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(共38張PPT)
第四節 控制中的干擾
高一—粵教版—通用技術—必修二第四章
控制系統在工作過程中會遇到哪些干擾呢？
控制中的干擾能被克服嗎？
什么是干擾呢？
溫馨提示
同學們所開展的技術與工程實踐體驗，請在老師、家長或導師的專業指導下進行，確保安全！
學習目標
一、工程思維：能基于控制原理和系統分析方法分析具體案例的干擾問題，形成初步的工程思維和意識。
二、創新設計：能結合案例分析干擾問題的細節和特征，提出解決干擾問題的方法。
三、技術意識：正確認識干擾對控制功能的影響，學會辯證地看待干擾的影響，形成技術安全與責任意識。
生產、生活中的干擾現象
無人機遇到高空風
水稻病蟲害
戶外打羽毛球
一、干擾對控制功能的影響
在實際的控制系統中，常常會有一些變化不定的因素對系統的行為造成不良的影響，這種有害的因素，我們稱其為“干擾”。
那干擾會出現在控制系統的哪些環節呢？
干擾是怎么影響系統行為的呢？
一、干擾對控制功能的影響
設定飛行姿態 俯仰角、滾轉角、偏航角
飛控系統
+通訊系統
動力系統
飛行姿態控制量
俯仰角、滾轉角、偏航角
機體
干擾：7級以上強風、
云霧或雨雪天氣等
干擾：海拔6000米
實際飛行姿態
俯仰角、滾轉角、偏航角
高壓線、基站
干擾：鋼筋建筑、
+
-
反饋環節：IMU慣性測量單元、眼睛
比較器
一、干擾對控制功能的影響
在一個控制系統中，實際的干擾可能出現在各個環節，但為了在描述和分析控制系統時有一個統一的形式，都假設干擾是加到被控對象上，這是一種等效的方法。
干擾
干擾會使被控對象產生錯誤動作。
設定飛行姿態 俯仰角、滾轉角、偏航角
飛控系統
+通訊系統
動力系統
飛行姿態控制量
俯仰角、滾轉角、偏航角
機體
實際飛行姿態
俯仰角、滾轉角、偏航角
+
-
反饋環節：IMU慣性測量單元、眼睛
比較器
二、干擾現象及其基本原理
（一）加入干擾的開環控制系統
回顧知識：當對控制的精度要求不高或組成系統的器件穩定性較高時，采用開環控制就能得到預期的效果。
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
哪來的？
制冷技術的起源
二、干擾現象及其基本原理
（一）加入干擾的開環控制系統
當對控制的精度要求不高或組成系統的器件穩定性較高時，采用開環控制就能得到預期的效果。
青銅冰鑒
戰國
保持低溫
保溫容器
冰
降溫
食物等物品
容器內實際溫度
干擾：金屬容器
（青銅制造）
缶蓋
二、干擾現象及其基本原理
（一）加入干擾的開環控制系統
當對控制的精度要求不高或組成系統的器件穩定性較高時，采用開環控制就能得到預期的效果。
柏木冰箱
清代
保持低溫
保溫容器
冰
降溫
食物等物品
容器內實際溫度
干擾：熱食、
（圖片來源于學習強國）
溫度高的物品
（柏木）
二、干擾現象及其基本原理
（一）加入干擾的開環控制系統
開環控制系統適用于控制精度要求不高的場合，容易受環境的影響。
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
（控制器、執行器等器件穩定性較高）
開環控制系統的干擾因素一般源于外界（環境、人為原因等）。
二、干擾現象及其基本原理
回顧知識：閉環控制系統方框圖
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
+
-
比較器
反饋環節
被控量
設定溫度
控制電路
壓縮機+冷凝器+毛細管+蒸發器
制冷劑狀態、制冷量
冷凍室+冷藏室
實際溫度
+
-
溫控器
干擾：打開冰箱、
溫度高的物品
蒸發器
青藏高原科考工作
二、干擾現象及其基本原理
（二）加入干擾的閉環控制系統
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
+
-
比較器
反饋環節
閉環控制系統的干擾因素往往源于更為復雜的外界環境。
加入干擾的控制系統方框圖
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
+
-
比較器
反饋環節
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
加入干擾的閉環控制系統：
加入干擾的開環控制系統：
三、克服干擾的基本方法
由于干擾的復雜性，想要較為全面地討論在系統中克服干擾的方法需要掌握較多控制原理的知識。
在這里，我們只對克服干擾的方法做一些原則性的介紹。
以干擾的性質來說，有些干擾是可以避免的，而有些干擾是不可完全避免的，只能減少干擾造成的誤差。
三、克服干擾的基本方法
（一）開環控制系統中克服干擾的方法
