資源簡介

(共47張PPT)
《技術與設計2》
第四單元 控制與設計
三 閉環控制系統的干擾與反饋
（第一課時）
江蘇省 徐徐
一、教學目標分析
［知識與技能］
理解干擾因素的含義，能找到影響簡單控制系統運行的主要干擾因素。
熟悉閉環控制系統工作過程及反饋環節的作用理解反饋的含義。
［過程與方法］
結合冰箱溫控器的案例來分析影響簡單控制系統運行的主要干擾因素及克服方法。
結合案例分析閉環控制系統的反饋環節作用。
［情感態度與價值觀］
通過合作討論探究試驗增強學生團隊合作意識，明白反饋在創新中的作用。
通過教師在生活中應用反饋原理的實例來培養學生的觀察意識觸發學生創新意識，把節能環保意識融入課堂教學中。
二、教學內容分析
［本課內容本身分析］
本節教材主要包含三部分內容：干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱法。本課完成前兩個。
［本節內容在本單元、本模塊、本課程中地位及相互關系］
閉環控制系統的干擾與反饋內容在《控制和設計》中起到舉足輕重的作用，是這個單元的重難點，也是必修2的重點章節。本節不但要用到本單元前兩節的知識，還融合了前面單元流程與設計以及系統與設計的內容。因此，本節是必修2的綜合應用，可謂重中之重。
［重點］干擾因素；反饋及閉環系統的工作原理。
［難點］主要干擾因素的判定；閉環系統工作原理。
［本課教材分析］
教材分為兩部分：分別講干擾因素、反饋。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
三、學情分析
學生此前已經學習了開環閉環控制系統的控制過程，只是對反饋這個概念還不大熟悉，往往面對具體案例時不能準確找到控制器、執行器、被控量等。本課通過對書中案例的詳細分析、延伸，使學生比較容易掌握閉環控制的工作過程。加入一些貼近生活的案例，可以激發學生的學生情趣。
四、教學策略
［教學方法］從身邊的控制案例引入新課，這個案例不易察覺，但是通過老師的親自操作演示，展現了控制技術的魅力，很容易激發學習興趣。
教學過程采用圖解講授、實物操作分析法、閱讀討論法、師生互動、學生互動、學生動手操作等教學形式，引導學生動手動腦、自主探究、合作交流，開闊思路，力爭使教學環節行云流水、教學效果卓有成效。
教學中不必急于厘清書上的概念，死磕反饋名詞，而是通過身邊案例師生互動尋找閉環控制的特征，注重工作原理的分析探究，感性知識多了，對原理的理解和熟悉便水到渠成，重點自然掌握，難點順利破解。教學中牢記提高學生技術素養是課程 的基本目標，努力探求符合學生認知規律，有別于傳統學科的教學方法。
［教學手段的選擇］充分利用多媒體教學系統為課堂服務。影像資料、圖片、課件、師生試驗操作都利用投影機，增強可視性。
教學過程
（視學生層次拓展部分應有刪減）
引入新課
閉環控制系統的應用實例
主動式泊車輔助系統
啟用后只需注意踩剎車就可以了
錄像使用手機拍攝，技術的價值在于使用簡單的設備完成日常工作
主動式泊車工作原理
實際是個閉環控制系統
利用車輛（被控對象）前后的10個超聲波傳感器來檢測可供停車位置（給定目標）；
主動泊車啟動后，傳感器把周邊路況（實際目標）實時回送給處理器（比較器），再由電子助力轉向系統（執行器）來不斷修正車輛直到準確入位。
為什么加入泊車錄像？
通過教師泊車演示錄像的播放可以吸引學生注意，迅速進入場景，激發學習興趣。這個案例又是生活中能見到的，這個控制對象和控制過程很貼近學生，看到控制的魅力會使學生對控制與設計產生濃厚的興趣。
學生會想：
它是怎樣實現自動泊車的？
技術上容易做到嗎？
怎么比人停的還要好呢？
……
可作為“3 功能模擬方法”的案例繼續用。
干擾因素
學生快速閱讀書中章節，知道控制系統要穩定工作，需要克服干擾，使被控量穩定。重點是讓學生找準干擾因素，才能確定應對方案來使系統穩定工作。
干擾因素這小節內容以閱讀自學、討論交流為主，教師對學生的發言要及時點評，糾正錯誤。
P109 馬上行動和辯論
注意學生提及生活及社會這個系統的干擾因素時，要往正確方向引導。
例如：
課堂的干擾因素學生講話、做別的事等，顯然影響教學。及時調整教學方式方法，完成教學任務。
社會發展，沒了批評，無干擾——萬馬齊喑究可哀。
反饋：電冰箱溫控原理
P110案例分析是本節的重難點，以此作為突破口，可以起到事半功倍的效果。可選用以下三種方法來教學：
1.通過實物圖會比較迅速搞懂溫控器的控制過程，書中的工作原理圖學生不易迅速看懂，在此處糾結會影響學生對反饋的重要性的理解和認識。
2.有條件還可以把實驗室的冰箱搬到課堂，通過視頻展臺投影講述以下內容也比較直觀。
