4.3 闭环控制系统的干扰和反馈　永二中.ppt

第四单元控制与设计 闭环控制系统的干扰和反馈 1 任何一种控制的实现 都要通过若干个环节 这些环节所涉及的装置就构成了一个系统 称为控制系统 知识回顾 控制系统 闭环控制系统 closedloopcontrolsystem 开环控制系统 openloopcontrolsystem 简单开环控制系统的方框图 简单闭环控制系统的方框图 1 干扰因素2 反馈3 功能模拟方法4 黑箱方法 第三节闭环控制系统的干扰与反馈 一 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 自行车 风 脚蹬的力 行车速度 提问 飞机在起飞和降落过程中是否会受到电磁波干扰 路况 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成为干扰因素 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 干扰因素 马上行动 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 1 开电冰箱门 2 电冰箱所在房间的温度从20摄氏度变到30摄氏度 3 把热菜或热饭放入电冰箱中 4 在电冰箱外放一盆冷水 闭环控制系统的干扰与反馈 严格说这也会引起环境温度的变化 但这种变化一般有利于冰箱实现目标 不属于干扰因素 4 在冰箱外放一盆冷水 闭环控制系统的干扰与反馈 思考 在下表所列控制系统中 可能存在哪些干扰因素 扶梯承载的重力 电机输出电压的波动 滑轮组的摩擦力 电机电源的波动 外部环境温度的变化 大棚保温材料的保温性能产生变化等 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 闭环控制系统的干扰与反馈 2 克服干扰的基本方法 A 消除干扰B 减弱干扰电器在使用时远离其它电子设备C 提高控制系统性能采用闭环控制系统 飞机上不能使用通信工具 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 闭环控制系统的干扰与反馈 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 feedback 案例分析 投篮 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 投篮的工作过程可用下图描述 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 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 成为反馈方法 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 这就是运用反馈方法实现自动控制的结果 感温包 膜盒和传动膜片是电冰箱温度自动控制系统的检测反馈装置 通过反馈来改变压缩机的开 或停 以此实现电冰箱的温度自动控制 案例分析 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 供水水箱水位的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 案例分析 供水水箱的水位自动控制系统 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 被控量 执行器 控制器 检测器 案例分析 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 案例分析 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 干扰因素是什么 反馈装置是什么 加热炉的温度自动控制系统 案例分析 闭环控制系统与开环控制系统的比较 开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行自动调整和补偿 所以 开环控制系统的控制精确度相对比较低 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 闭环控制系统的优点是控制精度高 闭环控制系统会产生控制作用来减小输出量偏差 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 有反馈 无反馈 精度高 精度较低 结构复杂 结构简单 成本高 成本低 高精度 高可靠 系统本身不稳定的应用领域 控制精度要求不高本身很稳定的应用 三 功能模拟方法 观察加热炉温度手动控制系统示意图 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 黑箱方法 据俄罗斯 莫斯科时报 6月10日报道 俄罗斯总统的首席经济顾问达瓦科维奇9日晚上战平国际象棋机器人 比赛结果为1胜1负 达瓦科维奇同时也是俄罗斯国际象棋协会主席 他承认这是他第一次有勇气和机器人比赛 参赛机器人是俄罗斯工程师用最先进的技术制作的 它能用一只长约1米的手臂移动象棋 并同时与3个人比赛 设计师很自信地说 从理论上来说它是无法被击败的 这次机器人同时与达瓦科维奇 国际象棋大师伊戈尔和7岁的象棋女神童阿琳娜一起下5分钟的快棋赛 达瓦科维奇赛前和现场的观众及记者说 这个机器看起来不像人类 但棋下得比人好 功能模拟方法 黑箱方法 2 判别下列案例是否涉及到功能模拟方法 机器人保姆 会拉提琴的机器人 会骑自行车的机器人 四 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 中医通过 望 闻 问 切 来了解病情 功能模拟方法 黑箱方法 通过 看瓜形 看瓜色 听瓜声 测弹性 来判断西瓜的生熟好坏 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 四 黑箱方法 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18 C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 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