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专题讲座《闭环控制系统分析》

[日期:2011-11-17 17:41:51] [字体:特大 ]

刘琼发(粤版通用技术教材主编,华南师范大学教授) 

    一. 开环和闭环控制系统的定义分析  
    二. 开环和闭环控制系统的区别及判断方法  
    三. 闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系  
    四. 闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结  
    五. 开闭环, 自动和手动控制系统的总结  
    问题研讨 1:  
    1. 人开电灯的控制方式  
    (1) 问提研讨: 人打开电灯开关后, 不看电灯是否亮不亮, 这是一种什么控制 ?  
    (2) 人打开电灯开关后, 要看电灯是否亮不亮, 如不亮, 要多次开关电灯, 甚至检修开关, 直到开亮为止, 这是一种什么控制 ?  
    2. 人开汽车
    (1) 人手握方向盘开汽车是什么控制方式 ? 
    (2) 人两手离开方向盘去发手机短信, 有拐弯时, 或有情况时手再扶方向盘, 这种开汽车方式是什么控制方式 ?
    问提研讨 2: 
    (1) 自动控制系统是否一定是闭环控制 ?  
    举例说明之
    (2) 按照控制的总定义, 是否有人参加的控制系统一定是闭环控制系统 ? 
    (3) 开环控制系统一定没有检测, 反馈回路吗 ? 
    (4) 水箱 ( 游泳池 ) 水位自动控制系统中, 被控对像是水箱 ( 游泳池 ) 吗 ? 
    (5) 现在有些教材中出现“输出量”的概念 ( 课标中没有这个概念 ), 它是什么 ? 它等于被控量吗 ? 
    一. 开环和闭环控制系统的定义分析  
    例 1. 
    飞镖(图 4-7 )是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时,首先会在脑子里确定一个希望射中的目标,然后再根据场地的情况及自己的经验,控制手臂的投掷动作,将飞镖掷出。显然,在飞镖掷出后,飞镖的飞行就不可控制了,能否命中目标,取决于飞镖在投掷时的初始状态,即投掷者的投掷水平。
    实际上,如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展,就要对其进行干预,这种根据自己的目的,通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展,就形成了控制。
    二. 开环和闭环控制系统的区别及判断方法  
    (一) 开、闭环控制的定义 
能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较,并根据它们的误差及时调整控制的系统,称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统,称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分,称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节,所以有时又称闭环控制系统为反馈控制系统。反馈环节是闭环控制系统的重要特征。
    (二) 原课标中闭环控制系统的结构工作原理及理解中存在的问题  
    原理图:  


    问题 
    给定量可以上负下正吗?
    下方箭头代表什么量?
    代表什么? 
    被控量箭头指向何方? 
    输出量是什么? 
    (三) 闭环控制系统结构概念的补充理解  

    (注:被控量不是一个结构实体,所以不能用实线方框,图中虚线的改动只是一种理解方法,原图并无错误)
开环和闭环控制系统的区别及判断方法:
    案例一:骑自行车  
    案例二:驾驶汽车 
    案例三:空调系统和冰箱系统 
    一个有争议的案例分析 —— 人投飞镖是否是闭环控制:  

    控制过程分析
    第一次投飞镖偏左 
    第二次投飞镖偏右
    第三次经过校正后飞镖命中靶心
    结论:有检测,有反馈,有控制校正,最后飞镖命中靶心。这个控制过程是否闭环控制?
    现在我们来讨论一个有争议的案例。图中显示的是一个人,手中拿着飞镖,对着靶心投飞镖。投飞镖的过程当中,假定第一次投的飞镖偏左,投到左边去了,第二次偏右,第三次命中目标。有的人认为这三次是经过调整校正过程,有检测有反馈有校正,最后命中靶心,把这三个过程合起来作为一个系统就构成了闭环控制系统。现在全国分两大结论,一类结论认为这三次投飞镖是闭环控制过程,而另一类结论认为这个不是闭环控制系统,还是开环控制系统。这个争论就比较大了。那么咱们怎么判定谁的说法是正确的呢?我们怎么讨论、检查或者判断一个控制系统是闭环还是开环呢?这是要我们来讨论一下课标和教材中的一些结论。就是第三个,课标和部分教材中关于闭环控制系统关于抗干扰作用的论述。
    (三)课标和部分教材中关于闭环控制系统抗干扰作用的论述  
    1. 课标中关于闭环控制系统抗干扰作用
    (四)控制与设计 
    1 .内容标准 
    ( 1 )理解控制的含义及其在生产和生活中的应用。
    例 事物的发展有多种可能性,人们根据自己的目的,通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展,就形成了控制。
    ( 2 )分析典型的案例,了解手动控制、自动控制,熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。 
    例1 控制设计是对系统的信息流程、反馈机制进行分析和设计,使系统的运行达到最佳状态。
    例2 开关控制灯的亮与灭(手动、开环控制)。
    例3 电冰箱冷藏室温度的控制(自动,闭环控制)。
    ( 3 )能画出一个简单的闭环控制系统的方框图,理解其中的控制器、执行器等环节的作用,熟悉反馈环节的作用  

