2、反馈教学设计案例

第三节

闭环控制系统的干扰与反馈

一、教学目标

通过教学，能使学生达到以下目标：

知识与技能

1. 通过乒乓球模拟投篮等实践活动，找出影响控制系统运行的主要干扰因素，理解干扰的含义。

2.

通过乒乓球模拟投篮的实践活动和填眼睛的小游戏，理解反馈的原理，熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。

过程与方法

1.通过乒乓球模拟投篮等实践活动，找出影响控制系统运行的主要干扰因素，理解干扰的含义。

2.通过学生在黑板上画眼睛的小活动，引导学生对开环系统和闭环系统的区别与理解。

情感、态度、价值观

通过乒乓球模拟投篮等实践活动，培养良好的合作和交流的态度，养成严谨、进取等良好品质。

二、教学重难点

教学重点：

1. 能找出影响控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。

2. 熟悉反馈环节的作用。

教学难点：

熟悉闭环控制系统的工作过程。

三、教学分析

教学思路：

引导学生回顾生活中在有风的天气骑自行车的事例，自行车的速度受的风的阻力的影响，导入新课。

第一部分：通过“投篮”的实践活动，使学生体会控制过程中干扰因素的存

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在，理解干扰的含义；

第二部分：通过“投篮”的实践活动，引入反馈的概念；通过供水水箱的水位自动控制系统的案例分析，使学生熟悉闭环控制系统的工作过程；通过闭环控制系统与开环控制系统的比较，使学生对两种控制系统的特点和应用场合有进一步的了解。

四、教学案例

（一）新课导入（引入课题）

引导学生回顾生活中在有风的天气骑自行车的事例，自行车的速度受的风的阻力的影响，导入新课。

（二）新课教学

第一部分：干扰因素

活动项目1：“投篮”

活动目标：体会控制过程中干扰因素的存在，理解干扰的含义。

活动步骤：

第一步：在500ml的烧杯中放入少许水（防止乒乓球弹出）。

第二步：三位学生在一定距离向烧杯内投掷乒乓球，每人投掷5次，记录每人每次“投篮”的情况。

记录分析：

1. 三位学生“投篮”准确度的比较。

2. 每一同学5次“投篮”准确度的比较。

活动总结：

1. 学生“投篮”时受到视力、心理和风向等各种因素的影响。

2. 学生根据每次“投篮”的经验，不断调整手的位置，可能使“投篮”一次比一次准确。

3. 干扰是存在的，但人们可以一定程度上克服干扰。

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结论：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，有的干扰因素是人为原因所致。控制系统在工作过程中必须克服干扰，才能使被控量稳定。

第二部分：反馈

1. 什么是反馈？

以乒乓球“投篮”实践活动为例，讲解为什么“投篮”越投越准，以此引入反馈的概念。

在乒乓球“投篮”活动中，可以将人看做控制系统，眼睛（检测装置）把接收到的烧杯位置以及乒乓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，指挥手投掷乒乓球（输出），直到“投篮”命中。

投篮的工作过程可用下图描述：

烧杯的位置+控制器（大脑）执行器（手）控制量被控对象（篮球）乒乓球实际投掷的位置-检测装置（眼睛）

结论：

图4.3-1 投篮控制过程方框图

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。

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。

反馈有两种不同类型的反馈：正反馈和负反馈。

正反馈的特点：通过反馈环节的作用，使小的变化放大。

负反馈的特点：通过反馈环节的作用，使偏差越来越小。

在乒乓球实践活动中，眼睛作为一个检测装置，观测乒乓球的实际位置，通过人的大脑来调整手的位置，逐渐减小误差，最终将乒乓球准确投入烧杯中。在此过程中眼睛作为一个测量距离的装置，通过大脑起到了负反馈的作用。

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活动项目2 游戏:填眼睛

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.

（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。

案例.：闭环控制系统的工作过程

【师】带领学生复习上一节课所学知识——闭环控制系统的基本组成及其方框图。

请学生阅读教材P112“供水水箱的水位自动控制系统”的案例分析，使学生熟悉闭环控制系统的工作过程。

思考：在水箱水位控制系统中，控制量还可以有其它选择吗？为什么？

案例：亮度可调灯

在可调光台灯的使用中，当用手调节旋钮时，灯的亮暗变化情况就会马上反映出来。阐述其工作原理，并画出这一控制系统的方框图。

期望亮度

大脑

手

旋钮

灯泡

实际亮度

眼睛

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2. 闭环控制系统与开环控制系统的比较

开环控制系统：不能对被控量的偏差进行调整和补偿，控制精度相对较低；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：控制精度高，能自动产生控制作用减小控制量的偏差；结构相对复杂，成本较高；在自动控制中广泛采用，用于要求高精度和高可靠性的场合。

思考：开环控制系统中有反馈存在吗？电动门控制系统中有反馈存在吗？

（三）课堂小结

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因素。

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。反馈有两种不同类型的反馈：正反馈和负反馈。

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端和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。闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。

闭环控制系统与开环控制系统的比较：

开环控制系统：不能对被控量的偏差进行调整和补偿，控制精度相对较低；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：控制精度高，能自动产生控制作用减小控制量的偏差；结构相对复杂，成本较高；在自动控制中广泛采用，用于要求高精度和高可靠性的场合。

（四）布置作业

1. 某花农正在筹建一个小型花房，花房的温度冬季一般控制在18℃左右，夏季一般控制在25℃左右。请画出花房的温度控制系统的方框图，简要说明它的工作过程。

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