4.3控制系统的干扰与反馈

§4.3闭环控制中的干扰与反馈

一、教学目标：

知识与技能目标：

1、学生能理解干扰的概念，掌握克服干扰的基本方法；

2、掌握控制系统反馈的作用和基本工作过程；

3、了解功能模拟方法和黑箱方法的基本概念和运用方法。

过程与方法目标：

1、学生能分析简单控制系统中的干扰，归纳出克服干扰的基本方法；

2、运用所学知识，激发出学生对于克服控制中的干扰的创新思维；

3、能综合各种控制系统的有关知识，掌握控制系统的工作过程。

情感与价值观目标：

1、通过对干扰实验的体验和观察，获得对干扰的感性认识；

2、通过内化干扰的知识，形成正确的对系统中干扰的认识，并建立稳定的控制系统认态度。

二、教学重点：

1、掌握控制系统干扰因素的识别并设计简单克服方案。

2、了解控制系统的工作过程。

三、教学难点：

1、分析克服干扰的具体方法；

2、黑箱方法的具体案例

四、教学过程：

【引入】视频播放：利用“干扰器”对汽车实施盗窃

【学生思考】是什么原因导致汽车无法遥控锁门？

【教师总结】车主用遥控钥匙锁门的同时，不法分子利用“干扰器”发出干扰信号，使车门遥控上锁系统无法正常工作。这个例子告诉我们控制系统在工作过程中可能会由于受到干扰而出现工作异常甚至失灵。

【新课教学】

一、干扰因素

干扰因素是指在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素

注意点：输入量变化引起的被控量变化以及系统部件故障引起的变化均不属于干扰因素。

二、干扰对控制功能的影响

1、现实生活中的干扰的例子

A、外界光线对投影效果的干扰

（对周围的控制系统的分析，就近对课室投影的干扰分析，学生更有体验）

B、骑自行车时风和路况对骑车的干扰。

2、思考与分析

（1）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。

（2）举出一些由于干扰而使控制系统受到影响的例子。

雨天交通、坐飞机必须关闭手机、老式CRT电视机旁边有手机来电时图像会明显抖动、声响附近有手机来电时会发出被干扰的声音等等

【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？

⑴开电冰箱门；

⑵电冰箱所在房间的温度从0℃变到32℃；

⑶把热菜或热饭放入电冰箱中；

⑷在电冰箱旁边打手机。

3.在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的，但在某些特殊情况下也可以利用。

【自制教具】一个光控报警系统，光线弱了就报警，可以作为光控灯的控制器。

白天在教室里试验发现要全部捂住才能报警，仅仅挡住光敏管上部不报警。

【学生讨论】导致光敏报警器不灵敏的原因？寻找增加其灵敏度的方法？

【解决办法】采用水笔上的一段黑色套子套在光敏管上再进行试验，发现只要一挡住光敏管上部，系统马上报警，大大增加了灵敏度。

三、反馈

由于干扰因素的存在，控制系统的输出往往会达不到我们预先期望的目标，为了避免这种情况，我们采用增加检测装置检测输出信号是否已经达到预期目标的方法来克服这个问题。

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称之为反馈。

【案例分析】电冰箱的温度控制

阅读教材关于该控制系统的工作原理，回答下列问题： （1）该控制系统的反馈装置是机械装置还是电子装置？

（2）如果我要调低冰箱的温度，我应该控制旋钮1顺时针还是逆时针旋转? [马上行动]：

事例 输入 检测装置 输出 “穿针引线” 线的位置 眼睛 线与针孔对准 花房恒温控制系统 温控器设定温度

温度传感器

花房温度

主弹簧及连接

杆 (控制器)

活动触点 (执行器)

压缩机 电冰箱 (被控对象)

+

电冰箱工作温度

感温包、膜盒、传动膜片

(检测、反馈)

-

四、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1】供水水箱的水位自动控制系统

阅读教材案例、学习控制系统方框图表示方法，体会其控制过程和原理。

【案例分析2】加热炉的温度自动控制系统

【学生活动】阅读教材案例、学习控制系统方框图表示方法，体会其控制过程和原理。

五、闭环控制系统与开环控制系统的比较

六、控制系统的分析方法

1. 功能模型法

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。

2.黑箱方法

通过对系统的输入与输出的关系的研究推断系统内部结构和功能的方法，通过观测黑箱外部的输入信息(外界对黑箱的影响)和输出信息(黑箱对外界的反应)研究和认识其功能、特性、结构、机理。

黑箱方法应用的例子输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

七、总结与反馈

通过本课重点了解控制系统中的干扰因素以及出现干扰因素后控制系统采取如何办法克服干扰因素。

学习并掌握常见控制系统的方框图和简单结构示意图，并了解其基本工作原理和工作过程。

掌握功能模拟方法和黑箱方法的特点和适用范围。