控制系统的干扰

第四章第四节限制系统的干扰

一、教学内容分析：

本节是在学生对限制系统有肯定相识的基础上详细的阐述闭环限制系统的

干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是限制系统的详细应用章节。为

以后学习的限制系统的设计等内容奠定了理论基础。

本节内容在《限制和设计》中起到举足轻重的作用，不仅可以使学生对闭环

限制系统中的反馈（feedback）有很深的相识，而且也为闭环限制系统的设计与

实施打好基础。本节教材主要包含三部分内容：干扰因素、反馈、功能模拟法、

黑箱法。本节是本单元的重点，也是一个难点，分析干扰因素及反馈给限制系统

带来的影响，综合了本单元前两节的学问。从模块角度看，该节融合了该模块其

次单元流程与设计，以及第三单元系统与设计的内容，限制过程本身的工作过程

就是一个流程，闭环限制系统大致包括限制环节、执行环节、反馈环节和比较环;

反馈也体现了系统的环境适应性，因此，本节是本模块的综合应用。本单元是本

课程学问的综合应用，综合了必修1、必修2的学问，讲了闭环自适应限制，体

现了技术以人为本的理念。

二、教学对象分析：

学生对限制机理比较生疏，整个教学都应以案例分析为主，所举案例应力求

简洁。

三、目标：

1.学问与技能：

（1）能结合案例找出影响简洁限制系统运行的主要干扰因素，并作分析。

（2）熟识闭环限制系统中反馈环节的作用。

（3）熟识闭环限制系统的工作过程。

（4）了解功能模拟方法和黑箱方法在限制系统中的应用。

2.过程与方法：

用方框图分析生活中常见限制系统，通过实践、嬉戏、探讨、分析、讲授法、

问题教学法、小组探讨法、设计教学法等方法使学生懂得反馈在闭环限制系统中

的作用，了解功能模拟方法和黑箱方法在限制系统中的应用；结合案例分析影响

简洁限制系统运行的主要干扰因素及克服方法。

3.情感看法价值观：

通过学习，联系生活，能详细问题，详细分析，能在生活中应用反馈原理，

调整自身的心理、学习与生活。培育学生的视察实力，体验学习乐趣。渗透平安

教化、德育教化、环保等教化。

四、教学重难点：

1.教学重点：

干扰因素；反馈与闭环系统的工作原理；开环限制系统与闭环限制系统的选用。

2.教学难点：

干扰因素的判定；闭环系统的工作原理；功能模斗方法、黑箱方法。

五、教学概述：

通过人们熟识的例子来说明在限制系统中除输入量以外能引起被控量变更

的各种因素都是限制系统的干扰。用方框图分析生活中常见限制系统，通过实践、

嬉戏、探讨、分析等方法使学生懂得反馈在闭环限制系统中的作用。

3课时。

六、教学器材：

水塔水位限制模型1套、一次性杯子、乒乓球、烘箱等。

七、教学过程:

引入：

做一个简洁的调查：每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等?

在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风？（活跃课堂气氛，激发学生的

求知欲。）

大部分同学应当是有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素，同时乘车

也有干扰，而且不论是骑自行车还是乘

车干扰因素不止一个，有主要的，有次

要的。

这节课我们就探讨探讨闭环限制系统的

干扰与反馈。

第三节闭环限制系统的干扰与反馈

新课教学:

一）什么是干扰因素：

1.干扰因素的概念：

在限制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变更的各种因素称为干扰

（interference）因素。

案例一：逆风中骑自行车。

脚踩的力

给定量

逆风、顺风、上坡路.

