2019-2020年高中通用技术 闭环控制系统的干扰与反馈1教案 苏教版必修2

1、2019-2020年高中通用技术闭环控制系统的干扰与反馈1教案苏教版必修2教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2）文档内容：闭环控制系统的干扰与反馈章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈课时：第1课时一、教学目标1. 知识与技能目标（1）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）熟悉闭环控系统中反馈环节的作用。（3）能识读和画出简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用。2. 过程与方法目标（1）通过课堂小试验亲身体验“反馈”的作用。（2）通过典型闭环控制系统的分析，熟悉闭环控制系统的基本组成及工作过程。（3）逐

2、步形成理解和分析闭环控制系统的一般方法，学会使用逆推法分析问题。3. 情感态度与价值观目标（1）通过“神奇”的自动控制装置，感受科技的魅力，形成和保持探究控制系统的兴趣与热情。（2）通过对闭环控制系统的探究，形成勇于探索敢于创造优良品质。二、教学重点本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。三、教学难点分析闭环控系统的基本组成及工作过程四、教学方法演示法、逆推分析法、游戏法五、设计思想：1. 教材分析本节是“控制与设计”第三节的内容，其内容包括“干扰因素”、“反馈”、“功能模拟方法”和“黑箱方法”。闭环控制系统相对于开环控系统要复杂些，

3、但闭环控制系统因其控制准，自动化程度高，有着“神奇”的控制效果，对学生来说也同样具有一定的吸引力，成为学生进一步学习的动力。本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。2. 学情分析（1）知道什么是开环控制系统，什么闭环控制系统；（2）熟悉开环控制系统的基本组成及工作过程；（3）在和学习开环控制系统过程中，学会了用系统框图来帮助分析和理解开环控制系统的组成和工作过程，及用系统框图来抽象概括开环控制系统的特征；（4）对分析闭环控制系统有一定的畏难情绪；（5）对闭环控制系统“神奇”的控制效果充满的好奇心，有着进一步了解其内部组成和工作原理的欲

4、望。3. 教学策略（1）通过实物模型演示闭环控制系统“神奇”的控制效果，激发学生的学习兴趣；（2）通过课堂小试验亲身体验“反馈”的作用；（3）采用逆推法引发学生的思维，帮助分析闭环控制的基本组成和工作过程；（4）淡化对概念或定义的描述，侧重机理的分析。六、教学资源准备实物模型、相关图片资料、技术试验工具、材料等七、教学过程序号教学步骤教师活动学生活动-一一情景导入很多同学都会发现在一些比较高的楼房顶上都有一个蓄水塔。平时要往水塔里抽水，如果要人亲自去水塔上开关水阀门是不是很麻烦呢？我们学习了控制的有关知识，知道我们完全可以用一个控制装置来实现抽水的自动控制。今天老师就带来了两种可以实现自动抽水

5、的实物模型，现在老师来演示给同学看一、演示并讲解两种自动抽水控制装置的自动控制效果和控制过程：（1）自动抽水实物模型1（定时器控制）的控制效果：设定间隔时间和抽水持续时一启动一过一段时间后开始抽水f抽水持续一段时间后停止抽水（2）自动抽水实物模型2（闭环控制）的控制效果：水塔放水f当水塔水位降低到一定水位，开始抽水f当塔水位上升到一定水位，停止抽水。二、比较两种自动控制的控制效果，引导学生指出定时器自动抽水装置存在的缺陷及原因三、引出干扰的概念：其实导致定时控制抽水存在这样的缺陷的根本原因是在控制过程中存在干扰观察、思考和比较指出定时器自动抽水装置存在的缺陷和原因：缺陷1：会出现有时水用完需抽

6、水时没有抽水，而有时还不需抽水时却提前抽水了。原因：每天的用水量有多有少导致不知多长时间后该抽水。缺陷2：抽水时有时会抽得过满甚至溢出，而有进还没抽满就停止抽水了。原因：抽水时进水量不稳定-二二干扰因素在日常生活中，干扰是时常存在的1. 什么是干扰？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。2. 干扰举例：（1）风对自动车行驶（2）手机信号对飞机导航的干扰（3）室外温度对空调温度控制的干扰（4）手机对显示器的干扰（现场演示）3. 案例分析（1）在电冰箱的温度控制系统有哪些干扰因素？（2）自动扶梯的升降控制系统存在哪些干扰因素？（3）利用滑轮组提升重物的控制装置

7、存在哪些干扰因素？4. 干扰存在的普遍性在几乎所有控制系统都存在着干扰因素，干扰不可能被杜绝，但可以被克服。5. 思考生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？三反馈1.什么是反馈控制系统中，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）明确反馈的概念2.案例分析：投篮这个投篮过程中的人的眼睛相当于什么？大脑、手又相当于什么？人在投篮时有没有信息的反馈过程？请分析得出系统控制框图。思考，归纳：眼睛是检测装置，大脑是控制器，手是执行器，被控对象是篮球3体验反馈：课堂小游戏“穿针引线”思考：这个游戏中的人的眼睛相当于什么？大脑、手又相当于什么？人在

