闭环控制系统的反馈与干扰.docx

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闭环控制系统的反馈与干扰

第四单元控制与设计

第三节闭环控制系统的干扰与反馈

一、教学内容分析：

本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节。

为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。

本节内容在《控制和设计》中起到举足轻重的作用，不仅可以使学生对闭环控制系统中的反馈（feedback）有很深的认识，而且也为闭环控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控制系统带来的影响，综合了本单元前两节的知识。

从模块角度看，该节融合了该模块第二单元流程与设计，以及第三单元系统与设计的内容，控制过程本身的工作过程就是一个流程，闭环控制系统大致包括控制环节、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。

本单元是本课程知识的综合应用，综合了必修1、必修2的知识，讲了闭环自适应控制，体现了技术以人为本的理念。

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二、教学对象分析：

学生对控制机理比较陌生，整个教学都应以案例分析为主，所举案例应力求简单。

三、目标：

1.知识与技能：

（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。

（2）熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。

（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.过程与方法：

用方框图分析生活中常见控制系统，通过实践、游戏、讨论、分析、讲授法、问题教学法、小组讨论法、设计教学法等方法使学生懂得反馈在闭环控制系统中的作用，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用；结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素及克服方法。

3.情感态度价值观：

通过学习，联系生活，能具体问题，具体分析，能在生活中应用反馈原理，调节自身的心理、学习与生活。

培养学生的观察能力，体验学习乐趣。

渗透安全教育、德育教育、环保等教育。

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；开环控制系统与闭环控制系统的选用。

2.教学难点：

干扰因素的判定；闭环系统的工作原理；功能模拟方法、黑箱方法。

五、教学概述：

通过人们熟悉的例子来说明在控制系统中除输入量以外能引起被控量变化的各种因素都是控制系统的干扰。

用方框图分析生活中常见控制系统，通过实践、游戏、讨论、分析等方法使学生懂得反馈在闭环控制系统中的作用。

3课时。

六、教学器材：

水塔水位控制模型1套、一次性杯子、乒乓球、烘箱等。

七、教学过程：

引入：

做一个简单的调查：

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。

）

大部分同学应该是有风的影响，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。

这节课我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。

第三节闭环控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（interference）因素。

案例一：

逆风中骑自行车。

案例二：

飞机飞行。

结论：

在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干个。

扩展讨论：

生活中还有哪些例子说明“闭环控制系统的干扰是存在的，是不可避免的”？

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。

外面热气进入冰箱将会引起箱内温度变化，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化，但这种变化一般有利于冰箱实现目标，不属于干扰因素。

扩展讨论：

通过分析，增加对电冰箱的了解，进而了解生活。

思考：

在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？

控制系统

干扰因素

自动扶梯的升降控制系统

扶梯承载的重力、电机输出电压的波动、齿轮间的摩擦力等。

利用滑轮组提升重物的控制系统

滑轮组的摩擦力、电机电源的波动等、绳子和滑轮，重物的重力。

蔬菜大棚的温度控制

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、植物排放的二氧化碳，温室效应。

案例分析：

电视机的工作。

从学生看电视的经历来分析，引导，让学生从电视内容中走出来，关注电视的相关技术与控制。

•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。

•克服这些干扰的办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、消除干扰

在飞机上不能使用通信工具

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

3.干扰因素的特点：

（1）干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中。

声控灯开环控制，除输入的声音外，其他声音就是其干扰因素；空调房的温度控制属于闭环控制，室外环境温度的变化就是它的干扰因素。

（2）通常，干扰因素都是作用在控制对象上，其作用是破坏控制系统的平衡——使被控量偏离平衡值。

（3）通常，干扰因素不止一个。

如自行车速度控制的干扰因素除逆风外，还可能有路面状况（斜坡、粗糙度）。

（4）在进行控制系统设计时，必须对可能存在的干扰进行全面的调查和分析，如果干扰比较经常和严重，对控制目标影响产生严重的后果，就必须考虑抗干扰措施，保证控制系统的正常工作；如果可能存在的干扰不是很严重，对系统正常工作影响不大，就可以忽略。

因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的复杂和成本的增加。

（5）对干扰的利用，是指有意对控制系统施加干扰，使控制系统无法达到控制的目标，而不是控制系统本身需要干扰。

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。

马上行动：

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升高。

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，发生了这样的情况：

第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到了篮板上弹了回来，没有命中。

第二次投掷，他吸取了第一次的经验，减小了用力，但用力过小，篮球没有碰到篮圈。

第三次投掷，他吸取了前两次投掷的经验，终于投中了。

在这里，可以将人看作控制系统，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）请判断以上过程是开环，还是闭环控制？

