反馈控制系统的特性

一、控制系统
什么是控制系统
任何一种控制的实现，都应通过若干个环节， 这些环节就构成了一个系统---控制系统。
为了分析的方便，我们一般用框图的形式描述 一个控制系统，这种图称为控制系统方框图。
控制系统方框图的输入和输出之间是有一定的 关系的。
控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制 系统。
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输入
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• 分析这样一个控制问题，首先要界定所考察的系统范 围。从整体效果上看，该控制过程的输入量是加热锅体， 加热锅体导致的三个结果：锅体升温、锅内升压以及排 气孔排气，都是输出量，而输出量并未反馈回来影响输 入量，因此它是一个开环控制系统。而更细致的分析， 应该把升温过程与恒压/恒温过程分别进行分析。分析 时考察的系统范围不同，结论也不同。
如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的 水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以 在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注 水过程（时间）。
设定注 入时间
（输入）
定时器
流水量
进水阀
游泳池
游泳池 的水位
（输出）
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开环控制系统的例子
红外自动门
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红外线自动门
人靠近门
红外线 控制
旋转量
电动机
门
打开门
• 谁不懂写，请举手。 • 当你 明确“芝麻开门”声控开门系统是开
环控制系统之后方框图 • 你可以把开环控制系统方框图拿出来，想
一想，控制器、执行器、被控对象分别是 什么？
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• 2、公共汽车车门的开关控制。
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小试验:闭上眼睛写“控制系统” 要求体验输出、输入、控制器、执行器、被控对象
分别是什么。
统，比如：各种放大电路中的增益控制；环境的
温度、湿度、水位、压力的控制；机械结构的位
置控制、速度控制等等。因此常常使人觉得：闭
环控制是复杂的、精确的、自动的控制方式，而
开环控制相对的简单、粗糙和非自ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。这种感觉
常常造成初学者在分析系统时的误判，需要特别
注意。
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• 以普通家用压力锅的温度控制过程为例，在密 闭状态下，锅内的温度与压力呈对应关系。加热 锅体，锅内温度逐步升高，锅内压力也随之升高； 当锅内的压力达到设定值时，高压将顶开压在排 气阀上的重锤，排出蒸汽，使锅内压力降低，压 力的降低又造成温度的降低。由于重锤的重量是 恒定，因此当温度达到设定值之后，加热量和排 气量将呈动态平衡，锅内压力保持在高于大气压 力的一个恒定值上，锅内温度也保持在高于常压 水的沸点温度的一个恒定值上（一般为110℃左 右），不再继续升高。过程如下图所示：
第三章反馈控制系统 的特性
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自行车的速度控制
脚踩的力 （输入）
脚蹬曲柄链轮 中轴链条飞轮
行使的速度 （输出）
一定范围内输入的力精与品 输出的速度 是成正比的。
电风扇的风速控制
电风扇风 速的挡位
（输入）
电机
扇叶
电风扇 的风速
（输出）
选择不同的挡位输入，输出的风速不 同，一个挡位对应着一个风速。
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输入量：老师的指令 输出量：所写的字 分析：大脑——控制器，手——执行器，笔——被控对象
输入量：老师的指令 输出量：所写的字 分析：大脑——控制器，手——执行器，笔——被控对象
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• 请同学们课后去试验：睁开眼睛写“控制系统” 四个字。
• 思考：闭上眼睛写字与睁开眼睛写字的区别在 哪里？为什么？
• 以色列的“定点清除”，能够把炮弹打到几千 公里以外的行驶的汽车，这是为什么？是不是 炮弹长了“眼睛”？对了，正是炮弹长了“眼 睛”，这不是普通炮弹，而是导弹。导弹打得 准是因为它具备了自动修正的能力。
• ①压力锅的加热、升温、升压过程
• 把加热炉具与压力锅看成一个系统，压力锅体因外部加 热而升温，分析加热的过程。输入量——接通电源或点 火，输出量——锅体升温、锅内升压以及排气孔排气。 控制过程如下图所示，与用炉火加热普通锅体的过程相 同，属于开环自动控制。 精品
②压力锅的恒压、恒温控制过程 压力锅能够保持锅内压力与温度恒定，主要是依靠 了压在排气阀上的重锤的作用，因此还可以分析重 锤对锅内压力的控制过程。输入量——重锤的重量， 输出量——锅内气体的压力（温度），在输入端重 锤重力与锅内压力（反馈量）进行比较，力的差值 通过重锤控制排气孔的排气量，该过程属于闭环自 动控制过程。
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开环控制与闭环控制的区别
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• “开环控制”与“闭环控制”的区别就在于控制
系统中有无反馈环节，所谓闭环控制就是存在反
馈环节的控制。这样的系统能够适时地检测控制
的输出结果，并将检测到的信息通过反馈环节反
映到输入端，调整输入量，达到修正控制误差、
提高控制精确度的目的。反馈技术被广泛应用在
各种需要精确控制的系统中，尤其是电子控制系
• 下列说法正确的是
A、闭环控制都是自动的控制系统 B、开环控制都是人工的控制系统 C、闭环控制一定比开环的好 D、按时间顺序进行的控制都是开环控制
输入量：作用于控制系统的物理量，可分为使系 统具有预定功能的控制输入量(简称控制量)和破 坏系统控制输入量和输出量之间预定规律的干扰 输入量(简称干扰或扰动量)。 输出量：控制系统或被控对象的需要进行控制的 物理量。
输出
电饭煲
接通电源的 电信号
锅内的温度
脱粒机
接通电源的 脱粒机脱粒
电信号
的量
红外线自动 红外装置检测到
水龙头
人手发出的信号
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出水量
一、开环控制系统 1、什么是开环控制系统
定义：控制系统的输出量不对 系统的控制产生任何影响。
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游泳池注水1
一般情况下，一池水需要很长的时间才能灌满， 如果由人工控制整个注水过程，很费时间 。
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2、开环控制系统的组成方框图
控制量
输入 控制器 执行器
被控对象 输出
抓罪犯
公安局
法院
罪犯
依法判刑
控制器：对输入信号进行处理并发出 控制命令的装置或元件，如控制电路。
执行器：直接对被控对象进行控制的 装置或元件。 精品
《一千零一夜》里的一个故事：阿 里巴巴和四十大盗的故事
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• 请写出“芝麻开门”声控开门系统的控制 方框图，有兴趣的同学课后可以制作模型， 把神话变成现实。
• 睁开眼睛写字是否具备自动修正的能力？ • ：在控制系统中如何才能具备自动修正的能力？
这就是我们下节课程要学习的闭环控制系统
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• 闭环控制系统
控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈回 来与期望值进行比较,并根据它们的误差及时调 整控制作用，控制流向形成了闭合回路
特点 实时的 连续的 反馈环节必须对控制作用产生影响 比如空调房间温度的控制，只要房间实际 温度和设定的温度有误差，它就要实施控 制，直到实际温度和设定的温度相等，控 制过程就结束。 精品