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1、第四章第四章 限制与设计限制与设计 第三节第三节 闭环限制系统的干扰与反馈闭环限制系统的干扰与反馈回顾上节内容:任何一种限制的实现，都要通过若干个环节，任何一种限制的实现，都要通过若干个环节，任何一种限制的实现，都要通过若干个环节，任何一种限制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为限制系统。这些环节就构成了一个系统，称为限制系统。这些环节就构成了一个系统，称为限制系统。这些环节就构成了一个系统，称为限制系统。控制器控制器被控被控对象象执行器行器控制系统控制系统输入输入输出输出1.什么是限制系统？什么是限制系统？回顾上节内容:2.什么是开环限制系统？什么是开环限制系统？限制系
2、统的输出量不对系统的限制产生任何影响，这种限制系统的输出量不对系统的限制产生任何影响，这种限制系统的输出量不对系统的限制产生任何影响，这种限制系统的输出量不对系统的限制产生任何影响，这种限制系统称为开环限制系统限制系统称为开环限制系统限制系统称为开环限制系统限制系统称为开环限制系统输入量输入量输出量出量控控制制器器被被控控对象象执行行器器控制量控制量X回顾上节内容:系统的输出量返回到输入端并对限制过程产生影响的限制系统称为闭环系统的输出量返回到输入端并对限制过程产生影响的限制系统称为闭环系统的输出量返回到输入端并对限制过程产生影响的限制系统称为闭环系统的输出量返回到输入端并对限制过程产生影响的
3、限制系统称为闭环限制系统限制系统限制系统限制系统输出量出量输入量输入量被被控控对象象控控制制器器执行行器器控制量控制量 检测装置装置比较器比较器3.什么是闭环限制系统？什么是闭环限制系统？干扰因素出现杂出现杂出现杂出现杂色的线色的线色的线色的线干扰因素外界光线对投影效果的干扰外界光线对投影效果的干扰干扰因素在限制系统中，除输入量（给定值）在限制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变更的各种因素以外，引起被控量变更的各种因素称为干扰因素称为干扰因素控制系统控制系统输入量输入量输入量输入量产生变化的输出量产生变化的输出量产生变化的输出量产生变化的输出量一、什么是干扰（一、什么是干扰（inte
4、rference）？干扰因素干扰因素干扰因素干扰因素干扰因素自行车自行车应保持的速度应保持的速度行车速度行车速度骑自行车时所受到的干扰骑自行车时所受到的干扰骑自行车时所受到的干扰骑自行车时所受到的干扰风、雪风、雪风、雪风、雪变更了的速度变更了的速度干扰因素机器人机器人直线向前行进直线向前行进障碍物障碍物障碍物障碍物保持直线行进保持直线行进直线行进机器人受到的干扰直线行进机器人受到的干扰行进方向的变更行进方向的变更干扰因素飞机导航系统飞机导航系统GPS信号信号在飞机上，我们能运用在飞机上，我们能运用手机吗？手机吗？手机信号手机信号手机信号手机信号原始航线原始航线变更了的航线变更了的航线干扰因素电
5、冰箱的温度控制系统，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素开电冰箱门 电冰箱所在房间的温度从20度变到32度 把热菜热饭放入电冰箱中 在电冰箱外放一盆冷水 是是是是是是否否立刻行立刻行动动干扰因素思索思索在下表所列限制系统中，可能存在哪些干扰因素？在下表所列限制系统中，可能存在哪些干扰因素？控制系统控制系统干扰因素干扰因素自动扶梯的升降控制系统自动扶梯的升降控制系统利用滑轮组提升重物的控利用滑轮组提升重物的控制装置制装置蔬菜大棚的温度控制蔬菜大棚的温度控制扶梯承载的重量、电扶梯承载的重量、电机输出电压的波动等机输出电压的波动等滑轮组的摩擦力等滑轮组的摩擦力等棚外的温度变更、保温棚外的温度变更
