闭环控制系统的反馈与干扰

技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-1-第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈一、教学内容分析：本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节。为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。本节内容在《控制和设计》中起到举足轻重的作用，不仅可以使学生对闭环控制系统中的反馈（feedback）有很深的认识，而且也为闭环控制系统的设计与实施打好基础。本节教材主要包含三部分内容：干扰因素、反馈、功能模拟法、黑箱法。本节是本单元的重点，也是一个难点，分析干扰因素及反馈给控制系统带来的影响，综合了本单元前两节的知识。从模块角度看，该节融合了该模块第二单元流程与设计，以及第三单元系统与设计的内容，控制过程本身的工作过程就是一个流程，闭环控制系统大致包括控制环节、执行环节、反馈环节和比较环；反馈也体现了系统的环境适应性，因此，本节是本模块的综合应用。本单元是本课程知识的综合应用，综合了必修1、必修2的知识，讲了闭环自适应控制，体现了技术以人为本的理念。二、教学对象分析：学生对控制机理比较陌生，整个教学都应以案例分析为主，所举案例应力求简单。三、目标：1.知识与技能：（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）熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。（3）熟悉闭环控制系统的工作过程。（4）了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用。2.过程与方法：用方框图分析生活中常见控制系统，通过实践、游戏、讨论、分析、讲授法、问题教学法、小组讨论法、设计教学法等方法使学生懂得反馈在闭环控制系统中的作用，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用；结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素及克服方法。3.情感态度价值观：通过学习，联系生活，能具体问题，具体分析，能在生活中应用反馈原理，调节自身的心理、学习与生活。培养学生的观察能力，体验学习乐趣。渗透安全教育、德育教育、环保等教育。四、教学重难点：1.教学重点：干扰因素；反馈与闭环系统的工作原理；开环控制系统与闭环控制系统的选用。2.教学难点：干扰因素的判定；闭环系统的工作原理；功能模拟方法、黑箱方法。五、教学概述：通过人们熟悉的例子来说明在控制系统中除输入量以外能引起被控量变化的各种因素都是控制系统的干扰。用方框图分析生活中常见控制系统，通过实践、游戏、讨论、分析等方法使学生懂得反馈在闭环控制系统中的作用。3课时。六、教学器材：技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-2-水塔水位控制模型1套、一次性杯子、乒乓球、烘箱等。七、教学过程：引入：做一个简单的调查：每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风?（活跃课堂气氛，激发学生的求知欲。）大部分同学应该是有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素，同时乘车也有干扰，而且不论是骑自行车还是乘车干扰因素不止一个，有主要的，有次要的。这节课我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。第三节闭环控制系统的干扰与反馈新课教学：一）什么是干扰因素：1.干扰因素的概念：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。案例一：逆风中骑自行车。案例二：飞机飞行。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。扩展讨论：生活中还有哪些例子说明“闭环控制系统的干扰是存在的，是不可避免的”？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？（1）开电冰箱门。外面热气进入冰箱将会引起箱内温度变化，属于干扰因素。（2）电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃属于干扰因素。（3）把热菜或热饭放入电冰箱中。属于干扰因素。（4）在冰箱外放一盆冷水。严格说这也会引起环境温度的变化，但这种变化一般有利于冰箱实现目标，不属于干扰因素。扩展讨论：通过分析，增加对电冰箱的了解，进而了解生活。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……技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-3-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。案例分析：电视机的工作。从学生看电视的经历来分析，引导，让学生从电视内容中走出来，关注电视的相关技术与控制。•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。2.克服干扰的基本方法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3.干扰因素的特点：（1）干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中。声控灯开环控制，除输入的声音外，其他声音就是其干扰因素；空调房的温度控制属于闭环控制，室外环境温度的变化就是它的干扰因素。（2）通常，干扰因素都是作用在控制对象上，其作用是破坏控制系统的平衡——使被控量偏离平衡值。（3）通常，干扰因素不止一个。如自行车速度控制的干扰因素除逆风外，还可能有路面状况（斜坡、粗糙度）。（4）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。（5）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。马上行动：生活中哪些干扰因素是可以利用的？如何进行利用？答：火盆。冬天冷了，可以在室内放火盆，这样可以使室内温度升高。二）反馈1.什么是反馈（feedback）？案例引入p110：投篮的工作过程许宁在体育课上练习立定投篮时，发生了这样的情况：第一次投掷，由于用力太大，篮球碰到了篮板上弹了回来，没有命中。第二次投掷，他吸取了第一次的经验，减小了用力，但用力过小，篮球没有碰到篮圈。第三次投掷，他吸取了前两次投掷的经验，终于投中了。在这里，可以将人看作控制系统，眼睛把接收到的篮圈位置以及实际投掷位置等信息输送给大脑，经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球，直到投篮命中。（１）请判断以上过程是开环，还是闭环控制？（２）画出系统的方框图。（３）如果有风，请判断风可能对投篮产生的影响，许宁可以怎样克服这些影响？学生活动：（1）回顾系统控制的工作方式，根据题意进行判断。答案：闭环。技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-4-（2）画出系统的方框图。（3）考虑可能的风向，及其影响。顺向风：许宁应减小投掷力量。逆向风：应增大投掷力量。侧向风：改变投掷角度。在上例中：如果没有眼睛的观察和检测，投篮的反馈就无法形成。[引出结论]：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）。生活中的反馈：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。[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。[分析原因]：将两次画的过程来分析。画出其控制框图，得出它们的控制类别。1.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。2.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。[阅读]p110：汽车速度控制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。2.反馈方法马上行动：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。事例输入检测装置输出篮球实际投掷的位置篮圈的位置大脑(控制器）手(执行器）篮球(被控对象）+-眼睛（检测装置）技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-5-[演示]：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，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。[教具演示]：水位自动控制系统接通电源后，电机工作，水泵出水，当水位升到A点水位传感器位置时，电机停止工作；当水位由A点降止B点以下时，电机又开始工作，这样往复，达到了自动控制储水器中的水位。[学生讨论]：请同学们相互讨论一下这个水位自动控制系统的工作过程，试用系统框图来描述。（引导学生归纳出水塔水位控制系统框图，着重推导信息反馈与比较环节的框图表达。）[教师总结]：简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用。“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技术与设计2第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈长安一中蒋建波E-mail:[e-mail]029-85999105-6-3.闭环控制系统的工作过程闭环控制系统就是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。闭环控制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统达到稳定。[核心]：通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。[案例分析]：阅读书上案例p112供水水箱的水位自动控制系统P112思考：在水箱的水位控制系统中，控制量还可以有其他选择吗？为什么？答：不能，因为我们主要为了实现水位的自动控制，那么控制量只能是水量。[思考设计]：家用抽水马桶是一个典型的闭环控制系统的水位控制。（链接下节课用水位检测，控制电路，电磁阀来改进为自动控制，设计闭环控制系统方框图，并用头脑风暴法获更多节水控制创造性设想。）闭环控制系统的特点:1)系统输出量对控制作用有直接影响。2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。[图片展示]：烘箱（饮水机）P113思考：在加热锅炉的温度控制