1、干扰因素教学设计模板

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对比区分。

2.教学难点：

干扰因素的判定；闭环系统的工作原理

五、教学概述：

通过冰箱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的控制系统，通过实践、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。

六、教学器材：

水箱水位控制模型1套。

七、教学过程：

引入：

视频播放无人机飞行中受到干扰的情况，无人机干扰飞机及利用无人机干扰枪捕捉无人机的的视频。

学生发现无人机飞行中有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素 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：飞行中的无人机

输入量

应保持的方向速度无人机行使的方向速度

被控量输出量（）

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。干扰因素有环境因素，也有人为因素，干扰能被克服也能被利用，如考场的手机信号屏蔽仪，军事中的电磁干扰等。

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。

案例二：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干扰枪风、雨、雷电……

就是将家用电器远离电视机放置。

二、克服干扰的基本方法

【提出问题】那我们有有什么办法来克服干扰呢？

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。

1.什么是反馈（feedback）？

案例引入p112：水箱的水位自动控制系统

首先将浮子与控制器遮盖，学生看到水箱的水位需要人工调节，

【小组讨论】请学生想办法将水箱改造成自动控制。

A组

在水箱阀门加装定时器，

B组

提出问题，水箱的水溢出来怎么办，加水时间怎么定？其他同学也积极提出问题

经过研究讨论后有同学提出加装水位检测装置，实时调节水箱水位。

控制过程如下：

[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）。

[教具演示]：水位自动控制系统

水箱放水后，水泵出水，当水位升到A 点水位时，停止加水；当水位由A点降止B点以下时，又开始加水，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。

2.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。

给定值

比较器

干扰

控制器

干扰

干扰

干扰

执行器

反馈环节

被控对象

被控量

3.闭环与开环控制系统的比较：

闭环控制：反馈控制，

偏差控制，可以抑制内、外扰动对被量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。

开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。

[提问回答]：

能否自动调整和补偿

控制精度

结构

适用场合

开环控制系统

否

低

简单

精度要求低、稳定

闭环控制系统

是

高

复杂

精度要求高、高可靠性

三、小结

一）什么是干扰因素

二）反馈

三）闭环控制系统

八、教学反思

本节课涉及控制论的相关内容，学生理解起来有一定难度，因此，在课堂听讲之余，安排学生利用课余时间主动进一步了解控制论，学会自己去了解新事物。