（２）画出系统的方框图。

（３）如果有风，请判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）回顾系统控制的工作方式，根据题意进行判断。

答案：

闭环。

（2）画出系统的方框图。

（3）考虑可能的风向，及其影响。

顺向风：

许宁应减小投掷力量。

逆向风：

应增大投掷力量。

侧向风：

改变投掷角度。

在上例中：

如果没有眼睛的观察和检测，投篮的反馈就无法形成。

[引出结论]：

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）。

生活中的反馈：

反馈控制是一种在计划执行一段时间或结束后进行的事后控制，主要为下一步计划的实施总结经验，但它却常常是管理控制工作的主要形式。

例如投诉与反馈、留言反馈、意见反馈、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、现代酒店控制方法等。

[游戏]：

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，漂亮。

[分析原因]：

将两次画的过程来分析。

画出其控制框图，得出它们的控制类别。

1.闭着眼睛画：

人脑控制手画眼睛：

人脑——手——眼睛；

控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节。

是个单程的控制流向。

这是开环控制。

2.睁着眼睛画：

人脑控制手画眼睛，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果及时反馈给大脑，使得大脑准确精细的控制手去画好眼睛。

控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈给人脑，控制流向形成了闭合回路。

这是闭环控制。

[阅读]p110：

汽车速度控制

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

马上行动：

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

投掷飞镖

靶的位置

（期望值）

眼睛

飞镖实际投掷的位置

能扑灭蜡烛的机器人

打开机器人的开关

光敏、力敏传感器

找到蜡烛、并将其扑灭

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：

当人打算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。

同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，以消除这个差值。

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准确完成拿杯子动作的关键。

如果这个差值不能得到的话，整个动作也就没有办法完成了。

这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。

[教具演示]：

水位自动控制系统

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，电机又开始工作，这样往复，达到了自动控制储水器中的水位。

[学生讨论]：

请同学们相互讨论一下这个水位自动控制系统的工作过程，试用系统框图来描述。

（引导学生归纳出水塔水位控制系统框图，着重推导信息反馈与比较环节的框图表达。

）

[教师总结]：

简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用。

3.闭环控制系统的工作过程

闭环控制系统就是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。

闭环控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]：

通过反馈来减少被控量（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控制系统

P112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：

不能，因为我们主要为了实现水位的自动控制，那么控制量只能是水量。

[思考设计]：

家用抽水马桶是一个典型的闭环控制系统的水位控制。

（链接下节课用水位检测，控制电路，电磁阀来改进为自动控制，设计闭环控制系统方框图，并用头脑风暴法获更多节水控制创造性设想。

）

闭环控制系统的特点:

1）系统输出量对控制作用有直接影响。

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]：

烘箱（饮水机）

P113思考：

在加热锅炉的温度控制系统中，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化、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。

加热炉的温度自动控制系统的结构图：

思考与分析

在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？

为什么？

闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。

4.闭环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。

在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。

[提问回答]：

开环控制系统

闭环控制系统

能否自动调整和补偿

否 

是 

控制精度

 低

高 

结构

 简单

复杂 

适用场合

 精度要求低、稳定

精度要求高、高可靠性 

[补充]：

起增强输入信号作用——正反馈。

起减弱输入信号作用——负反馈。

正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。

只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。

负反馈控制系统最大的特点：

检测偏差，纠正偏差

P114马上行动：

就开环控制系统与闭环控制系统的联系与区别，设计一个图表。

答：

联系

区别

闭环控制系统

都用于控制

控制精度低、结构简单，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。

开环控制系统

控制精度高，麻烦，复杂，用于要求高精度和高可靠性的场合。

三）控制系统的分析方法

1.功能模型法

请大家观察下面图1、图2,对比人工恒温箱控制系统与自动恒温箱控制系统的方框图，我们发现：

两者的控制器、执行器及检测装置的具体结构不同，但两者在功能和行为是相似的，都能实现恒温箱的恒温控制。

图1人工恒温箱控制系统方框图

图2自动恒温箱控制系统方框图

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。

功能模拟方法是一种整体性研究方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。

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：

积极思考相关案例。

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成功。

2.黑箱方法

教师讲授：

同们学听说过“大脑之谜”吗？

这可是在科学研究史上长期以来没有得到圆满解答的难题。

思维究竟是怎样从物质中产生出来的？

大脑功能的具体活动机制又是什么？

要解答这一系列问题可不是一件容易的事。

人们可以用物理上的分割法，研究物质的结构和属性；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，对研究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认识。

