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第四单元 控制与设计
第三节 控制系统的干扰及设计
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因素。
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
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。
扩展讨论：
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。
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。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
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？
[思考设计]：家用抽水马桶是一个典型的闭环控制系统的水位控制。
闭环控制系统的特点:
1）系统输出量对控制作用有直接影响。
2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。
3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。
在加热锅炉的温度控制系统中，可能有那些干扰因素，系统如何克服干扰使炉温稳定在给定范围内？
干扰因素有加热炉外的环境温度变化、加热器的电压波动、炉壁自身温度、炉内空气温度等。
[图片展示]： 烘箱（饮水机）
P113 思考：
首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后对温度的比较，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。 加热炉的温度自动控制系统的结构图：
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？
三）控制系统的分析方法
1. 功能模型法
请大家观察下面图1、图2,对比人工恒温箱控制系统与自动恒温箱控制系统的方框图，我们发现：两者的控制器、执行器及检测装置的具体结构不同，但两者在功能和行为是相似的，都能实现恒温箱的恒温控制。
实际温度
给定温度
大脑
肌体
恒温箱
+
-
眼睛
图1 人工恒温箱控制系统方框图
实际温度
给定温度
比较电路
电机
恒温箱
+
-
热电偶
图2 自动恒温箱控制系统方框图
这种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，就是功能模拟法。
功能模拟方法是一种整体性研究方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。
你能列举功能模拟法的案例吗？
可以通过模拟，进行技术设计，从而使有些不易实现的技术设计得以设计成功。
探究：功能模拟方法对技术设计有何意义？
黑箱方法：指的是当一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。
它是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。
黑箱方法的道理并不神秘，在我们的日常生活中，人们都在自觉或不自觉地运用这种方法。人们虽然不懂得电视机内部构造和机理，却知道按哪个开关打开它，调整哪些开关可以得到清晰稳定的画面效果等。这些都是我们运用黑箱方法的具体体现。
黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病，主要是通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断，开方抓药。有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察病人的反应，并随时增减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征入手，实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
你能举出黑箱方法在生活中应用的案例吗？
黑箱方法应用的例子 输入 输出 需要了解的情况
望、闻、听、切
了解情况
对病情作出判断
图像、声音、外壳
清晰度、散热的情况
电视好坏
看瓜形、瓜色，听瓜声、测弹性
颜色深、声音脆，弹性好
好瓜
运行应用程序
计算机的反应
计算机的基本性能
技术试验
钢的性能情况
钢的硬度
视觉的传递
分析脑电波的反应
图像
中医看病
选购电视机
买西瓜
观察计算机的基本性能
测定钢材的硬度
研究人脑
教师小结控制论：
新时代的科学技术革命构筑了那一高耸入云的摩天大厦，而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和控制论，简称为三论。
控制论研究的对象是包括人在内的生物系统和各种非生物系统（如工程系统、化工系统、通讯系统、经济系统等），它横跨各个学科，超出了学科的局限性，为各门学科找到了共同的内涵，控制论享有“交叉科学”、“边缘科学”和“横断科学”的美称。功能模拟方法、黑箱方法以及反馈方法都是控制论的主要方法。
一）什么是干扰因素
二）控制系统的分析方法
三）探究性学习展示
五）小结

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