8、“穿针”时有没有信息的反馈过程？体验反馈在控制中的作用4.思考：“十聋九哑”产生的原因？因为没有反馈四闭环控制系统的基本组成和工作过程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，我们再来看看我们在开始时给大家演示的第二个自动抽水控制装置，这个控制装置能准确控制抽水过程，也正是因为有反馈，从而形成闭环控制系统，下面来分析一下这个自动抽水控制装置的组成和工作过程1.用逆推法引导学生分析自动抽水控制系统的组成归纳出系统的组成：被控对象：水塔被控量：水塔的水位执行器：水泵（1）再次展示自动抽水控制装置实物（2）提问a. 该控制系统的被控对象是什么？被控量是什么？（被控对象是水塔，被控量是

9、水塔的水位）b. 水塔水位靠什么来实现？（水泵）c. 水泵靠什么来控制？（控制电路）d. 控制电路怎么知道什么时侯该开始抽水，什么时侯停止抽水？（通过传感器检测水位，再反馈给控制电路）2. 自动抽水控制系统的工作过程（1）再次演示自动抽水控制装置自动抽水过程：将水位传感器定在第一条水位线，通电，水泵往水塔里抽水，水位到达传感器位置时水泵即停止抽水，从排水口排水，水位低于第一水位线时水泵又开始抽水；将水位传感器定在第二条水位线，重复上述操作。（2）提问：这个水塔的工作过程是怎样的，请同学们相互讨论一下，试用系统框图来描述。控制器：控制电路检测器：水位检测装画出控制系统框图:（略）给定水位输入&g

10、t;裡制电路（控制器）*水泵>水塔（执行器）（被控对象）输岀3. 案例分析：加热炉的温度控制系统温哎设定控商器分析、归纳分析思考后得出：用散热量作为控制量提问：在加热炉的温度控制系统中，可能有哪些干扰因素，系统是如何克服干扰使炉温稳定在给定的范围内的？其控制量是什么？控制量可以有其他选择吗？4. 思考如果请你设计一个温室的温度控制系统，你将选择什么作为控制量？引导学生对闭环控制系统与开环控系统进行比较闭环控制系统与开环控制系统的比较闭环控制系统与开环控制系统的比较控制系统控制精度结构成本应用范围五闭环有反馈精度高结构复杂成本高高精度、高可靠、系统本身不稳定的应用领域比较，归纳开环无反愦精

11、度校低结构简单成本低控制精度要求不高本身很稳定的应用2019-2020年高中通用技术闭环控制系统的干扰与反馈2教案苏教版必修2教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2）文档内容：闭环控制系统的干扰与反馈章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈课时：第1课时一、教学目标1. 知识与技能：了解闭环控制系统的干扰与反馈的各方面因素。2. 过程与方法：能结合身边的案例找出干扰的因素，并做出分析。3. 情感态度与价值观：培养学生对一个控制系统的理解能力和分析能力，并能从物性到理性过渡，能对学习与人生产生干扰影响的因素进行分析。二、教学重点1. 能结合案例分析找出影响

12、简单控制系统的干扰因素。2. 熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。3. 学会分析干扰在控制系统的影响，反馈在技术发明和革新中的作用。三、教学难点1. 对干扰系统的全面细致的分析。2. 反馈环节的使用。四、教学方法本课通过“案例分析法”，采用启发式、讲述式、分析等多种教学方式，以课程目标为依据，努力提高教学的生动性和逻辑性，激发学生的学习兴趣，提高学生的注意力，使学生能够自己建构出本课的知识点。五、学习方法本节课的教学对象是刚刚对控制系统有了初步的了解学生，对控制的干扰还蒙着一层神秘的面纱。好奇心较强，思维活跃，虽然他们的生活经验不是很丰富，但根据他们现有的认知水平和认知风格还是很容易接受本节课的

13、内容。本课教给学生的学法是“分析案例合作探究得出结论思维扩展”。六、设计思想教材分析1. 知识结构分析本节将控制系统置于真实环境中，引入干扰的概念，并通过典型案例，分析和归纳了克服干扰因素的方法，在此基础上引入反馈概念，并对闭环控制系统的作用进行了重点探讨。2. 知识发生发展过程分析本节知识发生的条件是控制系统工作的真实情景，如骑车、温度控制等，教材通过对真实情景干扰因素的分析、具体问题的解决建构知识，对此，教学上要注意领会和把握。3. 知识学习意义分析通过本节学习，有助于理解真实的控制系统的工作条件和工作过程，为简单控制系统的设计和改进打下基础。同时，也有利于理解控制精度、控制水平的概念，为

