闭环控制系统的干扰与反馈教案

凤凰高中通用技术教学参考书配套教学软件_教学设计

闭环控制系统的干扰与反馈

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

作 者：叶朝晖（海南省海南中学）

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，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。

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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 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： 缺陷1：会出现有时水用而（1）自动抽水实物模型1(定时器控制)的控制效果：设完需抽水时没有抽水，定间隔时间和抽水持续时→启动→过一段时间后开始抽水→有时还不需抽水时却提抽水持续一段时间后停止抽水 前抽水了。 （2）自动抽水实物模型2（闭环控制）的控制效果：水原因：每天的用水量有多塔放水→当水塔水位降低到一定水位，开始抽水→当塔水位上有少导致不知多长时间升到一定水位，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 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 后该抽水。 学生活动 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： 一 情景导入 凤凰高中通用技术教学参考书配套教学软件_教学设计 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 二 干扰因素 （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？ 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明确反馈的概念 并与输入量进行比较的过程，就是反馈(feedback) 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、手又相当统控制框图。 三 反馈 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“穿针”时有没有信息的反馈过程？ 思考，归纳： 眼睛是检测装置，大器，被控对象是篮球 于什么？人在投篮时有没有信息的反馈过程？请分析得出系脑是控制器，手是执行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 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 闭环控制系统四 的基本组成和工作过程 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归纳出系统的组成： 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 （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，被控量是水塔的水位） 被控对象：水塔 被控量：水塔的水位 执行器：水泵 控制器：控制电路 检测器：水位检测装置 凤凰高中通用技术教学参考书配套教学软件_教学设计 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） 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 d. 控制电路怎么知道什么时侯该开始抽水，什么时侯停 （1）再次演示自动抽水控制装置自动抽水过程：将水位传感画出控制系统框图： 器定在第一条水位线，通电，水泵往水塔里抽水，水位到达传（略） 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。 论一下，试用系统框图来描述。 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？ 分析、归纳 分析思考后得出： 用散热量作为控制量 引导学生对闭环控制系统与开环控系统进行比较 （2）提问：这个水塔的工作过程是怎样的，请同学们相互讨 3. 案例分析：加热炉的温度控制系统 闭环控制系统五 与开环控制系统的比较 比较，归纳