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第四节 控制中的干扰
高一—粤教版—通用技术—必修二第四章
控制系统在工作过程中会遇到哪些干扰呢？
控制中的干扰能被克服吗？
什么是干扰呢？
温馨提示
同学们所开展的技术与工程实践体验，请在老师、家长或导师的专业指导下进行，确保安全！
学习目标
一、工程思维：能基于控制原理和系统分析方法分析具体案例的干扰问题，形成初步的工程思维和意识。
二、创新设计：能结合案例分析干扰问题的细节和特征，提出解决干扰问题的方法。
三、技术意识：正确认识干扰对控制功能的影响，学会辩证地看待干扰的影响，形成技术安全与责任意识。
生产、生活中的干扰现象
无人机遇到高空风
水稻病虫害
户外打羽毛球
一、干扰对控制功能的影响
在实际的控制系统中，常常会有一些变化不定的因素对系统的行为造成不良的影响，这种有害的因素，我们称其为“干扰”。
那干扰会出现在控制系统的哪些环节呢？
干扰是怎么影响系统行为的呢？
一、干扰对控制功能的影响
设定飞行姿态 俯仰角、滚转角、偏航角
飞控系统
+通讯系统
动力系统
飞行姿态控制量
俯仰角、滚转角、偏航角
机体
干扰：7级以上强风、
云雾或雨雪天气等
干扰：海拔6000米
实际飞行姿态
俯仰角、滚转角、偏航角
高压线、基站
干扰：钢筋建筑、
+
-
反馈环节：IMU惯性测量单元、眼睛
比较器
一、干扰对控制功能的影响
在一个控制系统中，实际的干扰可能出现在各个环节，但为了在描述和分析控制系统时有一个统一的形式，都假设干扰是加到被控对象上，这是一种等效的方法。
干扰
干扰会使被控对象产生错误动作。
设定飞行姿态 俯仰角、滚转角、偏航角
飞控系统
+通讯系统
动力系统
飞行姿态控制量
俯仰角、滚转角、偏航角
机体
实际飞行姿态
俯仰角、滚转角、偏航角
+
-
反馈环节：IMU惯性测量单元、眼睛
比较器
二、干扰现象及其基本原理
（一）加入干扰的开环控制系统
回顾知识：当对控制的精度要求不高或组成系统的器件稳定性较高时，采用开环控制就能得到预期的效果。
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
哪来的？
制冷技术的起源
二、干扰现象及其基本原理
（一）加入干扰的开环控制系统
当对控制的精度要求不高或组成系统的器件稳定性较高时，采用开环控制就能得到预期的效果。
青铜冰鉴
战国
保持低温
保温容器
冰
降温
食物等物品
容器内实际温度
干扰：金属容器
（青铜制造）
缶盖
二、干扰现象及其基本原理
（一）加入干扰的开环控制系统
当对控制的精度要求不高或组成系统的器件稳定性较高时，采用开环控制就能得到预期的效果。
柏木冰箱
清代
保持低温
保温容器
冰
降温
食物等物品
容器内实际温度
干扰：热食、
（图片来源于学习强国）
温度高的物品
（柏木）
二、干扰现象及其基本原理
（一）加入干扰的开环控制系统
开环控制系统适用于控制精度要求不高的场合，容易受环境的影响。
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
（控制器、执行器等器件稳定性较高）
开环控制系统的干扰因素一般源于外界（环境、人为原因等）。
二、干扰现象及其基本原理
回顾知识：闭环控制系统方框图
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
+
-
比较器
反馈环节
被控量
设定温度
控制电路
压缩机+冷凝器+毛细管+蒸发器
制冷剂状态、制冷量
冷冻室+冷藏室
实际温度
+
-
温控器
干扰：打开冰箱、
温度高的物品
蒸发器
青藏高原科考工作
二、干扰现象及其基本原理
（二）加入干扰的闭环控制系统
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
+
-
比较器
反馈环节
闭环控制系统的干扰因素往往源于更为复杂的外界环境。
加入干扰的控制系统方框图
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
+
-
比较器
反馈环节
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
加入干扰的闭环控制系统：
加入干扰的开环控制系统：
三、克服干扰的基本方法
由于干扰的复杂性，想要较为全面地讨论在系统中克服干扰的方法需要掌握较多控制原理的知识。
在这里，我们只对克服干扰的方法做一些原则性的介绍。
以干扰的性质来说，有些干扰是可以避免的，而有些干扰是不可完全避免的，只能减少干扰造成的误差。
三、克服干扰的基本方法
（一）开环控制系统中克服干扰的方法
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
1.提高系统器件的稳定性。
（柏木冰箱）
三、克服干扰的基本方法
（一）开环控制系统中克服干扰的方法
羽毛球落点
大脑
肢体+羽毛球拍
击打羽毛球方向
羽毛球
羽毛球实际落点
干扰：风
1.提高系统器件的稳定性。
2.尽量降低外界干扰因素的影响。
（柏木冰箱）
（室内羽毛球运动）
三、克服干扰的基本方法
（一）开环控制系统中克服干扰的方法
1.提高系统器件的稳定性。
2.尽量降低外界干扰因素的影响。
（柏木冰箱）
（室内羽毛球运动）
羽毛球落点
大脑
肢体+羽毛球拍
击打羽毛球方向
具有一定抗风能力的羽毛球
羽毛球实际落点
干扰：3级风以上
（抗风羽毛球）
三、克服干扰的基本方法
（一）开环控制系统中克服干扰的方法
1.提高系统器件的稳定性。
2.尽量降低外界干扰因素的影响。
3.改造成为闭环控制系统。
（柏木冰箱）
（室内羽毛球运动）
（抗风羽毛球）
（压缩机电冰箱替代了柏木冰箱）
2.选择精度更高的检测装置。
1.提高系统器件的稳定性。
三、克服干扰的基本方法
（二）闭环控制系统中克服干扰的方法
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
干扰
+
-
比较器
反馈环节
云
雀
抵御7级大风的能力
海拔6000米的飞行高度
满足5公斤载荷
近30分钟的飞行时长
高原强风干扰下的自主控制
稀薄大气中的高效升力系统设计
提高飞控系统的负载性能
提高电池及动力系统性能
科考飞行机器人“云雀”的技术突破
（图片来源于网络）
干扰：高原强风、稀薄空气
科考飞行机器人“云雀”的技术突破
设定飞行姿态 俯仰角、滚转角、偏航角
飞控系统
+通讯系统
动力系统
飞行姿态控制量
俯仰角、滚转角、偏航角
机体
实际飞行姿态
俯仰角、滚转角、偏航角
+
-
反馈环节：IMU惯性测量单元、视觉传感器、空速传感器、地磁指南针等
比较器
1.提高系统器件的稳定性。
2.选择精度更高的检测装置。
三、克服干扰的基本方法
（二）闭环控制系统中克服干扰的方法
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
+
-
比较器
反馈环节
四、辩证地看待干扰的影响
干扰的影响是相对的。
当干扰所造成的影响不利于达成我们的预期目标时，我们需要克服干扰；相反，我们则需要利用干扰。
四、辩证地看待干扰的影响
干扰的影响是相对的。
无人机反制枪
课堂小结
高中阶段，同学们完成的每一个作品都是在发展工程思维，挑战的每一个干扰问题都是在提升综合能力。
问题一：既然开环控制系统抗干扰能力比较差，那么在方案设计阶段，我们是否需要避免采用开环结构来设计呢？
答案：依据具体项目合理选择控制方式。
开关控制电路
水量
水泵
水塔
水塔实际水位
期望水位
开环结构设计的水塔水位控制系统
闭环结构设计的水塔水位控制系统
问题一：既然开环控制系统抗干扰能力比较差，那么在方案设计阶段，我们是否需要避免采用开环结构来设计呢？
答案：依据具体项目合理选择控制方式。
开环结构设计的水塔水位控制系统
闭环结构设计的水塔水位控制系统
1.硬件结构相对简单、软件设计也比较简单。
1.硬件结构相对复杂了一点，成本也相对高了一些；软件设计也复杂一点。
2.维护成本比较低。
2.需要由专业人士进行排查和维修，维护成本相对高。
问题二：如下图所示，如果“干扰”出现在反馈环节，影响了反馈环节的修正能力，那么有什么方法可以克服这样的干扰呢？
干扰
给定量
控制器
执行器
控制量
被控对象
被控量
+
-
比较器
反馈环节
问题二：如下图所示，如果“干扰”出现在反馈环节，影响了反馈环节的修正能力，那么有什么方法可以克服这样的干扰呢？
干扰：水垢
答案：1.定期检查检测装置的工作性能。
问题二：如下图所示，如果“干扰”出现在反馈环节，影响了反馈环节的修正能力，那么有什么方法可以克服这样的干扰呢？
答案：1.定期检查检测装置的工作性能。
控制电路
水量
比较器
水泵
水塔
水塔实际水位
雷达水位计或超声波水位计
设定上、下水位
+
-
2.更换环境适应性强的检测装置。
问题三：高峰期用水对宿舍楼的热水供应系统来说算不算是干扰呢？
宿舍楼顶热水供应系统
温度控制器
热交换器
出水温度
给定温度
温度传感器
+
-
蒸汽管阀门
答案：高峰期用水对热水供应系统的稳定工作造成了干扰。
问题三：下午放学以后是同学们的用水高峰期。高峰期用水对宿舍楼的热水供应系统来说算不算是干扰呢？
宿舍楼顶热水供应系统
温度控制器
热交换器
出水温度
给定温度
温度传感器
+
-
蒸汽管阀门
流量计
-
冷水流量

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