这样，在科学研究面前，大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现，而无法深入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，一无所知，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楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索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。

黑箱方法的道理并不神秘，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具体体现。

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。

教师提问：

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，领会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”来判断西瓜的生熟。

黑箱方法应用的例子

入

输出

需要了解的情况

观察计算机的基本性能

运行应用程序

计算机的反应

计算机的基本性能

测定钢材的硬度

技术试验

钢的性能情况

钢的硬度

选购电视机

图像、声音、外壳

清晰度、散热的情况

电视好坏

买西瓜

看瓜形、瓜色，听瓜声、测弹性

颜色深、声音脆，弹性好

好瓜

研究人脑

图像

分析脑电波的反应

视觉的传递

中医看病

望、闻、听、切

了解情况

对病情作出判断

教师小结控制论：

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、信息论和控制论，简称为三论。

控制论研究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，控制论享有“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控制论的主要方法。

探究：

请同学们自由分组，每组3到6人，收集整理控制方法的有关资料，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控制方法，并用PowerPoint做成课件，下节课请每个小组派代表展示交流小组的成果，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，尝试用自己的眼睛认识控制方法，感受控制方法带来的新变化。

四）探究性学习展示：

学生活动：

请各小组学生派代表，展示交流小组成果。

教师活动：

总结、评价学生作品，鼓励学生在生活和学习中主动尝试应用控制方法解决问题。

五）小结

一）什么是干扰因素

二）反馈

三）控制系统的分析方法

四）探究性学习展示

练习：

1.花房温度控制的要求基本属于恒温控制。

因此，它的温度控制系统通常应设计为闭环控制。

其参考方框图如下：

简要工作过程：

测温装置测量花房实际温度，将其转换为与设定温度量纲相同的信号并与之比较得到误差信号，误差放大装置将误差信号放大后去推动增降温装置，实施增温或降温，使花房温度向设定温度趋近，直至误差被消除。

冬季设定温度为18℃，夏季设定温度为25℃。

2.在可调光台灯中，人手调节台灯旋钮实际上是在改变台灯内部可变电阻的阻值。

根据电路原理，电压一定，改变电阻，电路中的电流也随之改变，因此灯泡的亮暗也随之变化。

如果人调节旋钮是为了获得某一认定的合适的亮度，这时“人”作为某些环节加入到了控制过程之中，那么这时的控制就是一个人工控制。

其控制过程是：

人眼检测台灯的实际亮度反馈到大脑，与认定的合适亮度进行比较，如果台灯亮度较暗，大脑就会发出指令，让手旋动旋钮，使灯泡亮度增大；反之，就减小亮度。

这种控制可能会反复进行，直至台灯亮度满意为止。

方框图如下：

大脑

实际亮度

+

期望亮度

－

当人感觉灯光暗时，通过调节台灯的旋钮使其变亮；当感觉灯光过强时，通过调节台灯的旋钮使其变暗。

人眼的观察相当于检测环节。

3.帆板是靠风推动帆来行驶的，要使帆板速度最快，必须转动风帆，使之具有最大的迎风面积。

由于风向是不定的，因此这是一个随动控制。

人对风向的观察相当于这一控制系统中的检测环节。

其控制过程为：

人同时观测风向（由风标显示）和风帆的角度，经过大脑的判断，如果风帆的角度不符合风力最大的要求，则大脑指挥运动员转动风帆，使之达到要求。

在这个系统中，风帆是控制对象，风帆角度是被控量，风向是输入量。

只不过这个输入量是一个随时间而变化的未知函数。

如果要将帆板的控制构建成成一个闭环自动控制系统，则既要安装风向测量装置，又要安装风帆角度测量装置，并使二者同步。

两个测量装置将测得的结果同时输入到计算控制装置中，在这里得到误差信号，还得增加一个根据误差信号去转动风帆的执行机构，以实现帆船的自动控制。

八、教学反思

本节课涉及控制论的相关内容，尤其是第三节功能模拟法和黑箱方法，学生理解起来有一定难度，因此，在课堂听讲之余，安排学生利用课余时间主动进一步了解控制论，学会自己去了解新事物。

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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