4.3闭环控制系统的工作过程教学设计-高中通用技术必修《技术与设计2》

闭环控制系统的干扰与反馈教学设计学科通用技术年级高二班级授课教师章节第四章第三节课题名称闭环控制系统的干扰与反馈课型新授课授课时间课标要求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。能画出一个简单的闭环控制系统的方框图……熟悉反馈环节的作用。教学目标（核心素养）1、知识与技能（1）知道干扰因素的概念，结合实例，分析控制系统的干扰因素对控制系统影响的过程。（2）知道常见的克服干扰因素的方法。（3）能说出一个简单的闭环控制系统通过反馈方法抗干扰因素的过程。2、过程与方法通过典型案例的分析，了解反馈的工作原理和闭环控制系统的工作过程。3、情感态度与价值观通过对日常生活中案例的分析，感受干扰和反馈在生活中的存在和应用，为下一步控制的设计奠定基础。教学重点干扰因素、反馈的工作原理。教学难点干扰因素的分析、闭环控制系统通过反馈方法抗干扰因素的过程。教学方法案例教学法讲授法教学过程教师活动学生活动二次备课新课引入使用收音机播放一段音乐，在播放的过程中使用电磁信号对其进行干扰。问题：大家在日常生活中遇到过这样的情况吗？这是怎么回事？请举例说明在日常生活中遇到类似的情况。学生：举例。如信号对音响的干扰、对CRT显示器的干扰、电磁波对电视机的干扰、信号对飞机导航信号的干扰等。可见，在日常生活中，干扰是时常存在的。今天我们来一起学习第四章第三节《闭环控制系统的干扰与反馈》听收音机，感受信号被电磁干扰后的变化。教学环节教学环节（一）干扰因素对于收音机这个控制系统来说，输入的是相应的频道，输出的是对应频道的音频信息，电磁信号对对其产生干扰，从而使其听众无法正常收听节目，那电磁信号就是此控制系统的一个干扰因素。1、什么是干扰因素干扰因素的概念：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起输出量（被控量）变化的各种因素称为干扰因素。输入量输入量（给定值）被控对象输出量（被控量）干扰因素【说一说】骑自行过程中存在的干扰因素。给定温度电冰箱给定温度电冰箱实际温度干扰因素开电冰箱门电冰箱所在房间的温度从20。C变到32。C；把热菜或热饭放入电冰箱中；在电冰箱外放一盆冷水在以上案例中我们可以看出在控制系统中干扰因素可能有一个，也可能有若干个，有些干扰因素是由于环境造成的，有的干扰因素是人为原因所致的。【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装置蔬菜大棚的温度控制在以上控制系统中所存在的干扰因素是我们希望存在的吗？不是，在一般控制系统中，干扰因素是需要克服的。而在有些情况下，却可以利用干扰因素实现某种目的。例如：在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。在考试中使用屏蔽仪对信号进行屏蔽等。这些都是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。2、控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。克服干扰的基本方法：【案例分析】：电视机消除干扰。找出干扰源，切断干扰。减弱干扰。加强系统性能提高抗干扰能力。比较常见的方法是在控制系统中引入反馈。（二）反馈1、什么是反馈？在自动控制系统中，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）。【案例分析】:电冰箱的温度控制系统控制的目的输入量输出量该系统是如何实现温度的自动控制的？感温包不断地感测电冰箱内的工作温度，并将温度信号及时反馈为传动膜片的伸与缩的动作，改变活动出点的位置，进而改变压缩机的工作状态。++给定温度给定温度电冰箱温度控制系统实际温度检测装置这个过程就是反馈。利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法，称为反馈方法。反馈方法是通过对结果的检测来调整过程从而获得更为理想结果的思想和方法，它已经在很多领域得到了广泛的应用。又如，普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动保温电水壶具有当水温达到沸点时自动切换到保温状态的功能，这也是运用反馈方法实现自动控制的结果。饮水机、空调对于温度的控制亦是如此。【小试验】坐姿提醒器报警试验。试验目的：通过视力保护提醒器报警试验理解反馈的原理。试验任务：使用视力保护提醒器，试说明其工作原理。人体的坐姿带动机身的弯曲，当机身弯曲超过规定角度时，提醒器报警。学生材料：本例介绍的坐姿提醒器，使用时挂在使用者的耳朵上或安装在帽子上，当使用者的上身或头部前倾角度过大时，它能发出"请注意近视!快坐正!"或"请注意坐姿!"的语音提醒声。该装置除可用于办公人员和学生的坐姿纠正、防止近视外，还可作为机动车驾驶员的瞌睡提醒器使用。本例介绍的坐姿提醒器，使用时挂在使用者的耳朵上或安装在帽子上，当使用者的上身或头部前倾角度过大时，它能发出"请注意近视!快坐正!"或"请注意坐姿!"的语音提醒声。该装置除可用于办公人员和学生的坐姿纠正、防止近视外，还可作为机动车驾驶员的瞌睡提醒器使用。

