地质版（2019）必修《技术与设计2》第四章 控制及其设计第六节 控制系统的实现二 学会控制系统（装置）调试优质课件ppt

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问题思考对于学校安装声控灯，有同学提出:如果声控灯附近并没有来人，而出现意外的声响，声控灯也会应声而亮怎么办?控制系统的问题很复杂。现在，再来分析两个典型控制案例,以便把对控制系统的认识引向深入,并且认识控制系统的又一个重要问题——干扰。
一、典型控制系统案例分析案例1人体体温控制系统分析功能 ：维持人体体温在正常范围内，如37℃左右(这类控制称作恒值控制)。系统组成:人体（包括皮肤);有关的分系统（供给热量);大脑中枢（图4-21 )。工作过程:(1)皮肤（相当于传感器）感知环境温度，并将此信息通过神经系统传给大脑中枢。(2）大脑中枢经判断，给人体（被控对象）的有关分系统（如循环系统）发出工作指令（多或少输送热量)。(3）有关的分系统(相当于执行器）根据指令，加速供给热量或相反，如紧闭汗毛孔或出汗。(4)重复上述过程，人体体温得以维持在一个正常的范围内。
夏季酷热、冬季严寒。然而，人体的正常体温总保持在37℃左右。为什么能做到这样呢?原来人体拥有一个高级的体温控制(调节）系统。很显然，外界环境温度的变化对人体体温控制系统的运行会带来影响。这种外界温度的变化称作干扰因素，这类影响称作干扰作用。环境温度的变化是人体体温控制系统的一种主要干扰因素。图4-22为人体体温控制系统框图。
与前面学过的控制系统不同的是:人体体温控制系统中的皮肤有着双重作用。它既是被控对象(人体)的一个部分(参与了循环系统的体温调节作用,如排汗等);又是传感器(感知环境温度变化,并将此信号反传给大脑中枢,起到反馈作用)。另外,图中的“比较环节”和“正常体温”实际上都包含在大脑中枢之中。
案例2飞机俯仰姿态（角）控制系统分析观察与说明:你注意过飞机是怎样飞翔的吗?你了解飞机是怎样起飞升空的吗?其实，它们都在昂首飞行，只是昂首的程度随着时间段的不同而有所不同(图4-23、图4-24)。图4-24中,θ (t)为俯仰角,表示飞机俯仰姿态; δ(t)为尾(升降)舵偏转角,表示舵状态。功能:实际的俯仰角θ (t)按照指令θ (t)的要求而变化，即输出要跟随着输入的变化而变化，称之为随动控制。
系统组成:飞机（体);舵机构(包含舵面在内);控制器﹔测角元件（传感器)工作过程:(1)发出指令信号θ 0(t) ，并传送给控制器。(2)控制器将信号放大、变换后再传送给舵机构。(3）舵机构偏转尾舵面; δ(t) 。注意: θ 0(t) 、 θ (t) 、 δ(t)均为时间函数。(4）偏转的舵面上产生的气动力，驱动飞机做仰（俯）首旋转运动，得到实际的俯仰姿态角θ (t) （机械角)。(5）测角元件感知实际俯仰姿态角，即机械的θ (t) ，并转换为电气的θ (t) ，反传送回来与指令θ 0(t)相比较后，得出偏差此后，重复(2）→( 3)→(4)→(5)，经过不断的调整，直到9(t)满足要求，即趋近于θ 0(t) ，这时飞机进入新的稳态。
图4-25为飞机俯仰姿态控制系统框图。图中，指令θ 0(t)是时间的函数，通过婆态控制系统的控制，可以确保实际俯仰角θ (t)很好地跟随θ 0(t)变化。显然，这里的反馈作用很重要。当飞机在空中飞行时，不可避免地会受到空气阻力的影响，若突然有一阵风(机上工作人员称之为飞机遇上了气流）对着飞机头部自下而上吹过来，那么，飞机的飞行姿态会怎样随动变化呢?
