4.3 闭环控制系统的工作过程（教学设计）通用技术苏教版2019必修2

课题 4.3 闭环控制系统的工作过程 课时 1课时 教材版本 苏教版通用技术必修技术与设计2 年级 高二 教学目标 技术意识： 通过案例分析，理解传感器在闭环控制系统中的作用，在闭环控制设计中能恰当选择传感器。 创新设计： 结合闭环系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。 图样表达： 通过实践体验，分析闭环控制系统的基本组成和工作过程，学会画闭环控制系统的方框图。 教学重难点 重点： 闭环系统的基本组成和工作过程。 难点： 反馈和干扰因素。 学情分析 经过前面的学习，学生已能恰当处理技术活动中的人技关系，初步形成规范、安全的技术习惯，形成初步的工程意识与思维，能确定一个生活或生产中的简单对象，分析影响系统的因素。 本节课的主要内容为两个部分。一是通过技术体验活动1知道闭环系统的基本组成，掌握闭环控制系统的工作方式，能够分析传感器在闭环控制系统中的作用，能够用方框图描述闭环控制系统的工作过程和原理。二是通过技术体验活动2理解反馈、干扰因素、黑箱方法的概念，明白它们在闭环控制系统中的作用。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：教学课件。技术体验1材料（控制器、湿度传感器、电磁阀、集水箱、花洒、阀门、支架、钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀等）。技术体验2材料（雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、水管、电极式水位传感器、控制电路模块、钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀、多用电表等）。 教学环节 教学过程 一、课堂导入 创设情境 说明本课时教学目标。 展示“走进情境”内容——陈晨家阳台上种植了两种植物，虎皮兰和绿萝。虎皮兰喜热、耐干旱，绿萝则喜阴湿、忌干燥。 提出问题：这两种植物不能采用同一定时浇水方式，应该如何改进自动浇灌装置呢？ 二、新知探究 任务一 解析闭环控制系统工作过程 教师：首先我们一起来完成“技术体验——搭建土壤湿度控制系统”，看看它的控制系统是怎样构成的。 展示课本126页“技术体验——搭建土壤湿度控制系统”内容。 学生根据材料体验制作并试验效果，完成表格填写。（根据学校具体情况也可选一组同学上台演示操作。） 播放演示视频。 教师点评学生实验记录。 提问：电磁阀的开启与关闭取决于来自什么装置的信号？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案：湿度传感器的信号 教师：通过实验我们可以发现 在上述土壤湿度控制系统中，输入信号是设定的土壤湿度。湿度传感器检测到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），与给定湿度值作比较。当实际湿度比设定湿度低时，控制器控制电磁阀打开，给植物浇水；当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出信号关闭电磁阀，停止浇水。（注意说明土壤湿度控制系统的工作过程，以帮助学生更好地理解闭环控制系统的概念及构成。） 该浇水自动控制系统的方框图如图4-26所示： 和闭环控制系统的方框图对比分析。 教师：我们可以注意到在系统的输入端和输出端之间，除了有从设定湿度到实际土壤湿度的信息传递，还有从输出端返回到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端，与给定量进行比较，构成一条闭合回路。 展示并说明闭环控制系统的概念和方框图。 闭环控制系统：我们把系统的输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。⊗ 检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端； 是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在给定的范围内。 教师：与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道。 展示课本128页“马上行动”内容，学生分析后填写完成表格。 教师点评并总结。 参考答案： 展示课本128页“案例分析”内容，学生讨论填回答问题。 教师点评并总结。 参考答案： 1、该调速器的传感装置是什么部件？通过什么动作来改变蒸汽阀门的大小? 该调速器的传感装置是四连杆机构和重球构成的离心摆。重球的升降带动套筒的升降，再通过调节杠杆，调节阀门的大小。 2、 二、新知探究 任务二 辨析反馈在控制系统中的作用 教师：我们知道与开环系统相比闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道，那么“反馈”的在闭环控制系统中的作用是什么？ 展示抽水控制系统示意图。 引入“技术体验——搭建土壤湿度控制系统”，看看它的控制系统是怎样构成的。 展示课本130页“技术体验——搭建抽水控制系统模型”内容。 学生根据材料体验制作并试验效果，完成表格填写。（根据学校具体情况也可选一组同学上台演示操作。） 播放演示视频。 教师点评学生实验记录。 提问：采用单一传感器如何实现该水位控制？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 采用单一传感器，需要传感器既能检测高水位信号并将其返回到输入端，又能检测低水位信号并将其返回到输入端。 教师：电极式水位传感器是该控制系统中的检测反馈装置，检测水位信号并将其返回到输入端，当水位降到或低于雨水收集池高度的1/4时，停止抽水。 展示并说明“反馈”的概念。 反馈——在自动控制系统中，将输出量通过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。 教师：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。。例如，普通电水壶将水加热至沸腾时，需要人工关闭电源，而自动保温电水壶在壶内温度达到设定值时自动切断电源，这就是运用反馈实现自动控制的结果。 教师：在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺少的形式。 展示课本131页“马上行动”内容，学生讨论后完成表格填写。 教师点评并总结。 参考答案： 展示并说明“干扰因素”的概念。 干扰因素——在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。 结合图片举例说明。 