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第四单元 控制与设计
闭环控制系统以及干扰与反馈

游泳池的注水控制
1.人工控制
2.定时器控制
定时器注水控制有什么缺陷？
3.？
游泳池的注水控制的改进
水位检测装置
控制器
游泳池的注水两种控制方式的比较
给定水位
开环控制系统
闭环控制系统
经过改进后的游泳池注水系统，增加了输出端到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端与给定值进行比较，构成了一条闭合回路。
我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
闭环控制系统方框图：
特点：在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。信号传递是闭合回路。
观察并解释闭环控制系统与开环控制系统的区别？
马上行动P106：
判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图：
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
控制系统 是否属于闭环控制系统 方框图
缝纫机的缝纫速度控制系统
电冰箱的温度控制系统
走道路灯的声光控制系统
交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统
对一种自动装置的设计和分析，通常都是从输入量给定开始，到输出量稳定为止来分析其工作过程的，一般不把人作为环节加入其中。
家用缝纫机的缝纫速度控制系统：
其参考框图如下:
2）电冰箱的温度控制系统
其参考框图如下：
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。当声强达到一定程度时，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。其参考框图如下：
3）走道路灯的声光控制系统
4）交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统.
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：
【阅读】开环控制系统经典应用案例分析：“希罗的自动门”控制的工作过程分析说明
水流量
1 、画出“希罗的自动门”控制方框图
2 、分析一个开环控制系统工作过程
抽水马桶水箱控制系统的分析,并画出方框图.
练习：
1.家用压力锅的压力控制是开环控制系统，通过高压锅盖上的安全阀和排气孔实现压力控制。
安全阀上有一个重锤，它平时压在高压锅的排气孔上。当高压锅内温度升高时，锅内气体压力增大，超过一定值，重锤被顶起，蒸汽外冒，锅内气体压力下降到安全值范围内。
2.粮库的湿度和温度自动控制，一般采用闭环控制系统，增设定时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。方框图如下：
+
比较器
控制器
降温除
湿装置
粮仓
实际温度湿度
浮球温度湿
度检测装置
-
设定温度、湿度
3.当压力过高时，蒸汽把横杆连同重锤顶起来，使锅炉内的蒸汽通过排气孔排出，使压力降到限定值。横杆的作用：横杆使

得重锤的位置可以调节，调节重锤离左端的距离就改变了限制的压力值。
什么是干扰因素
各种电器设备对电视机的干扰.
干扰因素
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因素。

有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；
有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。

干扰因素
干扰因素可能一个，也可能若干个。
克服干扰
控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。
马上行动
是
是
是
否
电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
下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？
电机输出电压的波动等、齿轮间的摩擦力等
滑轮组的摩擦力等
外部环境温度变化，大棚保温材料的保温性能改变等
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装置
蔬菜大棚的温度控制
干扰因素是否一无是处？
干扰因素有时要克服，有时还可利用。
在军事中，可利用一定频率的电磁波对对方的信息指挥系统进行干扰。
手机来电闪，根据电磁波干扰原理
反馈
被控量
在自动控制系统中，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）。
反馈方法：
利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法，称为反馈方法。
马上行动:P111
设定的温度
　温度检测装置
　射击
靶心的位置
　眼睛
子弹射击位置
花房的温度
事例 输入量 检测装置 输出量
花房恒温自动控制

　　　闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。所以一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
被控对象
给定值
被控量
比较器
闭环控制系统的工作过程
浮球
控制器
阀门
水箱
预设水位
进水量
比较器
供水水箱的水位自动控制系统
水位
热电偶
控制器
加热器
加热炉
设定温度
比较器
加热炉的温自动控制系统
热量
闭环控制系统与开环控制系统的比较
闭环控制：反馈控制， 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。
闭环控制系统与开环控制系统的比较
否
低
高
是
简单
复杂
精度要求低、稳定
精度要求高、高可靠性
系统 开环控制系统 闭环控制系统
能否自动调节补偿
控制精度
结构
适用场合
功能模拟方法
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，就是功能模拟法
比较加热炉温度自动控制系 统与手动控制系统，我们发现，控制器代替人脑实现了温度控制的功能，执行器代替人手实现了调压的功能，检测装置代替了人眼实现了检测温度值的功能。
历史上曾经有过能模拟人 的动作行为的各种模型，却没 有解决从结构上模拟人的大脑 进行思考的问题，因为人的大 脑太复杂了。在没有彻底弄清 人脑内部结构和机理的情况下， 必须另辟一条新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而是只要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是，仅仅根据模型和人脑在功能行为上的相似，实现对人脑的模拟。
对人脑的模拟
黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
中医“望闻问切”
挑西瓜
列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。
马上行动：P116
判断生熟鸡蛋
摇、转、看
生或熟
旋转速度
中医诊断病情
望、闻、问、切
是否健康
气色、舌苔、脉搏等
B超探测胎儿性别
B型超声波
超声图象
胎儿性别
了解计算机的基本性能
运行应用程序
计算机的反应
计算机基本性能的好坏
黑箱方法应用的例子 输 入 输 出 需要了解的情况





1、闭环控制系统的概念
2、干扰的概念
3、克服干扰的基本方法
4、反馈
5、功能模拟法
6、黑箱方法
小 结：
练一练：
　　某花农正在筹建一个小型花房，花房的温度冬季
一般控制在18℃左右，夏季一般控制在25℃左右。请
画出花房的温度控制系统的方框图，简要说明它的工
作过程。

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