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
1.提高系統器件的穩定性。
（柏木冰箱）
三、克服干擾的基本方法
（一）開環控制系統中克服干擾的方法
羽毛球落點
大腦
肢體+羽毛球拍
擊打羽毛球方向
羽毛球
羽毛球實際落點
干擾：風
1.提高系統器件的穩定性。
2.盡量降低外界干擾因素的影響。
（柏木冰箱）
（室內羽毛球運動）
三、克服干擾的基本方法
（一）開環控制系統中克服干擾的方法
1.提高系統器件的穩定性。
2.盡量降低外界干擾因素的影響。
（柏木冰箱）
（室內羽毛球運動）
羽毛球落點
大腦
肢體+羽毛球拍
擊打羽毛球方向
具有一定抗風能力的羽毛球
羽毛球實際落點
干擾：3級風以上
（抗風羽毛球）
三、克服干擾的基本方法
（一）開環控制系統中克服干擾的方法
1.提高系統器件的穩定性。
2.盡量降低外界干擾因素的影響。
3.改造成為閉環控制系統。
（柏木冰箱）
（室內羽毛球運動）
（抗風羽毛球）
（壓縮機電冰箱替代了柏木冰箱）
2.選擇精度更高的檢測裝置。
1.提高系統器件的穩定性。
三、克服干擾的基本方法
（二）閉環控制系統中克服干擾的方法
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
干擾
+
-
比較器
反饋環節
云
雀
抵御7級大風的能力
海拔6000米的飛行高度
滿足5公斤載荷
近30分鐘的飛行時長
高原強風干擾下的自主控制
稀薄大氣中的高效升力系統設計
提高飛控系統的負載性能
提高電池及動力系統性能
科考飛行機器人“云雀”的技術突破
（圖片來源于網絡）
干擾：高原強風、稀薄空氣
科考飛行機器人“云雀”的技術突破
設定飛行姿態 俯仰角、滾轉角、偏航角
飛控系統
+通訊系統
動力系統
飛行姿態控制量
俯仰角、滾轉角、偏航角
機體
實際飛行姿態
俯仰角、滾轉角、偏航角
+
-
反饋環節：IMU慣性測量單元、視覺傳感器、空速傳感器、地磁指南針等
比較器
1.提高系統器件的穩定性。
2.選擇精度更高的檢測裝置。
三、克服干擾的基本方法
（二）閉環控制系統中克服干擾的方法
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
+
-
比較器
反饋環節
四、辯證地看待干擾的影響
干擾的影響是相對的。
當干擾所造成的影響不利于達成我們的預期目標時，我們需要克服干擾；相反，我們則需要利用干擾。
四、辯證地看待干擾的影響
干擾的影響是相對的。
無人機反制槍
課堂小結
高中階段，同學們完成的每一個作品都是在發展工程思維，挑戰的每一個干擾問題都是在提升綜合能力。
問題一：既然開環控制系統抗干擾能力比較差，那么在方案設計階段，我們是否需要避免采用開環結構來設計呢？
答案：依據具體項目合理選擇控制方式。
開關控制電路
水量
水泵
水塔
水塔實際水位
期望水位
開環結構設計的水塔水位控制系統
閉環結構設計的水塔水位控制系統
問題一：既然開環控制系統抗干擾能力比較差，那么在方案設計階段，我們是否需要避免采用開環結構來設計呢？
答案：依據具體項目合理選擇控制方式。
開環結構設計的水塔水位控制系統
閉環結構設計的水塔水位控制系統
1.硬件結構相對簡單、軟件設計也比較簡單。
1.硬件結構相對復雜了一點，成本也相對高了一些；軟件設計也復雜一點。
2.維護成本比較低。
2.需要由專業人士進行排查和維修，維護成本相對高。
問題二：如下圖所示，如果“干擾”出現在反饋環節，影響了反饋環節的修正能力，那么有什么方法可以克服這樣的干擾呢？
干擾
給定量
控制器
執行器
控制量
被控對象
被控量
+
-
比較器
反饋環節
問題二：如下圖所示，如果“干擾”出現在反饋環節，影響了反饋環節的修正能力，那么有什么方法可以克服這樣的干擾呢？
干擾：水垢
答案：1.定期檢查檢測裝置的工作性能。
問題二：如下圖所示，如果“干擾”出現在反饋環節，影響了反饋環節的修正能力，那么有什么方法可以克服這樣的干擾呢？
答案：1.定期檢查檢測裝置的工作性能。
控制電路
水量
比較器
水泵
水塔
水塔實際水位
雷達水位計或超聲波水位計
設定上、下水位
+
-
2.更換環境適應性強的檢測裝置。
問題三：高峰期用水對宿舍樓的熱水供應系統來說算不算是干擾呢？
宿舍樓頂熱水供應系統
溫度控制器
熱交換器
出水溫度
給定溫度
溫度傳感器
+
-
蒸汽管閥門
答案：高峰期用水對熱水供應系統的穩定工作造成了干擾。
問題三：下午放學以后是同學們的用水高峰期。高峰期用水對宿舍樓的熱水供應系統來說算不算是干擾呢？
宿舍樓頂熱水供應系統
溫度控制器
熱交換器
出水溫度
給定溫度
溫度傳感器
+
-
蒸汽管閥門
流量計
-
冷水流量

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