苏教版 (2019)必修《技术与设计1》任务二 辨析不同设计阶段模型的作用教案

辨析反馈在控制系统中的作用

通用技术（必修）技术与设计2 第四章第3节

第2课

一、教学目标

1.通过案例分析，理解传感装置在闭环控制系统中的作用。

2.结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。

二、教学重点、难点

理解传感装置在闭环控制系统中的作用。结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。

三、教学方法

讲授法，演示法，任务引导法、实验体验法

四、教学过程

1、情境导入

城市雨水收集系统动画示意视频

2、新课学习

技术体验

搭建抽水控制系统模型

体验目的:通过搭建抽水控制系统模型，感受反馈在控制系统中的作用。

情境展示:为了避免暴雨季雨水收集池中溢出的雨水白白浪费，陈晨打算为雨水收集池增加一个蓄水箱，当雨水收集池的水位达到溢出口位置时，潜水泵把雨水收集池中的水抽到蓄水箱中，为厕所冲刷之用。当收集池的水位降低至池高度的1/4时，潜水泵就停止抽水。

问题分析:该装置要实现当水位达到一定高度时潜水泵开始抽水，水位降低到某位置时潜水泵停止抽水，其核心部件是什么?

活动准备:

材料:雨水收集池（塑料盒）、冲厕蓄水箱（塑料盒）、潜水泵、水管、电极式水位传感器、液位水位传感器、继电器、程序控制主板模块等。

工具:钢丝钳、活动扳手、热熔胶枪、十字螺丝刀、多用电表等。

主要过程:

1.利用linkboy仿真编程

2.搭建模型，如图4-32所示，将雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、电极

式水位传感器、液位水位传感器、控制器、继电器、水管等依次连接。

3.测试。

(1)向雨水收集池注水，当水位达到溢水口时，潜水泵启动，抽水到冲厕蓄水箱

(2)当雨水收集池水位降到水池高度的1/4时，潜水泵停止抽水。

思考:

1.观察雨水收集池的水位高度与图4-32抽水控制系统模型水泵工作状态，填写下表:

2.采用单一传感器如何实现该水位控制?

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，当水位达到或低于雨水收集池高度的1/4时，停止抽水。

反馈在自动控制系统中，将输出最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。

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。

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。

马上行动

花房恒温自动控制系统

花房恒温自动控制系统可以对温度、土壤湿度和光照进行控制。

请填写下表，完成第一行花房恒温自动控制系统的控制参数，并完成第二、三行其他控制系统的控制参数。

拓展阅读

常用传感器及其特点

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。通常，根据传感器感知功能可将其分为温度传感器、光传感器、压力传感器、磁性传感器、湿度传感器、声音传感器等。

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。根据传感器的基本感知功能，通常将其分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

干扰因素

播放无人机干扰的视频

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都可以视为干扰因素。有的干扰因索是环境造成的，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。

例： 在空调的控制系统中，下列哪些属于干扰因素？

⑴开门、开窗；（      ）
    ⑵房间里增加人；（     ）
    ⑶重新设定温度；（      ）
    ⑷房间里在烧开水。（      ）
干扰因素的处理

（1）干扰是时常存在的；

（2）干扰因素是需要克服的；

（3）干扰也是可加利用的。

消除干扰；

减弱干扰；

提高控制性能，采用闭环控制系统。

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。

闭环控制系统与开环控制系统的比较

开环系统本身不能对被控最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，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。

马上行动

请比较开环控制系统与闭环控制系统的控制精度、系统结构复杂程度、系统成本及其适用场合，正确填写下表。

干扰因素会引起输出量的变化。所以，干扰因素使开环控制系统的输出量达不到预期目标。因为闭环控制系统有反馈环节，所以被控量（输出）能达到预期目标。

黑箱方法

黑箱方法在生活中， 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。

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。

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。

拓展阅读

医学与“黑箱理论”

在中医发展的历史长河中，运用了类似控制论中的“黑箱理论”的方法。它是在没有手段和条件打开人体和疾病“黑箱”的情况下采用的，是在保持人体和疾病的整体性、运动性的前提下，通过外部联系和变化来考察其内在规律。中医的脉诊，就尼“思箱理论”的运用，中医师们通过脉诊病人的脉象状态变化，以判断病情的进程和状况。

现代医学利用先进的技术手段，如解剖学、影像学、生物化学等方式研究人体，试图把“黑箱”变“白箱”。

学习反思

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?

课堂小结

1.反馈

2.干扰因素

3.闭环与开环控制系统的比较

4.黑箱方法

五、教学反思