2、反馈优质课教案推荐

深喀第一高级中学·通用技术

教研组

4.3闭环控制系统的干扰与反馈

第三章 控制与设计

课题

第三节 闭环控制系统的干扰与反馈

授课

时间

实际授课时间

2017年 月 日

课时

2课时

课型

新课

年 月 日 1.

理解闭环控制系统的工作过程中干扰和反馈

2.能分析出闭环控制系统的干扰及掌握闭环控制和开环控制的优缺点及本知识与技能

质区别

教学目标

过程与方法

情感态度价值观

教学重点

教学难点

教学方法

学习方法

教 具

民族团结

教育内容

通过讨论，案列分析，使学生懂得用所学的知识解决有关问题

培养学生的学习对控制科学的兴趣，感受学习的快乐

闭环控制系统的反馈干扰含义

闭环控制系统开环控制系统优缺点

直观教学法、讲述法、自学讨论法

归纳学习法、思考学习法、合作学习法

多媒体课件、教材书、图片

三个离不开教育民族团结教育

教学过程

共案

二次备课(手写）

前提测试: 1.

什么是控制？

2.

控制手段有哪些？

教学内容：

（一）

导入新课

在日常生活中，干扰是时常存在的。例如，人在逆风中骑自行车，逆风对自行车的速度构成干扰，要保持车速不变，人就需要用力蹬车，以克服这一干扰；在飞机飞行过程中，手机信号对导航信号构成干扰，直接影响飞行安全，所以乘客必须关闭手机。

教授新课

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4.3闭环控制系统的干扰与反馈

第

一课时

1、干扰因素

风↓

应保持的速度→

自行车→

行车速度 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。有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。

在控制系统中，干扰因素可能有一个，也可能有若干个。如战士在大风大雨中进行射击练习，风和雨都是子弹命中准确度的干扰因素。

控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。

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；

（2）电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃；

（3）把热菜或热饭放入电冰箱中；

（4）在电冰箱外放一盆冷水。

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

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

干扰因素

案例分析

电视机

电视机有时在正常工作时，突然出现图像闪烁厉害或画面紊乱等情况，这是由于它受到外界磁场干扰所致的现象。

如果在电视机周围放置一台电冰箱，当电冰箱启动工作时，会形成一定范围的磁场，将对电视机的图像造成干扰，使其画面紊乱。又如，空调器在工作时也会向周围空间发射大量的电磁波，如果电视机与空调节器器的距离很近，电磁波将对电视机的图像造成干扰。此外，电风扇、日光灯等电器也会对电视机产生不同程度的磁场干扰，从而导致电视机的图像出现抖动、波纹等现象。

电视机最忌磁场干扰，这些近距离的家用电器所形成的磁场，就是电视机正常工作的干扰因素。克服这些干扰因素的办法是将家用电器远离电视机放置。

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。如在军事演习中，红方利用一定频率的电磁波对蓝

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方的信息指挥系统进行干扰，使之不能正常工作。但在生产生活中，我们需要以慎重、严谨的态度对待干扰因素的利用。

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？

如何看待控制系统中的干扰因素，请进行以下辩论。

正方：干扰因素都是需要克服的。

反方：干扰因素有时也可以被利用。

2、开环控制系统

在游泳池注水控制系统中，如果进水管单位时间的水流量一定，那么游泳池水位的高度与进水的时间是一一对应的。我们就可以通过设定注水时间，使游泳池的水位达到希望的高度。将注水的时间值（假设为2小时）设定到定时器中，开启进水阀注水，一旦时间到达，定时器就会通知进水阀门关闭，停止向游泳池注水。这一控制系统的工作过程可用下图描述。此时，游泳池的水位只受设定的注水的时间控制，这里，作为输入的设定的注水时间可以计算，称为输入量；作为输出的游泳池的水位可以用水面高度这样的量来计算，称为输出量。

水流量

设定注水的时间—→定时器—→进水阀门—→游泳池—→游泳池的水位

（输入）

（输出）

控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。

开环控制系统在日常生活中的用途很广，如十字路口的经绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。

案例分析

自动门的控制系统

为了方便人们的出入，一些医院手术室、现代化的宾馆和银行都安装了自动门。当有人走近大门时，大门就会自动打开。

这是什么道理呢？原来，当人走近自动门时，门上方的红外装置检测到人体热辐射发出的红外信息，控制电路接收到该信号后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动门自动开启（或者控制气动装置，使门向两边打开）。当门开启之后，控制电路将作出判断，如果没有人在门四周，就通知电机做反向运转，使门关闭。