3.做簡單教具講述溫控器工作原理。把書中的壓感式溫控器的兩個觸點串接在一個直流電機（帶動風扇更好）上，用電吹風給感溫管加熱看電路接通電機轉動，會更直觀快捷的演示干擾因素對閉環控制系統的影響過程。降溫可用冷毛巾敷感溫管斷開電路。
在同一個案例上拓展
繼續探究，加深學生對反饋的理解，同時可與P111的小試驗有異曲同工之妙。
補充資料：
創新無限，新技術不斷涌現。隨著電子產品的制造成本下降，現在冰箱大多用的是熱敏電阻式溫控器了。這使得電冰箱的溫度檢測、反饋更準確靈敏。
可以樹立榜樣通過喬布斯的產品設計來引導學生在對系統進行控制設計時注重創新。
史蒂夫-喬布斯勵志名言
你不能只問顧客要什么，然后想法子給他們做什么。等你做出來，他們已經另有新歡了。
喬布斯保持一顆初學者之心
所有人對電腦裝有風扇習以為常時，喬布斯認為噪聲會破壞電腦本身的典雅，蘋果電腦散熱不應該使用風扇。最終成功的促成供電系統革命。
使用熱敏電阻式溫控器作為檢測反饋元件使電冰箱溫度控制更精準
M 壓縮機
M1
FS過載保護器
SA
溫控器
SB
EL
PTC
啟動器
S
C
XP
使用電子式溫控器作為
檢測反饋元件的電冰箱線路圖
使用電子式溫控器的電冰箱
冷藏箱里看不到感溫管了
繼續“ 吃透”書中案例
P110自動保溫電水壺
就在教室里，引導學生注意這些身邊的技術。
飲水機水溫在80-90 °C
干擾和節能環保
在電冰箱、飲水機、電熱水器等加熱電器中，自動控溫都是用的閉環控制。它們的干擾因素主要是外界的溫度影響使被控量發生偏差從而使電器的被控對象開始工作。
怎樣使這個干擾因素對被控量的影響減小，從而使這些電器的用電量減少提高能效呢？
課堂討論找方法，提高學生的節能環保意識。使他們能在以后的設計中考慮節能，生活里尋找節能的小竅門。
產品的各個方面都要考慮到，也就是一個大的系統要做好。家電產品閉環控制系統控制的很精準，如果節能做的不好，市場前景暗淡。
閉環控制系統的工作過程
演示：水箱水位自動控制系統。
演示時用視頻展臺投影到大屏幕，讓學生都能看到控制過程，有直觀的感性認識。
為提高學生的參與積極性，可以讓學生先來組裝模型并演示，這樣可以使分組試驗、觀察更容易。
分析控制過程，找出水位高低（被控量）的調整方法。學生學會調試運行，才能對一個閉環控制系統提出改進方案。
閉環控制系統的工作過程
通過前面的學習，學生對供水水箱和加熱爐的自動水位或溫度控制過程不難理解。讓學生閱讀并討論完成P112和P113的兩個思考題。
注意供水系統的控制量是水箱的進水量，具體由閥門來控制的。看看這個系統里還有什么量是可控的，分組討論P112的思考。
閉環控制系統和開環控制系統的比較
學生自行完成P114的馬上行動的圖表。
視完成情況可以給出樣表，學生填寫內容。
提醒學生注意兩個系統的設計、結構、成本都有較大差別，在選用何種控制時要多方考慮，保證精度的前提下，盡量選用簡單可靠的系統設計。有時過于復雜的系統可靠性會隨之降低。
本節的“ 四 控制系統的設計與實施”還有詳盡描述，本課不再深入。
開環控制系統與閉環控制系統聯系與區別
控制系統 反饋 控制精度 結構 成本 應用范圍
閉環
開環
有反饋
無反饋
精度高
精度較低
結構復雜
結構簡單
成本高
成本低
高精度、高可靠、系統本身不穩定的應用領域
控制精度要求不高本身很穩定的應用
反思
本課內容較多，可根據學生比較費時的試驗情況來掌握進度，不必刻意阻斷學生的探究試驗來完成進度。例如水箱水位自動控制系統的試驗，要多次試驗，詳細分析控制過程，才能找出水位高低（被控量）的調整方法。學生學會調試運行，才能對一個閉環控制系統提出改進方案。所以要把時間留給學生，不必趕進度。
反思
拓寬思路，養成節能習慣
加入飲水機的電路圖，身邊的案例更能提高學習探究積極性。增加節能改進案例，提醒設計及生活中要考慮節能環保。
殊途同歸要追求簡單
飲水機閉環控制目的是克服干擾保溫，但對被控量進行調整補償時會消耗大量電能。搞好保溫層雖然不能使水溫回到高溫，但可以使降溫過程很慢，例如2小時降到80度，而保溫層不好的飲水機已經加熱了4、5次了。
反思
要讓教材的案例“鮮活”的展現給學生
“鮮”：
擴展加入電子式溫控器是讓這個案例“鮮”下去。讓學生明白時代在發展，技術在進步，創新是永遠的主題。
“活”：
通過對電冰箱溫控器的實物照片展示，引導學生觀察身邊觸手可及的產品，讓紙上平面的案例“活”起來。
本課設計特別感謝
江蘇省教育廳出資舉辦的
2011年省級培訓
東南大學張志勝教授
關于“控制與設計”講座
謝謝各位專家
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