案例二：飞机飞行。

结论：在限制系统中，干扰因素肯定有，可能有一个，也可能有若干个。

扩展探讨：生活中还有哪些例子说明“闭环限制系统的干扰是存在的，是不行避

开的”？

立刻行动：

在电冰箱的温度限制系统中，下列状况是否属于影响其温度限制的干扰因素？

（1）开电冰箱门。

外面热气进入冰箱将会引起箱内温度变更，属于干扰因素。

（2）电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃

属于干扰因素。

（3）把热菜或热饭放入电冰箱中。

属于干扰因素。

（4）在冰箱外放一盆冷水。

严格说这也会引起环境温度的变更，但这种变更一般有利于冰箱实现目标，不属

于干扰因素。

扩展探讨：通过分析，增加对电冰箱的了解，进而了解生活。

思索：在下表所列限制系统中，可能存在哪些干扰因素？

限制系统干扰因

自动扶梯的升降限制扶梯承载的重力、电机输出电压的波动、齿轮间的摩擦

系统力等。

利用滑轮组提升重物滑轮组的摩擦力、电机电源的波动等、绳子和滑轮，重

的限制系统物的重力。

外部环境温度的变更、大棚保温材料的保温性能产生变

蔬菜大棚的温度限制

更等、植物排放的二氧化碳，温室效应。

案例分析：电视机的工作。从学生看电视的经验来分析，引导，让学生从电视内

容中走出来，关注电视的相关技术与限制。

•电视机出现画面紊乱的现象往往是由于受到外界磁场干扰。

•比如：近距离摆放的电冰箱、空调器、电风扇、日光灯等等。他们就是

电视机正常工作的干扰因素。

•克服这些干扰的方法就是将家用电器远离电视机放置。

2.克服干扰的基本方法

A、消退干扰

在飞机上不能运用通信工具

B、减弱干扰

电器在运用时远离其它电子设备

C、提高限制系统性能

采纳闭环限制系统

3.干扰因素的特点：

（1）干扰既存在于闭环限制中，也存在于开环限制中。声控灯开环限制，除输

入的声音外，其他声音就是其干扰因素；空调房的温度限制属于闭环限制，室外

环境温度的变更就是它的干扰因素。

（2）通常，干扰因素都是作用在限制对象上，其作用是破坏限制系统的平衡-

一使被控量偏离平衡值。

（3）通常，干扰因素不止一个。如自行车速度限制的干扰因素除逆风外，还可

能有路面状况（斜坡、粗糙度）。

（4）在进行限制系统设计时，必需对可能存在的干扰进行全面的调查和分析，

假如干扰比较常常和严峻，对限制目标影响产生严峻的后果，就必需考虑抗干扰

措施，保证限制系统的正常工作；假如可能存在的干扰不是很严峻，对系统正常

工作影响不大，就可以忽视。因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的

困难和成本的增加。

（5）对干扰的利用，是指有意对限制系统施加干扰，使限制系统无法达到限制

的目标，而不是限制系统本身须要干扰。例如：打狂犬疫苗、军事演习中对敌方

信息指挥系统进行电磁波干扰。

立刻行动：

生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？

答：火盆。冬天冷了，可以在室内放火盆，这样可以使室内温度上升。

二）反馈

1.什么是反馈（feedback）?

案例引入P110：投篮的工作过程

许宁在体育课上练习立定投篮时，发生了这样的状况：

第一次投掷，由于用力太大，篮球遇到了篮板上弹了回来，没有命中。

其次次投掷，他吸取了第一次的阅历，减小了用力，但用力过小，篮球没有遇到

篮圈。

第三次投掷，他吸取了前两次投掷的阅历，最终没中了。

在这里，可以将人看作限制系统，眼睛把接收到的篮圈位置以及实际投掷位

置等信息输送给大脑，经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球，

直到投篮命中。

（1）请推断以上过程是开环，还是闭环限制？

（2）画出系统的方框图。

（3）假如有风，请推断风可能对投篮产生的影响，许宁可以怎样克服这些影响？

学生活动：

（1）回顾系统限制的工作方式，依据题意进行推断。答案：闭环。

（2）画出系统的方框图。

篮球实际

投掷的位置

（3）考虑可能的风向，及其影响。

顺向风：许宁应减小投掷力气。

逆向风：应增大投掷力气。

侧向风：变更投掷角度。

在上例中：假如没有眼睛的视察和检测，投篮的反馈就无法形成。

［引出结论］:限制系统中，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）o

生活中的反馈：反馈限制是一-种在支配执行一段时间或结束后进行的事后限制，

主要为下一步支配的实施总结阅历，但它却常常是管理限制工作的主要形式。例

如投诉与反馈、留言反馈、看法反馈、环境反馈、教学活动、超市反馈调查表、

市场信息反馈系统、工作总结、产品性能检验、现代酒店限制方法等。

［嬉戏］:在黑板上画两张大脸，“四官俱全”，没有眼睛。然后请一个同学上来

“填”眼睛，闭着眼睛画，位置不对，也不好看。睁着眼睛画，美丽。

［分析缘由］:将两次画的过程来分析­。画出其限制框图，得出它们的限制类别。

1.闭着眼睛画:

人脑限制手画眼睛：人脑一一手一一眼睛;

限制过程中，没有反馈环节，不能对限制结果加以修正、调整。是个单程的

限制流向。这是开环限制。

2.睁着眼睛画：

人脑限制手画眼睛，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果刚好反馈

给大脑，使得大脑精确精细的限制手去画好眼睛。限制过程中有反馈环节可以把

限制结果反馈给人脑，限制流向形成了闭合回路。这是闭环限制。

人胞——号二------四J目艮|

—目艮—

com

［阅读］P110：汽车速度限制

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。

2.反馈方法

立刻行动：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”线的位置人的眼睛线与针孔对准

靶的位置

投掷飞镖眼睛匕镖实际投掷的位置

（期望值）

能扑灭蜡烛的机器打开机器人的开光敏、力敏传感找到蜡烛、并将其扑

人关器灭

电冰箱温控器设定温度温度传感器制冷后冰箱内温度

［演示］:

反馈的工作过程：当人准备要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与

杯子之间的距离，然后确定自己手的移动方向，手始向水杯移动。同时人的眼睛

不停视察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（限制器）

的作用就是不停限制手移动，以消退这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程

也就结束了。从上面的例子可以看出，由（负）反馈形成的偏差是人精确完成拿

杯子动作的关键。假如这个差值不能得到的话，整个动作也就没有方法完成了。

这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的原因。

［教具演示］:水位自动限制系统

接通电源后，电机工作，水泵出水，当水位升到A点水位传感器位置时，

电机停止工作；当水位由A点降止B点以下时、电机又起先工作，这样往复，达

到了自动限制储水器中的水位。

［学生探讨］：

请同学们相互探讨一下这个水位自动限制系统的工作过程，试用系统框图来

描述。（引导学生归纳出水塔水位限制系统框图，着重推导信息反馈与比较环节

的框图表达。）

【CERSR!1:丽

［老师总结］:简洁的闭环限制系统的方框图，理解其中的限制器、执行器等环节

的作用，熟识反馈环节的作用。

植田丽5）

3.闭环限制系统的工作过程

闭环限制系统就是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对限制

过程产生影响的限制系统。闭环限制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统

达到稳定。

［核心］:通过反馈来削减被控量（输出量）的偏差。

［案例分析］:阅读书上案

例P112供水水箱的水位自动

限制系统

P112思索：

在水箱的水位限制系统中，限

制量还可以有其他选择吗？为

什么？

答：不能，因为我们主要为了实现水位的自动限制，那么限制量

只能是水量。

［思索设计］】家用抽水马桶是一个典型的闭环限制系统的水位限制。（链接下节

课用水位检测，限制电路，电磁阀来改进为自动限制，设计闭环限制系统方框图,

并用头脑风暴法获更多节水限制创建性设想。）

闭环限制系统的特点：

1）系统输出量对限制作用有干脆影响。

2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。

3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。

［图片展示入烘箱（饮水机）

加热炉的泡厦门动控M示意图

P113思索：

在加热锅炉的温度限制系统中，可能有那些干扰因素，系统如何克服干扰使炉温

稳定在给定范围内？

干扰因素有加热炉外的环境温度变更、加热器的电压波动、炉壁自身温度、炉内

空气温度等。

首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后对温度的比较，当小于恒温箱

给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样

恒温箱就能保持给定的温度。加热炉的温度自动限制系统的结构图：

干扰

给定量----►控制器----►加热器——►加热炉--------►炉内温度

-------------------检测装置（反馈）《-------------------

二.二;啊而1

思索与分析

在出现干扰的状况下，开环限制系统和闭环限制系统哪种受干扰的影响小？为什

么？

闭环限制系统受影响较小，因为闭环限制系统能不断修正限制效果。

4.闭环与开环限制系统的比较：

闭环限制：反馈限制，偏差限制，可以抑制内、外扰动对被量产生的影响.精

度高、结构困难，设计、分析麻烦。

开环限制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差实力，抗扰动性较差。结

构简洁、调整便利、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的状况下，这种限

制方式还有肯定的好用价值。

［提问回答］:

开环限制系统闭环限制系统

能否自动调整和补

否是

偿

限制精度低高

结构简洁困难

精度要求低、稳精度要求高、高牢靠

适用场合

定性

［补充］:

起增加输入信号作用一一正反馈。

起减弱输入信号作用一一负反馈。

正反馈不能进行限制，会使系统的偏差越来越大。

只有负反馈限制系统才能完成自动限制的任务。

负反馈限制系统最大的特点：检测偏差，订正偏差

PU4立刻行动:

就开环限制系统与闭环限制系统的联系与区分，发计一个图表。

答：

联系区分

限制精度低、结构简洁，用于限

闭环限制系

制精度要求不高而系统本身的元

统

都用于限制件又比较稳定的场合。

开环限制系限制精度高，麻烦，困难，用于

统要求高精度和高牢靠性的场合。

三）限制系统的分析方法

1.功能模型法

请大家视察下面图1、图2,对比人工恒温箱限制系统与自动恒温箱限制系统

的方框图，我们发觉：两者的限制器、执行器及检测装置的详细结构不同，但两

者在功能和行为是相像的，都能实现恒温箱的恒温限制。

大脑f肌体->恒温箱f实际温度

眼睛

图1人工恒温箱限制系统方框图

给定温与

实际温度

图2自动怛温箱限制系统方框图

这种以功能和行为的相像性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方

法，就是功能模拟法。

功能模拟方法是一种整体性探讨方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工

程供应了科学方法。

你能列举功能模拟法的案例吗（相关资料请参阅同文件夹内“有关功能模拟方法

的资料.doc"）?