可见，自动门的开启或关闭只与红外装置是否检测到人体发出的信号相对应。如果把红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号看做输入量，门的开启或关闭看做输出量，那么自动门的工作原理可以用下面的方框图来描述：

（输入）红外装置是否检测到人体热辐射发出的信号→控制电路→电机→自动门→门的开启或关闭（输出）

马上行动

列举你所知道的开环控制系统。

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在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线来表示系统信号传递的方向，这种图称为控制系统的方框图，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。

对于开环控制系统，通常可以用下面的方框图来描述：

控制量

输入量——→控制器——→执行器——→被控对象——→输出量

上图中，输入量即控制系统的给定量，如游泳池进水的设定时间；输出量（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如游泳池的水位；被控对象即控制系统中所要求控制的装置或生产过程，如游泳池；执行器即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如进水阀门；控制器即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；控制量即执行器的输出信号，如流过阀门的水量。

案例分析

水泵抽水控制系统

以前，农民种植庄稼，给干旱的农田灌水是一件困难的事，有些地方只能“靠天吃饭”。现在，人们用泵抽水解决了这个问题，当需要灌溉农田时，只要接通电源，电机就带动水泵工作，将水从水源处抽到干旱的农田中。

水泵抽水控制系统的工作过程如下图所示：

水流量

（输入）接通电源

→

电机

→

水泵 → 水管

→

水管排出水（输出）

这是一个开环控制系统，在这个控制系统中，水泵是否排出水受电源开或关的控制，而且信号的传递是单向的。

2、反馈

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并与输入量进行比较的过程，就是反馈。

案例分析

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，但由于用力过小，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，可以将人看做控制系统，眼睛（检测装置）把接收到的篮圈位置以及篮球实际投掷的位置等信息输送给大脑（控制器），经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球（输出），直到投篮命中。

第二课时

3、闭环控制系统工作过程

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与输入端之间存在反馈回

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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偏差信号进行调节，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，使被控量控制在给定值附近。水位的自动调节过程：

当水箱的出水流量增大时，水位下降，液位传感器测出水位后与给定值比较，其偏差值进入控制器，通过控制器的输出信号调节阀门，将阀门开大，使水位回升到给定值；反之，当出水流量减小时，通过控制器调节阀门，将阀门关小，使水位回到给定值的位置。

在这一控制系统中，影响水位控制的干扰因素主要是水箱的出水量（即用户使用的水量）、水箱水面蒸发的水量等。水箱的进水量是通过阀门进行控制的，它是该系统的控制量。

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？

闭环控制系统与开环控制系统的比较

开环控制系统本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿。也就是说，由于某种干扰信号的作用使输出信号出现非正常状态时，系统本身没有自动纠正的能力，要进行纠正，必须借助于人工。所以，开环控制系统的控制精确度（或称控制精度）相对比较低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰相对较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。开环控制系统一般结构简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。

闭环控制系统的优点是控制精度高，不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量，闭环控制系统都会产生控制作用来减小这一偏差。与开环控制系统相比，闭环控制系统的设计比较麻烦，结构也相对复杂，构成控制系统的成三较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一种控制方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。

马上行动

就开环控制系统与闭环控制系统的联系与区别，设计一个图表。

3、功能模拟方法

左图是加热炉温度的手动控制系统示

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意图。

比较加热炉温度自动控制系统与手动控制系统，我们发现，控制器代替人脑实现了控制温度的功能，执行器代替人手实现了调压的功能，检测装置代替人眼实现了检测温度值的功能。

这种以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原形”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。

历史上曾经有过能模拟人的动作行为的各种模型，却没有解决从结构上模拟人的大脑进行思考的问题，因为人的大脑太复杂了。在没有彻底弄清人脑内部结构和机理的情况下，必须另辟一条新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而是只要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是说，仅仅根据模型与人脑在功能行为上的相似，实现对人脑的模拟。例如，在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋。

4、黑箱方法

在生活中，有时我们需要认识的对象的内部无法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能。例如，中医看病通过“望、闻、问、切”来了解病人的病况，最后对病情作出判断；夏天买西瓜，可以通过“看瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性”来判断西瓜的生熟。这些事例都没有打开事物直接观看内部结构，而是通过观察外部或试验等方法来认识事物的。

这种把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。

例如，通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。

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