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《闭环控制中的干扰与反馈》教学设计
（通用技术第四单元第三节）
一、教学目标：
1、了解控制中存在干扰，学生能理解干扰的概念，掌握克服干扰的基本方法。
2、熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。
　　3 、了解功能模拟方法和黑箱方法。
　　4、通过内化干扰的知识，形成正确的对系统中干扰的认识，并建立稳定的控制系统认识态度。
二、教学重点与难点
教学重点：
　　1、了解实际控制系统中会存在干扰影响控制；
　　2、让学生能够分析简单控制系统中的干扰，理解克服干扰的基本原则，分析克服干扰的具体方法，并结合开环和闭环控制进行对比；
3、功能模拟方法、黑箱方法。
教学难点：
　　1、分析克服干扰的具体方法；
　　2、综合理解开环与闭环的优劣只是相对的，理解干扰不是全有害的。
3、通过案例认识功能模拟法与黑箱法的概念
三、教学过程：
引入：
一、复习与回顾
1、控制系统的组成部分是什么？
画出开环控制系统的框图。
提问学生，让学生在这基础上将框图补充为闭环控制系统图。
二、引出反馈的概念
1.什么是反馈？
•控制系统中，讲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）。
•2.反馈方法
•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。
事例
输入
检测装置
输出
“穿针引线”
线的位置
人的眼睛
线与针孔对准
投掷飞镖
靶的位置
(期望值)
眼睛
飞镖实际投掷的位置
三、 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。
核心：通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。
四、干扰因素
【游戏引入】 真正的控制系统在运行的过程中还会存在很多的因素影响：
控制羽毛球降落游戏：
1、在正常条件下降落。
2、在有侧风的条件下降落。
问题：如果不按正常条件下的降落方式还能正中目标吗？为什么？
对比两种情况的异同：受外界影响，控制的行为受到影响。
（1）、干扰的概念
【涵义】：干扰就是对控制系统的行为造成影响的有害的信号及扰动，即除给定量外，引起被控量量值变化的各种因素。
要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。
（2）、干扰对控制功能的影响
1、现实生活中的干扰的例子
A、外界光线对投影效果的干扰
（对周围的控制系统的分析，就近对课室投影的干扰分析，学生更有体验）
B、轮船行使中的干扰
（录像演示波浪对轮船的干扰）
C、汽车驾驶的干扰（录像演示干扰的一个方面）
（汽车行使中的干扰，比较常见，引导学生引发对交通控制的进一步思考，为后面的内容拓展到社会大环境设下伏笔）
2、思考与分析
（1）在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？
闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。
（2）举出一些由于干扰而使控制系统受到影响的例子。
雨天交通 病毒攻击 手机干扰飞机
（3）、克服干扰的基本方法
如何消除侧风对羽毛球下落的干扰？（呼应前面举的干扰，进一步思考克服干扰的方法）
（一）克服的基本方法：
1、消除干扰
2、减弱干扰
3、提高控制系统性能
（二）小组讨论
分析下列控制中的干扰，请同学们以小组为单位，讨论如何克服该控制系统中的干扰并对对方组的抗干扰方法发表自己的看法：
第1、2大组：汽车驾驶
第3、4大组：轮船行使
（在学生讲解的同时演示教师对问题的解释）
汽车驾驶：
1、控制系统的克服措施：
刹车、转向、鸣喇叭；
2、针对干扰源的措施：
加强国民交通意识；

3.

请大家观察下面图1、图2,对比人工恒温箱控制系统与自动恒温箱控制系统的方框图，我们发现：两者的控制器、执行器及检测装置的具体结构不同，但两者在功能和行为是相似的，都能实现恒温箱的恒温控制。

图1 人工恒温箱控制系统方框图

图2 自动恒温箱控制系统方框图
这种以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟法。
功能模拟方法是一种整体性研究方法，功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。
你能列举功能模拟法的案例吗？（相关资料请参阅同文件夹内“有关功能模拟方法的资料.doc”）
学生活动：积极思考相关案例。
探究：功能模拟方法对技术设计有何意义？
答：可以通过模拟，进行技术设计，从而使有些不易实现的技术设计得以设计成功。
4.黑箱方法
教师讲授：同们学听说过“大脑之谜”吗？这可是在科学研究史上长期以来没有得到圆满解答的难题。思维究竟是怎样从物质中产生出来的？大脑功能的具体活动机制又是什么？
要解答这一系列问题可不是一件容易的事。人们可以用物理上的分割法，研究物质的结构和属性；也可以用化学分解和合成的方法来了解不同物质的成分。但这些方法，对研究大脑的思维功能却鞭长莫及，因为即使按这些方法的要求，将大脑打开，解剖分析，也只能是对失去思维功能的大脑物质的认识。这样，在科学研究面前，大脑的思维过程就是一个只见其外观和表现，而无法深入其内在了解其机制的难题。它就像一个不能打开的箱子一样，里面的一切对于我们来说都是黑乎乎的，一无所知，我们称之为黑箱。
所谓黑箱方法，指的是当一个系统内部结构不清楚时，利用外部观察和试验方法，获得系统（即黑箱）的输入——输出特性；再根据这种信息，在不打开“黑箱”的情况下，研究其功能和属性，探索其构造和机理的一种科学方法。
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。
黑箱法判别鸡蛋生熟
方法一：
   用同样的力，使这两个鸡蛋在桌子上转动，其中一个鸡蛋要比另一个旋转得快些。
结论:
    旋转快的是熟鸡蛋，旋转慢的是生鸡蛋。
方法二：
   当鸡蛋旋转起来时，用手轻轻地在旋转着的鸡蛋上面按一下，然后把手拿开。其中的一个立即停止了转动，另一个却仍然摇晃不停，继续转上几圈才停止转动。
结论:
    立刻停止转动的是熟鸡蛋，继续旋转的是生鸡蛋.
黑箱方法的道理并不神秘，在我们的日常生活中，人们都在自觉或不自觉地运用这种方法。人们虽然不懂得电视机内部构造和机理，却知道按哪个开关打开它，调整哪些开关可以得到清晰稳定的画面效果等。这些都是我们运用黑箱方法的具体体现。
黑箱方法最典型的应用是中医看病。中医看病，主要是通过“望、闻、问、切”等外部观察作出诊断，开方抓药。有时遇到疑难杂症没有把握时，可以先投以试探性的药物，观察病人的反应，并随时增减药物，观其疗效，一旦抓住病症就大胆对症下药。这种从人体的输入特征入手，实施“辩证论治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
教师提问：你能举出黑箱方法在生活中应用的案例吗？
学生活动：列举黑箱方法的案例，领会黑箱方法的含义及应用。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。

黑箱方法应用的例子
入
输出
需要了解的情况
观察计算机的基本性能
运行应用程序
计算机的反应
计算机的基本性能
测定钢材的硬度
技术试验
钢的性能情况
钢的硬度
选购电视机
图像、声音、外壳
清晰度、散热的情况
电视好坏
买西瓜
看瓜形、瓜色，听瓜声、测弹性
颜色深、声音脆，弹性好
好瓜
研究人脑
图像
分析脑电波的反应
视觉的传递
中医看病
望、闻、听、切
了解情况
对病情作出判断
教师小结控制论：新时代的科学技术革命构筑了那一高耸入云的摩天大厦，而支撑这片大厦的擎天柱就是系统论、信息论和控制论，简称为三论。

胡阿提.玉山
玛纳斯县一中 2013年5月