4.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程教學(xué)設(shè)計(jì)-高中通用技術(shù)必修《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》

閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)科通用技術(shù)年級高二班級授課教師章節(jié)第四章第三節(jié)課題名稱閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋課型新授課授課時(shí)間課標(biāo)要求能結(jié)合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾因素、并作分析。能畫出一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖……熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。教學(xué)目標(biāo)（核心素養(yǎng)）1、知識與技能（1）知道干擾因素的概念，結(jié)合實(shí)例，分析控制系統(tǒng)的干擾因素對控制系統(tǒng)影響的過程。（2）知道常見的克服干擾因素的方法。（3）能說出一個(gè)簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)通過反饋方法抗干擾因素的過程。2、過程與方法通過典型案例的分析，了解反饋的工作原理和閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀通過對日常生活中案例的分析，感受干擾和反饋在生活中的存在和應(yīng)用，為下一步控制的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)干擾因素、反饋的工作原理。教學(xué)難點(diǎn)干擾因素的分析、閉環(huán)控制系統(tǒng)通過反饋方法抗干擾因素的過程。教學(xué)方法案例教學(xué)法講授法教學(xué)過程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)二次備課新課引入使用收音機(jī)播放一段音樂，在播放的過程中使用電磁信號對其進(jìn)行干擾。問題：大家在日常生活中遇到過這樣的情況嗎？這是怎么回事？請舉例說明在日常生活中遇到類似的情況。學(xué)生：舉例。如信號對音響的干擾、對CRT顯示器的干擾、電磁波對電視機(jī)的干擾、信號對飛機(jī)導(dǎo)航信號的干擾等?？梢姡谌粘Ｉ钪?，干擾是時(shí)常存在的。今天我們來一起學(xué)習(xí)第四章第三節(jié)《閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋》聽收音機(jī)，感受信號被電磁干擾后的變化。教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)（一）干擾因素對于收音機(jī)這個(gè)控制系統(tǒng)來說，輸入的是相應(yīng)的頻道，輸出的是對應(yīng)頻道的音頻信息，電磁信號對對其產(chǎn)生干擾，從而使其聽眾無法正常收聽節(jié)目，那電磁信號就是此控制系統(tǒng)的一個(gè)干擾因素。1、什么是干擾因素干擾因素的概念：在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起輸出量（被控量）變化的各種因素稱為干擾因素。輸入量輸入量（給定值）被控對象輸出量（被控量）干擾因素【說一說】騎自行過程中存在的干擾因素。給定溫度電冰箱給定溫度電冰箱實(shí)際溫度干擾因素開電冰箱門電冰箱所在房間的溫度從20。C變到32。C；把熱菜或熱飯放入電冰箱中；在電冰箱外放一盆冷水在以上案例中我們可以看出在控制系統(tǒng)中干擾因素可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)，有些干擾因素是由于環(huán)境造成的，有的干擾因素是人為原因所致的?！舅伎肌浚涸谙卤硭锌刂葡到y(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素控制系統(tǒng)干擾因素自動(dòng)扶梯的升降控制系統(tǒng)利用滑輪組提升重物的控制裝置蔬菜大棚的溫度控制在以上控制系統(tǒng)中所存在的干擾因素是我們希望存在的嗎？不是，在一般控制系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實(shí)現(xiàn)某種目的。例如：在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行干擾，使之不能正常工作。在考試中使用屏蔽儀對信號進(jìn)行屏蔽等。這些都是有意對控制系統(tǒng)施加干擾，使控制系統(tǒng)無法達(dá)到控制的目標(biāo)，而不是控制系統(tǒng)本身需要干擾。2、控制系統(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定?？朔蓴_的基本方法：【案例分析】：電視機(jī)消除干擾。找出干擾源，切斷干擾。減弱干擾。加強(qiáng)系統(tǒng)性能提高抗干擾能力。比較常見的方法是在控制系統(tǒng)中引入反饋。（二）反饋1、什么是反饋？在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋（feedback）?！景咐治觥?電冰箱的溫度控制系統(tǒng)控制的目的輸入量輸出量該系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制的？感溫包不斷地感測電冰箱內(nèi)的工作溫度，并將溫度信號及時(shí)反饋為傳動(dòng)膜片的伸與縮的動(dòng)作，改變活動(dòng)出點(diǎn)的位置，進(jìn)而改變壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。++給定溫度給定溫度電冰箱溫度控制系統(tǒng)實(shí)際溫度檢測裝置這個(gè)過程就是反饋。利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，稱為反饋方法。反饋方法是通過對結(jié)果的檢測來調(diào)整過程從而獲得更為理想結(jié)果的思想和方法，它已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。又如，普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)保溫電水壺具有當(dāng)水溫達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)自動(dòng)切換到保溫狀態(tài)的功能，這也是運(yùn)用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的結(jié)果。飲水機(jī)、空調(diào)對于溫度的控制亦是如此?！拘≡囼?yàn)】坐姿提醒器報(bào)警試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^視力保護(hù)提醒器報(bào)警試驗(yàn)理解反饋的原理。試驗(yàn)任務(wù)：使用視力保護(hù)提醒器，試說明其工作原理。人體的坐姿帶動(dòng)機(jī)身的彎曲，當(dāng)機(jī)身彎曲超過規(guī)定角度時(shí)，提醒器報(bào)警。學(xué)生材料：本例介紹的坐姿提醒器，使用時(shí)掛在使用者的耳朵上或安裝在帽子上，當(dāng)使用者的上身或頭部前傾角度過大時(shí)，它能發(fā)出"請注意近視!快坐正!"或"請注意坐姿!"的語音提醒聲。該裝置除可用于辦公人員和學(xué)生的坐姿糾正、防止近視外，還可作為機(jī)動(dòng)車駕駛員的瞌睡提醒器使用。本例介紹的坐姿提醒器，使用時(shí)掛在使用者的耳朵上或安裝在帽子上，當(dāng)使用者的上身或頭部前傾角度過大時(shí)，它能發(fā)出"請注意近視!快坐正!"或"請注意坐姿!"的語音提醒聲。該裝置除可用于辦公人員和學(xué)生的坐姿糾正、防止近視外，還可作為機(jī)動(dòng)車駕駛員的瞌睡提醒器使用。