学生活动：主动思索相关案例。

探究：功能模拟方法对技术设计有何意义？

答：可以通过模拟，进行技术设计，从而使有些不易实现的技术设计得以设计胜

利。

2黑箱方法

老师讲授：同们学听说过“大脑之谜”吗？这可是在科学探讨史上长期以来

没有得到圆满解答的难题。思维原委是怎样从物质中产生出来的？大脑功能的详

细活动机制又是什么？

要解答这一系列问题可不是一件简洁的事。人们可以用物理上的分割法，探

讨物质的结构和属性；也可以用化学分解和合成的方法来了解不同物质的成分。

但这些方法，对探讨大脑的思维功能却鞭长莫及，因为即使按这些方法的要求，

将大脑打开，解剖分析，也只能是对失去思维功能的大脑物质的相识。这样，在

科学探讨面前，大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现，而无法深化其内在

了解其机制的难题。它就像一个不能打开的箱子一样，里面的一切对于我们来说

都是黑乎乎的，一窍不通，我们称之为黑箱。

所谓黑箱方法，指的是当一个系统内部结构不清晰时，利用外部视察和试验

方法，获得系统（即黑箱）的输入一一输出特性；再依据这种信息，在不打开“黑

箱”的状况下，探讨其功能和属性，探究其构造和机理的一种科学方法。

通过对系统的输入与输出的关系的探讨，进而推断出系统内部结构及其功能

的方法。黑箱方法供应了一种不必打开黑箱就可以探讨其内部结构和功能的方

法。

黑箱方法的道理并不神奇，在我们的日常生活中，人们都在自觉或不自觉地

运用这种方法。人们虽然不懂得电视机内部构造和机理，却知道按哪个开关打开

它，调整哪些开关可以得到清晰稳定的画面效果等。这些都是我们运用黑箱方法

的详细体现。

黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病，主要是通过“望、闻、问、

切”等外部视察作出诊断，开方抓药。有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投

以摸索性的药物，视察病人的反应，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。

老师提问：你能举出黑箱方法在生活中应用的案例吗？

学生活动：列举黑箱方法的案例，领悟黑箱方法的含义及应用。夏天买西瓜,

可以通过“看瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性”来推断西瓜的生熟。

黑箱方法应用的入须要了解的

输出

例子状况

视察计算机的基计算机的基

运行应用程序计算机的反应

本性能本性能

测定钢材的硬度技术试验钢的性能状况钢的硬度

清晰度、散热的状

选购电视机图像、声音、外壳电视好坏

况

买西瓜看瓜形、瓜色，听瓜声、颜色深、声音脆，好瓜

测弹性弹性好

探讨人脑图像分析脑电波的反应视觉的传递

中医看病望、闻、听、切了解状况对病情作出

推断

老师小结限制论：新时代的科学技术革命构筑了那一高耸入云的摩天大厦,

而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和限制论，简称为三论。

限制论探讨的对象是包括人在内的生物系统和各种非生物系统（如工程系

统、化工系统、通讯系统、经济系统等），它横跨各个学科，超出了学科的局限

性，为各门学科找到了共同的内涵，限制论享有“交叉科学”、“边缘科学”和“横

断科学”的美称。功能模拟方法、黑箱方以及反馈方法都是限制论的主要方法。

探究：

请同学们自由分组，每组3到6人，收集整理限制方法的有关资料，可以是我

们已学过的反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法中的一种，也可以向大家介绍新

的限制方法，并用PowerPoint做成课件，下节课请每个小组派代表展示沟通小组

的成果，时间为三到五分钟。

学生活动：利用课余时间，收集整理资料，完成课件，尝试用自己的眼睛相

识限制方法，感受限制方法带来的新变更。

四）探究性学习展示：

学生活动：请各小组学生派代表，展示沟通小组成果。

老师活动：总结、评价学生作品，激励学生在生活和学习中主动尝试应用限

制方法解决问题。

五）小结

一）什么是干扰因素

二）反馈

三）限制系统的分析方法

四）探究性学习展示

练习：

1.