    例 画出家用空调控制系统的方框图。  
    ( 4 )能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素,并作分析。
    2. 部分教材中关于闭环控制系统抗干扰功能的论述 
    • A 教材中有关论述:“闭环控制系统能不断地修正控制效果,以减少被控量和基准量之间的误差”。 
    • B 教材中有关论述:“不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时,必定会产生一个相应的控制作用,去减少或和消除这个偏差,使被控量与希望值趋于一致”。
    • C 教材中有关论述:“不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量,闭环控制系统都会产生控制作用,来减少这一偏差”。 ( 注:此处的输出量应改为被控量才正确 !) 
    结论:
    • 闭环控制系统一定有抗干扰性能。
    • 无抗干扰性能的系统不是闭环控制系统。
    • 抗干功能的能力和速度取决于闭环控制系统的结构和性能。 
    (四) 闭环控制系统的三个基本条件  
    1. 被控对象在控制过程中应是同一个对象。
    2. 控制时系统不能中断,应进行实时控制。
    3. 应能检测被控量的误差,并及时减少误差。
    (五) 判断一个系统是否闭环控制的两种方法  
    1. 检测能否抗干扰的方法 ( 干扰法 ) 
    ( 1 )干扰被控量(空调)
    ( 2 )干扰被控对象及比较器(人骑自行车)
    ( 3 )人多次投飞镖的状态分析 —— 不能抗干扰 
    2. 检查能否跟踪基准量(跟踪法) 
    ( 1 )人为改变基准量,如果被控对象能及时受到控制,改变工作状态,使被控量和基准量始终保持相同或相接近,则该系统为闭环控制系统。
    ( 2 )如果被控对象不能受到控制而改变工作状态,使被控量(注意:不是输出量)及时跟踪基准量,则该系统不是闭环控制系统。
    注意:判断一个系统是否闭环控制的两种方法是等价的 ! 
    (六) 案例分析  
    ( 1 )空调系统跟踪基准量的变化 —— 人为设定温度的变化 
    ( 2 )人骑自行车跟踪基准量的变化 —— 道路弯曲 
    ( 3 )投飞镖不能跟踪基准量的变化 —— 飞镖投出后,飞镖靶移动时无法跟踪
    (七) 知识拓展 —— 闭环控制系统的两种类型 
    1. 两个状态的控制(低精确度)
    2. 无穷个状态的连续控制(高精确度)
    案例分析:
    • 非变频式空调(两个状态)
    • 变频式空调(连续无穷个状态)
    • 茶壶倒水到茶杯(连续无穷个状态)
    • 人吃饭夹菜到嘴中(连续无穷个状态)
    • 精密制导导弹,飞船系统等工作过程(连续无穷个状态)。
    三. 闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系  
    (一) 下面 3 个闭环控制系统的表述是否正确 ?  
    (1) 一个电冰箱闭环控制系统
    (2) 一个恒温加热炉闭环控制系统
    (3) 一个恒定水位水箱闭环控制系统
    (1) 一个电冰箱闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?  

    有错误的电冰箱闭环自动控制系统  

    正确的电冰箱闭环自动控制系统
    (2) 一个恒温加热炉闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?  