電路工作原理

該坐姿提醒器由水銀開關(guān)(作為前傾角度傳感器)Sl、電阻器Rl、R2、電容器C、語音集成電路IC、晶體管V、耳機(jī)BE、電源開關(guān)S2和電池GB組成，如圖6213所示。

平時(shí)(使用者坐姿正確時(shí))，水銀開關(guān)Sl處于斷開狀態(tài)，IC不工作，BE不發(fā)聲。當(dāng)使用者頭部前傾至

定角度時(shí)，Sl接通，IC受觸發(fā)工作，其輸出的語音電信號經(jīng)V放大后，驅(qū)動(dòng)BL發(fā)出語音提醒聲。

調(diào)節(jié)S1的位置，可改變觸發(fā)報(bào)警的角度。

調(diào)節(jié)R2的阻值，可改變BE發(fā)聲的音調(diào)。

元器件選擇

Rl選用1/8W金屬膜電阻器;R2先使用可變電阻器調(diào)好音調(diào)后，再接上1/8W的固定電阻器。

C選用高頻瓷介電容器。

V選用S9013或S8050型硅NPN晶體管。

IC選用內(nèi)儲(chǔ)"請注意近視!快坐正!"或"請注意坐姿!"語音信息的語音集成電路，例如KD56028等型號。

SI使用φ3·5mm的玻殼水銀開關(guān);S2使用微型撥動(dòng)開關(guān)。

BE使用立體聲耳機(jī)內(nèi)部的發(fā)聲器。

GB使用紐扣電池。小結(jié)：將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。由于某種干擾因素的存在，系統(tǒng)的被控量偏離給定值時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)能及時(shí)檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)比較得到的變差信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使系統(tǒng)的被控量接近給定值，達(dá)到精確控制的目的。所以。一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使被控量控制住給定值附近?！景咐〗Y(jié)】電冰箱的溫度控制電冰箱的溫度控制的工作過程可能存在的干擾因素：（1）開電冰箱門（2）電冰箱所在房間的溫度從20。C變到32。C；（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中；克服干擾的方法：增加檢測反饋裝置（感溫包、膜盒和傳動(dòng)膜片）。【學(xué)生活動(dòng)】：Ｐ９６馬上行動(dòng)【學(xué)生活動(dòng)】：【說一說】騎自行過程中存在的干擾因素?！緦W(xué)生活動(dòng)】：馬上行動(dòng)對于電冰箱的溫度控制系統(tǒng)，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因【思考】：在下表所列控制系統(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素【閱讀】【案例分析】：電視機(jī)【案例分析】:電冰箱的溫度控制【小試驗(yàn)】坐姿提醒器報(bào)警試驗(yàn)。課堂小結(jié)干擾因素的概念：在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起輸出量（被控量）變化的各種因素稱為干擾因素。控制系統(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定?？朔蓴_的基本方法：消除干擾。找出干擾源，切斷干擾。減弱干擾。加強(qiáng)系統(tǒng)性能提高抗干擾能力。比較常見的方法是在控制系統(tǒng)中引入反饋。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋（feedback）。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對可能存在的干擾因素進(jìn)行全面的調(diào)查和分析，如果干擾比較經(jīng)常和嚴(yán)重，對控制目標(biāo)影響產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，就必須考慮抗干擾措施，保證控制系統(tǒng)的才正常工作；如果可能存在的干擾不是很嚴(yán)重，對系統(tǒng)正常工作影響不大，就可以忽略。因?yàn)槿魏慰垢蓴_措施的實(shí)現(xiàn)，都意味著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和成本的增加。課后作業(yè)無板書設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋干擾因素輸入量輸入量（給定值）被控對象輸出量（被控量）干擾因素控制系統(tǒng)在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。反饋在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋（feedback）。閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋克服外界干擾教學(xué)反思干這節(jié)課選擇了學(xué)生生活當(dāng)中能接觸到的事例為切入點(diǎn)，采用分析案例——合作探究——得出結(jié)論——思維擴(kuò)展等教學(xué)策略，提高學(xué)生參與程度和熱情，教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)掌握得也比