14、学生知识的迁移运用，进行真实控制系统的探究和评价奠定基础。设计理念干扰因素和反馈是闭环控制系统中的两个重要的核心概念，闭环控制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统达到稳定。本课堂根据教学目标和学生认知水平的特点，通过引导、分析、小组合作、代表发言等来达到教育教学目标。课堂中体现了学生自主学习，教师启发引导的新课改教学原则。教学策略设计根据本课的教学目标，我采用教师讲授，媒体演示，任务驱动，学生自主思考、合作讨论等多种教学方法相结合的策略。学情分析1. 原有认知发展分析本节是在上节内容基础上的继续，属于知识上爬坡以后的深化和充实。相对于一、二节，知识梯度较小。2. 原有知识结构分析通过前两节的

15、学习，学生以了解了控制系统的一般工作模式。但所学内容系理想条件下控制系统的工作过程，对开环和闭环控制系统的理解处于表面化的阶段，需通过本节的学习予以深化。3. 非认知因素分析注意防止连方面的倾向，面对比较简单的控制实例，部分学生容易轻视，对所论内容不够重视；稍难，则缺乏信心、退缩。六、教学准备教学相关资料的准备，包括文本（骑自行车的干扰分析，学生生活经验）、图片（各种自行车图片、影响因素图片）；教师演示教学课件。课件容纳一些图片和例子说明。图片可以从网上下载，也可以把书中照片用数码相机拍摄，通过电脑处理后使用。七、教学过程（一）课堂导入展示图片：教师提问：平常我们在送走客人获亲朋好友的时候都说

16、一路顺风，那为什么我们在送乘坐飞机的乘客时候却不能这么说呢？（提示根据物理知识进行解释）学生小组讨论并代表发言教师总结：飞机在起降阶段速度（地速）比较小，要想使飞机获得足够的升力克服重力而腾空，就需要稍大的空速（相对于气流的速度），那么在地速（相对于地面参考物的速度）相对较小的情况下就需要飞机最好迎风干扰起飞，这样才能达到比较大的空速，已达到足够的升力而起飞。落地亦然。一般的，737型飞机的最大顺风起降限制为5米每秒，也就是说当顺风达到5米每秒时就不能起降了，若下雨（专业说法是“湿跑道”），这个数值就会是3米每秒。如果你祝人家“一路顺风”，那岂不是祝人家不顺利？所以出行时你可以用“一路顺利”来

17、代替“一路顺风”，如果你的朋友是航空界业内人士，你还可以说“航路顺风”，这样会更显专业点。（航路上起飞以后降落之前当然是顺风好了，可以省油省时间）。类似的事例还有风筝起飞等等。为此根据以上分析得出飞机起飞是通过分力干扰来实现的【知识复习】简单回顾控制的分类和组成：1. 控制系统的分类是什么？2. 控制系统有哪几部分组成？（二）干扰今天我们就一起来研究下干扰与反馈。脚踩的力自行车行使的速度1. 知识讲解案例分析一：逆风中骑自行车。给定量被控量逆风、顺风、上坡路教师提问：分析逆风中行驶的自行车哪些因素是输入量，哪些是输出量，哪些是影响车子运行的因素。学生：根据教师的提问来进行小组分析2. 得出结论

18、：什么是干扰因素：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（interference）因素。3. 扩展讨论：生活中还有哪些例子说明“干扰是存在的”？4. 总结结论：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。5. 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？并简单概括理由：开电冰箱的门；电冰箱所在房间的温度从20摄氏度变到32摄氏度；吧热菜或热饭放入电冰箱中；电冰箱外放一盆冷水；学生小组讨论，并代表发言。6. 思考：在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？（斜线部分为参考答案）控制系统干扰因素自动扶梯的升降控制系

19、统扶梯承载的重力、电机输岀电压的波动、齿轮间的摩擦力等。利用滑轮组提升重物的控制系统滑轮组的摩擦力、电机电源的波动等、绳子和滑轮，重物的重力。蔬菜大棚的温度控制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。7. 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。克服干扰的基本办法：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注意

20、：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。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。（三）反馈1. 知识讲解定义：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）。反馈的方式

21、：反馈控制是一种在计划执行一段时间或结束后进行的事后控制，主要为下一步计划的实施总结经验，但它却常常是管理控制工作的主要形式。例如投诉与反馈、留言反馈、意见反馈、环境反馈、教学活动、超市反馈调查表、市场信息反馈系统、工作总结、产品性能检验、现代酒店控制方法等。2. 实践体验游戏：在黑板上画两张大脸，“四官俱全”，没有眼睛。然后请一个同学上来“填”眼睛，闭着眼睛画，位置不对,也不好看。睁着眼睛画，漂亮。分析：闭着眼睛画：人脑控制手画眼睛：人脑手眼睛；控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节。是个单程的控制流向。这是开环控制。睁着眼睛画：人脑控制手画眼睛，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果及时反馈给大脑，使得大脑准确精细的控制手去画好眼睛。控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈给人脑，控制流向形成了闭合回路。这是闭环控制。3.马上行动：分析“穿针引线”的动作过程，并补充一个适当的事例填写下表。（斜线部分为参考答案）事例输入检测装置输出“穿针引线”线的位置人的眼睛线与针孔对准投掷飞镖靶的位