控制系统的干扰

第四章第四节控制系统的干扰

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。

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。

自行车行使的速度给定量被控量

风

逆风、顺风、上坡路……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。

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。

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。