首先，飞机头部会因风吹而向上抬起，即实际俯仰角θ (t)增大，同时，测角元件感受到此变化后,由反馈作用产生新的跟踪误差e(t)，控制器通过执行器——舵机构的偏转使实际俯仰角θ (t)减小……这样，阵风与控制系统双重作用于飞机上，机体的俯仰角θ (t)出现增大→减小→再增大→再减小……如此反复变化,形成飞机飞行俯仰角的振荡。实际上，俯仰角的振荡还会耦合致飞行高度h(t)的振荡。综合起来，使得原本较平稳的飞行进入颠簸不稳的飞行状态。民用航空使用专用频率与地面指挥系统进行通信。一些非法电台会占用这个频率，从而会对飞机飞行造成严重干扰，甚至造成飞机处于“失联”状态，严重威胁飞行安全。由上述可见,对飞机控制系统及飞行来说,阵风、电磁都是干扰因素。
飞机俯仰姿态(角)控制(跟随)系统的特性图4-26中的曲线,表示θ(t)跟随θ0(t)的过程,你能做一些什么样的解释?不妨先试一试,然后再往下读。首先,看看指令输入信号的变化:θ0(t)在t1时刻,从原来的某一值(图中,t1时刻左侧与时间轴重合的那段水平线所示部分),跃变为另一个新值(图中, t1时刻右侧、在时间轴上方的那段水平线所示部分),原有值到新值,连接起来看，像一个台阶。这就是指令要求突变(这类信号常被称为阶跃信号)的曲线（实际上是折线①)。再来看看输出信号是怎样变化的:机体的实际θ0(t) ，自t1时刻开始，从原来的值(图中,时间轴上t1那个点对应的值)。沿着曲线②逐渐上升（增值);然后，随着时间的往后推移，曲线②围绕着表示θ0(t) 新值的水平直线①，形成了一条波浪式的光滑曲线;再往后，到了t2时刻， θ(t)才趋近θ0(t) ，进入稳态。因此， θ(t)跟随θ0(t)需要经过一个跟随指令的动态工作过程。在科技工程领域中，系统(对象）特性曲线是一种重要且常用的描述手段，该曲线定性又定量地描述了系统特性。你注意到这种跟随特性的突出特点了吗?在(t2-t1）时间段内，系统依据角偏差量[θ0(t) - θ(t)]进行控制，导致θ(t)曲线相对θ(t)的新值上下波动，常称此现象为幅值振荡，简称振荡。具有振荡，便是这个控制系统跟随特性的突出特点。或者说，这个控制系统具有振荡特性。具有振荡特性,使得跟随过程出现波动，振荡越弱，飞机越平稳。
问题思考如果有了阵风的干扰，飞机的姿态控制系统是如何抑制阵风干扰所带来的影响的?提示:参照“工作过程”中的有关内容。
二、干扰因素（一）干扰因素在人体体温控制系统分析中，我们知道了环境温度变化是人体体温控制系统的一种主要干扰因素;在飞机俯仰姿态（角）控制系统分析中，知道了阵风是机体姿态的干扰因素。那么，一个控制系统的干扰因素是不是只有一个呢?是不是所有的控制系统都有干扰因素呢?其实，一个控制系统的干扰因素不止一个，所有的控制系统的工作运行，都会受到所谓干扰因素的影响。干扰因素对控制系统的影响,有时是破坏性的，甚至是致命的。例如，过高或过低的环境温度，可以使人生病，甚至死亡;过于恶劣的天气条件会威胁飞机的飞行安全。因此，在设计、使用一个控制系统时，必须弄清这个控制系统有哪些干扰因素。为此，我们需要学会分析一个控制系统的干扰因素，以及这个因素是如何对这个系统的运行产生影响的，以便我们在设计和使用控制系统时，尽量避开或抑制这些干扰因素对系统的影响。
(二)抗干扰性什么是干扰呢?顾名思义，它是对控制系统的干涉或扰动。准确地说，干扰就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。这种影响越小越好。如果一个控制系统能够很好地避开或抑制干扰，使干扰对系统产生的影响很小，我们就说这个系统抗干扰性强。一个系统的干扰因素是什么，要分析控制系统易受到其外部环境或条件中的哪些因素的影响。例如，人体体温控制系统容易受到环境温度（冷热）的影响，飞机俯仰姿态(角)控制系统容易受到大气中风的影响，电子控制系统容易受到电磁环境的影响，等等。在控制系统框图中，干扰作用一般体现在被控对象上。
飞机飞行干扰的抑制现在，再以案例2来说明这个问题。假设飞机已处在某一个稳态，即θ(t) ≈θ0(t) ，此时飞机遇到一股自下而上的阵风。这股阵风，便是干扰。飞机受干扰后，会自动产生以下调节（控制)过程:由于飞机头部先受到干扰，头部相对原来的姿态便要产生抬头趋势，即有相对原有值θ0(t)多了一个俯仰角增量“+△ θ(t)”(一般都用“△”来强调增量)→飞机通过测角元件，将此信号“+△ θ(t)”立即反馈到比较环节，产生新的角偏差→再通过控制器、执行器(舵机构)，产生一个相应的舵偏角增量△δ（t），使飞机的姿态产生低头（飞机的结构具备此特性)趋势，即有一个“-△ θ(t)”增量。系统自身产生的“-△ θ(t)”增量，将会抵消干扰带给系统的“+△ θ(t)”增量的影响……经过反复调节，系统自动恢复到原来的稳态，即θ(t) ≈θ0(t) 。干扰为什么被抑制?除了被控对象（此例中即飞机）的自身特性因素以外，其根本原因就是此类闭环控制系统中存在反馈的作用。
回答下列问题:(1)控制系统的分类。从不同的角度看，控制系统有不同的分类。试就前面第二节和第四节学过的4个案例，填写表4-3。(2）怎样理解反馈的作用?提示:对于闭环控制来说，反馈的作用是随时随刻将被控量(如实际水位、实际体温、实际俯仰角等）的信息传递到比较环节,从而形成偏差量(如水位偏差、体温偏差、俯仰角偏差等)。因此，闭环控制实质上是偏差控制。这里，反馈起到了至关重要的作用。(3）什么是控制系统的干扰?怎样分析干扰因素?控制系统是如何抑制干扰影响的?