6、、保温材料的保温性能变更等材料的保温性能变更等干扰因素我们在上课学习的过程中，我们在上课学习的过程中，会受到哪些因素的干扰呢？会受到哪些因素的干扰呢？走廊里的脚步声、早自修包子的气味等走廊里的脚步声、早自修包子的气味等走廊里的脚步声、早自修包子的气味等走廊里的脚步声、早自修包子的气味等 校外汽车的喇叭声、夏天校外汽车的喇叭声、夏天校外汽车的喇叭声、夏天校外汽车的喇叭声、夏天3434 高温等高温等高温等高温等环境干扰因素：环境干扰因素：环境干扰因素：环境干扰因素：人为干扰因素：人为干扰因素：人为干扰因素：人为干扰因素：干扰因素科学试验证明，假如人长时间处在没有声音，没有外界环境的科学试验证明，假
7、如人长时间处在没有声音，没有外界环境的科学试验证明，假如人长时间处在没有声音，没有外界环境的科学试验证明，假如人长时间处在没有声音，没有外界环境的干扰，人听觉会失常，饥渴，并可能造成人的失语状态，甚至干扰，人听觉会失常，饥渴，并可能造成人的失语状态，甚至干扰，人听觉会失常，饥渴，并可能造成人的失语状态，甚至干扰，人听觉会失常，饥渴，并可能造成人的失语状态，甚至会让人发疯，就像噪音能让人发狂一样。会让人发疯，就像噪音能让人发狂一样。会让人发疯，就像噪音能让人发狂一样。会让人发疯，就像噪音能让人发狂一样。思考：如果没有干扰，行不行？思考：如果没有干扰，行不行？思考思考干扰因素干扰的利用干扰的利用干
8、扰的利用干扰的利用信息战中，利用电磁波对信息战中，利用电磁波对敌方信息系统进行干扰敌方信息系统进行干扰利用基因干扰疗法治疗顽固疾病利用基因干扰疗法治疗顽固疾病干扰因素 在一般限制系统中，干扰因素是须要克服的，而在有些状况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。电电子子干干扰扰战战干扰因素限制器执行器被控对象给定值给定值给定值给定值被控量被控量被控量被控量干扰干扰干扰干扰反馈环节限制器执行器被控对象给定值给定值给定值给定值被控量被控量被控量被控量干扰干扰干扰干扰比较器干扰对限制功能的影响干扰对限制功能的影响干扰因素思索与分析思索与分析在出在出现干干扰的的状况状况下，下，开开环限制系限制系统和和闭环限
9、制限制系系统哪种哪种受干受干扰的影的影响响小？小？为什什么么？闭环闭环限制系限制系统统受影受影响较响较小，因小，因为闭环为闭环限制系限制系统统能不能不断断修正限制效修正限制效果。果。雨天交通雨天交通 病毒攻击病毒攻击 手机干扰飞机手机干扰飞机干扰因素综合分析综合分析闭环限制系统比开环限制系统具有更好的抗闭环限制系统比开环限制系统具有更好的抗干扰实力，那么是否都应当用闭环限制代替开环干扰实力，那么是否都应当用闭环限制代替开环限制？限制？是否接受闭环限制主要看对限制系统的要求（如成本、限制要求）。例子：空调和风扇的运用选择干扰因素克服的基本方法：克服的基本方法：电视信号传输过程中往往接受电视信号传
10、输过程中往往接受铁壳屏蔽的分支器铁壳屏蔽的分支器找出干扰源，切断干扰找出干扰源，切断干扰1 1、消退干扰、消退干扰、消退干扰、消退干扰2 2、减弱干扰、减弱干扰、减弱干扰、减弱干扰飞机导航系统飞机导航系统手机信号手机信号GPS信号信号航线航线X干扰因素3.我们也可以加强限制系统的性能来提高我们也可以加强限制系统的性能来提高抗干扰实力。比较常用的就是在限制系统抗干扰实力。比较常用的就是在限制系统中引入反馈。中引入反馈。控制系统控制系统控制器控制器被控被控对象象执行器行器输入输入输出输出检测装置检测装置干扰的利用干扰的利用什么是反馈呢？什么是反馈呢？克服的基本方法：克服的基本方法：反馈限制系统中，
11、将输出量通过适当的检测装置返回限制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回限制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回限制系统中，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，就是反馈到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈例如：投篮例如：投篮工作过程：工作过程：给定量给定量（篮圈的位置）（篮圈的位置）控制器控制器（大脑）（大脑）执行器执行器（手）（手）被控对象被控对象（篮球）（篮球）+被控对象被控对象（篮球实际投（篮球实际投掷的位置）掷的位置）检测装置检测装置（眼睛）（眼睛）-二、反馈的含义二
12、、反馈的含义二、反馈的含义二、反馈的含义反馈二、反馈的含义二、反馈的含义二、反馈的含义二、反馈的含义反馈在我们限制系统中是普遍存在的，闭环限制中必定存在反馈反馈在我们限制系统中是普遍存在的，闭环限制中必定存在反馈思索：思索：还有哪些限制系统中存在反馈？还有哪些限制系统中存在反馈？控制系统控制系统控制系统控制系统有无反馈有无反馈有无反馈有无反馈定时红绿灯定时红绿灯无无电饭煲电饭煲恒温温室恒温温室有有有有反馈立刻行立刻行动动事事 例例输输 入入检测装置检测装置输输 出出投掷飞镖投掷飞镖线的位置线的位置线与针孔线与针孔对准对准人的眼睛人的眼睛人的眼睛人的眼睛靶的位置靶的位置(期望值期望值)人的眼睛人
13、的眼睛飞镖实际投飞镖实际投掷的位置掷的位置篮圈的位置篮圈的位置篮球实际投篮球实际投掷的位置掷的位置投投 篮篮“穿针引线穿针引线”花房恒温花房恒温自动限制自动限制设定的温度设定的温度温度检测温度检测 装置装置花房温度花房温度反馈闭环限制系统的工作过程闭环限制系统的工作过程 闭环限制系统是指在系统的输出端与输入端之间存闭环限制系统是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对限制过程产生影响的限制系统。在反馈回路，输出量对限制过程产生影响的限制系统。闭环限制系统的核心是通过反馈来削减被控量（输出量）的偏差。反馈案例分析：水位自动调整过程：水位自动调整过程：水箱水箱水箱中水箱中的水位的水位给定
14、给定水位水位电气电气控制控制阀门阀门水流量水流量浮球浮球比较器比较器干扰干扰干扰干扰供水水箱的水位自动限制系统反馈案例分析：炉温的调整过程：炉温的调整过程：加热炉加热炉炉内炉内温度温度给定给定温度温度微机微机控制控制加热加热器器热量热量热电偶热电偶比较器比较器干扰干扰干扰干扰加热炉的温度自动限制系统反馈闭环限制系统的工作过程闭环限制系统的工作过程闭环限制系统的核心是通过反馈来闭环限制系统的核心是通过反馈来削减被控量（输出量）的偏差。所以一个削减被控量（输出量）的偏差。所以一个闭环限制系统，能够克服外界干扰，使被闭环限制系统，能够克服外界干扰，使被控量限制在给定值旁边。控量限制在给定值旁边。反馈
15、环节限制器执行器被控对象给定值给定值给定值给定值被控量被控量被控量被控量干扰干扰干扰干扰比较器总结：开环限制系统与闭环限制系统区分开环限制系统与闭环限制系统区分1、信号传输通道的差别：开环限制系统：只有正向传输通道，闭环限制系统：有正向通道和反馈通道。2、系统结构的差别：开环限制系统：给定环节 闭环限制系统：给定环节、比较环节、检测环节。3、限制方式的差别:开环限制系统：有偏差靠人工限制 闭环限制系统：对被控对象进行自动限制。总结：闭环限制系统与开环限制系统的比较闭环限制系统与开环限制系统的比较闭环限制系统与开环限制系统的比较闭环限制系统与开环限制系统的比较开环控制系统开环控制系统闭环控制系闭
16、环控制系统统能否自动调能否自动调整和补偿整和补偿控制精度控制精度结构结构适用场合适用场合不能不能能能相对低相对低高高相对简洁相对简洁相对困难相对困难限制精度要求不高限制精度要求不高而系统本身的元件而系统本身的元件又比较稳定的场合又比较稳定的场合要求高精度和要求高精度和牢靠性的场合牢靠性的场合功能模拟方法功能模拟法：以功能和行为的相像性为基础，功能模拟法：以功能和行为的相像性为基础，用用“模型模型”模拟模拟“原型原型”的功能和行为的方法。的功能和行为的方法。功能模拟方法以功能和行为的相像性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。功能模拟方法是由美国数学家维纳提出的，他揭
