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1、第四章 控制与设计 控制系统的干扰与反馈、控制系统框图 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。 一、干扰与反馈 案例一：逆风中骑自行车。 脚踩的力 自行车 行使的速度 风 给定量给定量 被控量被控量 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。 讨论： 生活中还有哪些例子说明“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
2、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。 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 利用滑轮组提升 重物的控制系统 蔬菜大棚的温度 控制 扶梯承载的重力、电机输出电压的 波动、齿轮间的摩擦力等。 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。 外部环境温度的变化、大棚保温材料 的保
3、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。 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
4、 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
5、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 。 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。 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？ 二）反馈 1.什么是反馈（feedback）？ 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）。 游戏：在黑板上画两张大脸，“ 四官俱全”，没有鼻子。然后请一 个同学上来“填”鼻子，闭着眼睛 画，位置不对,也不好看。睁着眼睛 画，漂亮。 控制过程中，没有反馈环节， 不能对
6、控制结果加以修正、调节。 单向， 这是开环控制。 闭着眼睛画： 睁着眼睛画： 人脑控制手画鼻子，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 制手去画好鼻子。控制流向形成了闭合 回路。这是闭环控制。 鼻子的 位置 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。 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？ 1.绘制框图的方法： 按下面的顺序确定系统各个环节 a 被控对象 b 执行器 c 控制器 d 反馈环节（对闭环而言） 二、控制系统框图 反馈环节 控制 器 执行 器 被控 对象 输出量输出量 输
7、入量输入量 b b a a c c d d 1.绘制框图的方法： 确定被控量（输出量）、控制量 、输入量、反馈量和偏差量。 用带箭头的直线表示信息在系统 中流动、传递的方向与过程。 加上比较环节（闭环） 二、控制系统框图 反馈环节 控制 器 执行 器 被控 对象 输出量输出量 输入量输入量 b b a a c c d d 控制量控制量 2.绘制技巧： 自右往左画：先画被控对象，再画执 行器，接着画控制器、反馈环节，最 后画 。连线闭环，并标注各量 。 二、控制系统框图 反馈环节 控制 器 执行 器 被控 对象 输出量输出量 输入量输入量 b b a a c c d d 控制量控制量 框图框图
8、表示表示 控制器执行器 被控 对象 输入量输入量被控量被控量控制量控制量 1 1、开环、开环 2 2、闭环、闭环 反馈环节 控制器执行器 被控 对象 给定值给定值输出量输出量控制量控制量 比较器比较器 干扰干扰 干扰干扰 框图框图 表示表示 小练习：小练习： 用方框图将下面的几用方框图将下面的几 个控制系统表示出来。个控制系统表示出来。 1 1、供水水箱的水位自动控制系统、供水水箱的水位自动控制系统 2 2、加热炉的温自动控制系统、加热炉的温自动控制系统 3、人工调节液面4、希罗的自动门控制系统 1 1、供、供 水水箱水水箱 的水位的水位 自动控自动控 制系统制系统 预设预设 水位水位 比较器
9、比较器 浮球 控制器阀门水箱 进水量进水量 水位水位 2 2、加、加 热炉的热炉的 温自动温自动 控制系控制系 统统 热电偶 控制器加热器加热炉 设定温度设定温度 比较器比较器 热量热量温度温度 3 3、人工、人工 调节液面调节液面 眼睛 大脑手、阀门容器 给定值给定值 比较器比较器 液体输液体输 出量出量 液面液面 位置位置 4 4、希、希 罗的自罗的自 动门控动门控 制系统制系统 火炉火炉 连动 系统 庙门 门的开门的开/ /关关 相关量相关量门的开门的开/ /关关 白天或夜晚光线较亮时，声控部分不起作用。 当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分 。 电路是否接通，取决于声音信号的强度
10、。当声音 强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽 灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断， 等待下一次声音信号触发。这样，通过对环境声 光信号的检测与处理，完成电路通断的自动开关 控制。 请画出该控制系统框图。 走道路灯的声光控制系统 声光 信号 声光检测 控制装置 路灯灯亮/灭开关 练习2： 1、交通路口红绿红绿 灯自动动控制（根据车车流量大小改变变 红绿红绿 灯时间时间 ）系统统. 目前所用的交通路口的红绿灯控制系统一般 都是按给定的时序来控制的，因此应该是开环 控制系统。对车流量因素的考虑，是在调查统 计的基础上在设计给定时序时体现的。其参考 框图如下： 设定好亮 /灭时序 输出亮/ 灭时序 时序控 制装置 红绿灯 2.粮库的湿度和温度自动控制，一般采用 闭环控制系统，设定检测温度和湿度的装 置，与给定的温度和湿度比较，当出现偏 差时，相应调节温度和湿度。 其参考框图如下： + 比较器 控制器 降温除 湿装置 粮库 实际温 度湿度 浮球温度湿 度检测装置 - 设定温 度、湿度