    有错误的恒温加热炉闭环自动控制系统  

    正确的恒温加热炉闭环自动控制系统
    (3) 一个恒定水位水箱闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?  

    错误的水箱闭环自动控制系统  

    正确的水箱闭环自动控制系统 
    (二) 错误的要点分析  
    1. 逻辑错误, 把系统整体又作为系统的其中一部分 ( 如冰箱, 恒温箱 ) 。
    2. 把控制过程中物理量没有变化的物体作为被控对象 ( 如水箱, 游泳池 ) 。
    3. 图中的被控对象, 没有输出量输出, 而且被控量在被控对象里面 
    (三) 输出量是什么, 它等于被控量吗 ?  
    输出量是指由被控对象输出的量
    (1) 在部分控制系统中, 输出量等于被控量
    例:在开关电灯 ( 被控对象 ) 控制 ( 开环 ) 系统中,输出量是亮度,被控量是亮度。  

    在人骑自行车控制 ( 闭环 ) 系统中,输出量是前轮方向,被控量是前轮方向。  

    图 4-21 骑自行车的控制过程
    图 4-22 闭合的信号回路
    注意:图 4-22 仅仅是图 4-21 的方框图, 它的输出量等于被控量。图 4-22 用于冰箱, 空调系统中是不正确的 !
    (2) 在另一部分控制系统中, 输出量不等于被控量。
    例:在空调中, 输出量是冷空气流量 ( 热容量 ) ,被控量是室内空气温度,自来水塔中, 输出量是水的流量,被控量是塔中水位的高度。
    四. 闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结  
    (1) 给定量:控制者给定的基准值, 又叫希望值。
    (2) 比较量:由被控量送来的样品,用来和给定量作比较,比较量和给定量一定是同一量纲。
    (3) 比较器:将给定量与比较量进行比较,得到差值,并转换成另一种量(可能是另一种量纲)送到控制器。
    (4) 控制器:将比较器输出的量进行放大处理,然后将控制的控制量(或指令)送到执行器, 控制器输出的还不是强信号召力。
    (5) 执行器:把控制器输出的控制量(或指令)转换成物理量,该量可以是力,电流,电压,功等不同量纲的物理量,用来直接控制推动被控对象。
    (6) 被控对象:控制者实施控制的物体,被控制时一定会改变它的状态,如改变它的方向,角度,速度,高度,温度,等等 ; 被控对象的另一个特征是 : 它的输出量的积累迭加, 并直接造成, 导至被控量的改变。
    (7) 输出量:由被控对象输出, 它的输出积累迭加, 并直接造成, 导致被控量的改变。
    该量可能与被控量同一个量纲,例如自行车闭环控制系统中,被控的自行车的车头角度与道路的方向量纲相同。被控对象的输出量也可能与被控量不是同一个量纲,例如自来水塔闭环控制系统中,被控对象的输出量是水的流量(立方米秒),而被控量是水塔中水位的高度(米)。
    (8) 被控量:控制者最终的控制目标量,它与给定量是同一个量纲。
    (9) 反馈环节:它包括检测器 ( 包括转换器 ) 和传输器(回路),它将被控量的样品检测, 转换后,输送到比较器。
    五. 开闭环, 自动和手动控制系统的总结  
    (一) 事例  
    自动:开环,例如,定时浇水控制系统
    闭环,例如,湿度自动保持浇水系统
    手动:开环,例如,人投飞镖, 投篮球
    闭环,例如,人骑自行车, 开汽车 
    (二) 调节电灯亮度三种控制方式  
    (1) 简单的开关灯控制 ( 开环控制系统 ) 
    (2) 可控硅控制亮度, 断续多次反复调节, 每次调完后, 手都松开电位器控制旋钮, 直调节到亮度合适为止 ( 开环控制系统 ) 
    (3) 可控硅控制亮度, 手不松开电位器控制旋钮, 连续多次反复调节, 直调节到亮度合适为止 ( 闭环控制系统 ) 

    (刘琼发:广东省高中新课程指导通用技术专家组组长,粤版通用技术教材主编,华南师大物理与电信工程学院院长,教授。)

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 评论者:Joshua
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发表时间:2012-3-19 17:23:14 [来自: 109.230.216.60]

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