17、示了机器中的通信和限制机能与人的神经、感觉机能的共同规律。功能模拟法为仿生学、人工智能等学科供应了科学方法。黑箱方法你是怎样选择西瓜的？西瓜看、听、拍生或熟黑箱方法在生活中，有时我们须要相识对象的内部无法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推想其内部的特性和功能。黑箱方法就是通过观测黑箱外部输入信息（外界对黑箱的影响）和输出信息（黑箱对外界的反应），以探讨和相识其功能、特性、结构、机理的科学方法。限制系统系统的输入系统的输出黑箱方法列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。列举黑箱方法应用的例子，并填写
18、下表。黑箱方法黑箱方法应用的例子用的例子输 入入输 出出需要了解的情需要了解的情况况推断生熟鸡蛋推断生熟鸡蛋推断生熟鸡蛋推断生熟鸡蛋摇、转、看摇、转、看生或熟生或熟旋转速度旋转速度中医诊断病情中医诊断病情中医诊断病情中医诊断病情望、闻、问、切望、闻、问、切是否健康是否健康气色、舌苔、气色、舌苔、脉搏等脉搏等B B超探测胎儿性别超探测胎儿性别超探测胎儿性别超探测胎儿性别B型超声波型超声波超声图象超声图象胎儿性别胎儿性别了解计算机的基本性能了解计算机的基本性能了解计算机的基本性能了解计算机的基本性能 运行应用运行应用程序程序 计算机的计算机的反应反应 计算机基本性计算机基本性能的好坏能的好坏 黑箱
19、方法黑箱方法便于探讨那些既不能打开又不能从外部干脆视察其内部状态的系统；便于探讨规模浩大，结构困难，因素繁多，功能错综的系统。如生态系统，经济系统，社会系统等。黑箱方法从综合的角度为人们供应了一条相识事物的重要途径。干扰因素：除输入量（给定量）以外，引起被控量变更的各种因素干扰有坏处，也有好处。干扰来自环境，也可能来自人为；系统的各个环节都可能被干扰；开环、闭环系统都存在干扰。反馈：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。闭环限制系统存在反馈，开环限制系统没有反馈。闭环限制系统的工作过程闭环限制系统的核心闭环限制系统的核心是：通过反馈来削减被控量（输出量）的偏差。一个闭
20、环限制系统，能够克服外界干扰，使限制量限制在给定值旁边。功能模拟方法和黑箱方法：功能模拟法：以功能和行为的相像性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法。闭环限制系统设计就是一种功能模拟法，模拟人的限制功能。黑箱方法：把系统看作黑箱，通过对系统输入与输出关系的探讨，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。例如：医学B超检测。小结：（2011年3月浙江高考）监控摄像系统（如图所示）被广泛用于记录道路交通实时图像信息。对于监控摄像系统，下列环境因素中不属于干扰因素的是 （）A噪声B浓雾C闪电D沙尘练习答案：答案：A A如图所示是数控机床的位置限制系统示意图。检测装置检测机床工作台的实际位移，
21、并将该位移值传输给数控装置与设定位移量进行比较，数控装置依据比较的偏差值限制伺服装置运动，驱动机床工作台到达指定的位置。（1）依据示意图及其描述，在限制系统框图中“”处填写相应的内容。（2）实际位移量与设定位移量的比较是由 完成的(从检测装置；数控装置；输入装置；伺服装置中选择一项，将序号填在“”处)。练习设定位移值设定位移值伺服装置伺服装置机床机床实际位移值实际位移值2011年9月浙江省高考检测装置检测装置（2012年3月浙江高考）下列方法中不属于黑箱方法的是A、用仪器测试集成电路输出信号推断集成电路的功能B、通过脑电波检查诊断病人大脑的状况C、列车司机用锤子敲击车轮，通过声音推断有无故障D、通过胃镜检查诊断病人的胃部疾病练习答案：答案：D D黑箱方法是通过对系统输入与输出关系的探讨，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，不须要干脆考查其内部结构（2012年3月浙江高考）下列选项中不属于功能摸拟法的是练习答案：答案：D D功能模拟法是以功能和行为的相像性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法。感谢感谢