教师：有的干扰因素是环境造成的，如冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电；有的干扰因素是人为原因所致，如当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中等。 教师：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。 教师：对于大多数控制系统，在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调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。 展示课本132页“案例分析——教学扩音器与干扰”内容。 提问：查阅资料，了解飞机在起飞和降落时，乘客使用手机是否会对飞机飞行构成干扰。 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 飞机在起飞和降落时需要利用跑道上的盲降台向飞机发射电磁波信号以确定跑道位置。手机不计在拨打或接听电话过程中会发射电磁波信号，在待机状态也在不停和地面基站联系。在它的搜索过程中虽然每次发射信号的时间很短，但具有很强的连续性，会对飞机的导航系统造成干扰，所以飞机在起飞和降落时不允许乘客使用手机。 展示军事电子对抗图片。 教师：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。 教师：通过刚才的学习，我们可以发现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，开环控制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，而闭环控制系统则不然。所以，对于同一个控制问题，开环控制系统的控制精度通常比闭环控制系统低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰对系统的影响较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。在开环控制系统的控制效果不佳的情况下，可使用闭环控制系统。 展示课本133页“马上行动”内容，学生讨论后完成表格填写。 教师点评并总结。 参考答案： 播放视频“夏天挑选西瓜的方法”，学生思考。 教师：在生活中，有时我们需要认识的对象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，最后对病情做出判断；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。这些事例中，人们都没有打开物体直接观看内部结构，而是通过观察外部形态或做试验等方法来认识事物。 展示并说明“黑箱方法”的概念及应用。 黑箱方法——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系统就可以研究其内部结构和功能的方法。 结合图片举例说明。 教师：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，就是黑箱方法的一种运用。 提问： 1. 闭环控制系统与开环控制系统相比，其特点有哪些？ 2. 通常在什么情况下，人们需要采用黑箱方法研究控制系统？ 学生讨论后回答。 教师点评并总结。 参考答案： 1.闭环控制系统在抗干扰方面具有独特的优势，只要输出量有所误差它就会进行控制，而不管这种误差产生的原因。 2.控制系统的内部结构和机理不能直接观察的情况下，人们需要黑箱方法进行研究。通过考察控制系统的输入、输出及其动态过程，来定量或定性地认识控制系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理。 三、课堂小结 设计意图：以思维导图的形式总结本节课的内容，能帮助学生理顺本节课的知识点。 四、拓展延伸 传感器 传感器是一种检测装置，能检测到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器品种繁多，原理各异。传感器的分类方法很多，根据现象所属领域来分，有物理传感器、化学传感器和生物传感器；根据所用敏感元件的材料来分，有半导体传感器、陶瓷传感器、有机高分子传感器、光纤传感器等；根据功能来分，有单功能传感器、多功能传感器、智能传感器、仿生传感器等。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的重要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，使物体变得“活”起来。 五、练习提升 1.多选）下列事例中，属于黑箱方法的是（    ） A．象棋对弈 B．买西瓜通过“看形，看色，听声，测弹性”判断生熟 C．医疗中运用CT技术对病变部位进行检查 D．中医看病通过“望、闻、问、切”诊断病情 答案：BD 2.如图所示，这是储气罐气压控制系统原理图。当检测装置检测到储气罐中的气压低于设定值时，控制器控制压缩机运转，使储气罐的气压升高到设定值。该控制系统的方框图是（    ） A． B． C． D． 答案：C 3.关于家用电冰箱温度电子控制系统中反馈作用的说法，正确的是（    ） A．将温度信号转变为电信号 B．检测温度信号 C．对温度信号进行分析、判断和处理 D．将检测到的冷冻和冷藏温度返回到输入端来调整温度的控制 答案：D 4.如图所示，这是平台小球位置控制系统示意图。其工作过程为：摄像机连续获取小球的实时位置信息（如图1所示），控制器将接收到的小球位置信息与设定位置进行比较，计算出小球与设定位置的偏差值，控制舵机驱动器，通过舵机调整平台倾斜角度（如图2所示），使小球移动到设定位置。下列关于该平台小球位置控制系统说法正确的是（  ） A．控制量是小球的实际位置 B．被控对象是舵机 C．输入量是摄像机获取的信息 D．平台表面粗糙度的变化是干扰因素 答案：D 5.粮库的温度和湿度都需要控制。小型粮库一般是定期进行人工检测，根据需要进行温度和湿度的控制。如果粮库的规模扩大了，需要实现温度和湿度的自动控制，请设计控制方案，画出控制方框图。 答案： 设计意图：检测学生对本节知识的掌握情况。 板书设计 4.3 闭环控制系统的工作过程 一、解析闭环控制系统工作过程 闭环系统方框图 二、辨析反馈在控制系统中的作用 反馈 干扰因素 闭环控制系统与开环控制系统的比较 黑箱方法 教学反思 闭环控制系统的工作过程是学生学习的主要难点，本节课用学生活动与教师讲解相结合、搭建控制系统实现功能的方式，来吸引学生的学习兴趣，提高学生的参与度。 教学活动中技术体验部分占比较大，学生的参与度决定了本节课的教学效果。在授课时要注重教师授课与学生自主思考之间的平衡，在适当时机引导学生的思考方向，防止耗时过长。 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $