識事物的。這種把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。例如，通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節，就是黑箱方法的運用。馬上行動列舉黑箱方法應用的例子，并填寫下表。黑箱方法應用的例子輸 入輸 出需要了解的情況鏈接自動控制與系統系統工程，宋健著，中國大百科全書出版社，1991年版。控制論，羅伯特