浙江省衢州市仲尼中学高二通用技术《4.3控闭环控制系统的干扰与反馈》第一课时教案

用心爱心专心1浙江省衢州市仲尼中学高二通用技术《4.3控闭环控制系统的干扰与反馈》第一课时教案【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。【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。【教学重点和难点】用心爱心专心21.能结合案例分析找出影响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。【教学流程】（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。今天我们就一起来研究下干扰与反馈。【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1.知识讲解案例分析一：逆风中骑自行车。用心爱心专心3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：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统扶梯承载的重力、电机输出电压的波动、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：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，保证控脚踩的力自行车行使的速度风给给定定量量被被控控量量逆风、顺风、上坡路……用心爱心专心4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：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置(期望值)眼睛飞镖实际投掷的位置能扑灭蜡烛的机器人打开机器人的开关光敏、力敏传感器找到蜡烛、并将其扑灭电冰箱温控器设定温度温度传感器制冷后冰箱内温度4.案例分析：通过反馈来分析拿桌上杯子的过程.反馈的工作过程：当人打算要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与杯子之间的距离，然后确定自己手的移动方向，手始向水杯移动。同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，用心爱心专心5以消除这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出，由（负）反馈形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话，整个动作也就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。（四）课堂总结通过今天的课堂让我们了解到干扰因素是在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素。反馈是指控制系统中，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。除此分析了干扰因素的利与弊，并分析了反馈环节的作用。【板书设计】一、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）因素二、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）。[分层练习]A类：声控灯控制系统中，传感器接收声音信号，经控制电路处理后驱动开关接通或关闭灯泡。该系统的控制对象是灯泡，控制量是（D）A．灯泡的发光B．声音的大小C．电源电压的高和低D．开关的通和断B类：自动烘手机的控制系统工作过程如下：红外传感器检测到手靠近时，鼓风机和加热电炉丝开始工作，当人感觉到手干了，并离开时，红外传感器测不到手信号，则鼓风机和加热电炉丝停止工作。该控制属于（B）A．手动控制，开环控制B．自动控制，开环控制C．手动控制，闭环控制D．自动控制，闭环控制C类：红外线水龙头控制原理是：当红外线感应器感应到人的红外线后，信号传输给电磁阀，打开水龙头，然后延时一定时间再关闭。这里水龙头的出水量是属于控制系统的（D）A．控制器B．执行器C．被控对象D．被控量