电路工作原理

该坐姿提醒器由水银开关(作为前倾角度传感器)Sl、电阻器Rl、R2、电容器C、语音集成电路IC、晶体管V、耳机BE、电源开关S2和电池GB组成，如图6213所示。

平时(使用者坐姿正确时)，水银开关Sl处于断开状态，IC不工作，BE不发声。当使用者头部前倾至

定角度时，Sl接通，IC受触发工作，其输出的语音电信号经V放大后，驱动BL发出语音提醒声。

调节S1的位置，可改变触发报警的角度。

调节R2的阻值，可改变BE发声的音调。

元器件选择

Rl选用1/8W金属膜电阻器;R2先使用可变电阻器调好音调后，再接上1/8W的固定电阻器。

C选用高频瓷介电容器。

V选用S9013或S8050型硅NPN晶体管。

IC选用内储"请注意近视!快坐正!"或"请注意坐姿!"语音信息的语音集成电路，例如KD56028等型号。

SI使用φ3·5mm的玻壳水银开关;S2使用微型拨动开关。

BE使用立体声耳机内部的发声器。

GB使用纽扣电池。小结：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。2、闭环控制系统的工作过程从反馈来看，闭环控制系统就是指在系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。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。由于某种干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时，闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较，控制器根据比较得到的变差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。所以。一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制住给定值附近。【案例小结】电冰箱的温度控制电冰箱的温度控制的工作过程可能存在的干扰因素：（1）开电冰箱门（2）电冰箱所在房间的温度从20。C变到32。C；（3）把热菜或热饭放入电冰箱中；克服干扰的方法：增加检测反馈装置（感温包、膜盒和传动膜片）。【学生活动】：Ｐ９６马上行动【学生活动】：【说一说】骑自行过程中存在的干扰因素。【学生活动】：马上行动对于电冰箱的温度控制系统，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因【思考】：在下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素【阅读】【案例分析】：电视机【案例分析】:电冰箱的温度控制【小试验】坐姿提醒器报警试验。课堂小结干扰因素的概念：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起输出量（被控量）变化的各种因素称为干扰因素。控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。克服干扰的基本方法：消除干扰。找出干扰源，切断干扰。减弱干扰。加强系统性能提高抗干扰能力。比较常见的方法是在控制系统中引入反馈。在自动控制系统中，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）。在进行控制系统设计时，必须对可能存在的干扰因素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，保证控制系统的才正常工作；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。课后作业无板书设计闭环控制系统的干扰与反馈干扰因素输入量输入量（给定值）被控对象输出量（被控量）干扰因素控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。反馈在自动控制系统中，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）。闭环控制系统反馈克服外界干扰教学反思干这节课选择了学生生活当中能接触到的事例为切入点，采用分析案例——合作探究——得出结论——思维扩展等教学策略，提高学生参与程度和热情，教学重点和难点掌握得也比