任務二辨析反饋在控制系統(tǒng)中的作用


一、教學目標


1.通過案例分析，理解傳感裝置在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用。


2.結合閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程，分析反饋和干擾現(xiàn)象及其基本原理。





二、教學重點、難點


理解傳感裝置在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用。結合閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程，分析反饋和干擾現(xiàn)象及其基本原理。





三、教學方法


講授法，演示法，任務引導法





四、教學過程


1、情境導入


2、新課學習


技術體驗


搭建抽水控制系統(tǒng)模型


體驗目的:通過搭建抽水控制系統(tǒng)模型，感受反饋在控制系統(tǒng)中的作用。


情境展示:為了避免暴雨季雨水收集池中溢出的雨水白白浪費，陳展打算為雨水收集池增加一個器水箱，當雨水收集池的水位達到溢出口位置時，潛水泵把雨水收集池中的水抽到蓄水箱中，為廁所沖刷之用。當收集池的水位降低至池高度的14時，潛水泵就停止抽水。


問題分析:該裝置要實現(xiàn)當水位達到一定高度時潛水泵開始抽水，水位降低到某位置時潛水泵停止抽水，其核心部件足什么?


活動準備:


材料:雨水收集池、沖廁省水箱、潛水泵、水管、電極式水位傳感器、控制電路模塊等。


工具:鋼絲錯、活動扳手、十字螺絲刀、多用電表等。


主要過程:


1.搭建模型，如圖4-32所示，將雨水收集池、沖廁蓄水箱、潛水泵、電極式水位傳感器、控制器、水管等依次連接。


2.測試。


(1)向雨水收集池注水，當水位達到溢水口時，潛水泵啟動，抽水到沖廁蓄水箱


(2)當雨水收集池水位降到池高度的1/4時，潛水泵停止抽水。


思考:


1.觀察雨水收集池的水位高度與圖4-32抽水控制系統(tǒng)模型水泵工作狀態(tài)，填寫下表:


2.采用單一傳感器如何實現(xiàn)該水位控制?





電極式水位傳感器是該控制系統(tǒng)中的檢測反饋裝置，檢測水位信號并將其返回到輸入端，當水位達到或低于雨水收集池高度的1/4時，停止抽水。


反饋在自動控制系統(tǒng)中，將輸出量通過檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進


行比較的過程，就是反饋。


利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預期的目標運行。例如，普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動保溫電水壺在壺內溫度達到設定值時自動切斷電源，這就是運用反饋實現(xiàn)自動控制的結果。


在帶有反饋的控制系統(tǒng)中，既存在由輸入端到輸出端的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成-一個閉合的回路。因此，帶有反饋的控制系統(tǒng)就是前面所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在工程中，反饋控制是自動控制中不可缺少的形式。





馬上行動


花房恒溫自動控制系統(tǒng)


花房恒溫自動控制系統(tǒng)可以對溫度、土壤濕度和光照進行控制。


請?zhí)顚懴卤?，完成?行花房恒溫自動控制系統(tǒng)的控制參數，并完成第二、三行其他控制系統(tǒng)的控制參數。





拓展閱讀


常用傳感器及其特點


傳感器是一種檢測裝置，能檢測到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示記錄和控制等要求:通常，根據傳感器感知功能可將其分為溫度傳感器、光傳感器、壓力傳感器、磁性傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器等。


傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的重要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，使物體變得“活”起來。根據傳感器的基本感知功能，通常將其分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。





干擾因素


在控制系統(tǒng)中， 除輸入量(給定值)以外，引起被控量變化的各種因素都可以視為干擾因素。有的干擾因素是環(huán)境造成的，如冬天使用電飯鍋做飯比夏天更加費電;有的干擾因素是人為原因所致，如當電飯鍋在保溫狀態(tài)時，頻繁地打開鍋蓋并將冷的食物放入鍋中等。


在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能有一個，也可能有若干個。如戰(zhàn)士在大風大雨中進行射擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。


對于大多數控制系統(tǒng)，在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定?？照{的溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾。當室外溫度升


高時，空調監(jiān)測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。





案例分析


教學擴音器與干擾


教學擴音器，俗稱“小蜜蜂”。在教學中使用“小蜜蜂”，既能有效保護教師的嗓子，又能保證所有學生都能聽清楚教學內容?！靶∶鄯洹彪m然優(yōu)點頗多，但也存在易受外界電磁波干擾的缺點。教師佩戴“小蜜蜂”講課的過程中，當手機接收到短信和電話時，“小蜜蜂”就會發(fā)出“嗡嗡”的噪音。


是什么原因導致“小蜜蜂”發(fā)出噪音呢?原因就在于手機在收發(fā)信號時信號強度較大，“小蜜蜂”射頻信號屏蔽能力不足時會收取到手機的信號脈沖，因此產生了射頻干擾，便發(fā)出了噪音。射頻干擾是電磁波所帶來的干擾，當兩個頻率相差不多的電磁波同時被接收機接收，就造成了干擾。


因此，教師在攜帶教學擴音器講課時，為避免射頻干擾，應關閉手機。


思考:查閱資料，了解飛機在起飛和降落時，乘客使用手機是否會對飛機飛行構成干擾。





在一般控制系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下，卻可以利用干擾因素實現(xiàn)某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統(tǒng)進行干擾，使之不能正常工作。但在生產生活中，我們需要以慎重、嚴謹的態(tài)度對待干擾因素。





閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制


系統(tǒng)本身不能對被控量的偏差進行調整和補償。也就是說，由于某種干擾信號的作用，使輸出信號出現(xiàn)非正常狀態(tài)時，系統(tǒng)本身沒有自動糾正的能力，要進行糾正，必須借助于人工。所以，對于同一個控制問題，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度通常比閉環(huán)控制系統(tǒng)低。但如果控制系統(tǒng)中各組成元件的特性比較穩(wěn)定，而且外界的干擾對系統(tǒng)的影響較小，則開環(huán)控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。在開環(huán)控制系統(tǒng)的控制效果不佳的情況下，可使用閉環(huán)控制系統(tǒng)。





馬上行動


請比較開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度、系統(tǒng)結構復雜程度、系統(tǒng)成本及其適用場合，正確填寫下表。


黑箱方法在生活中， 有時我們需要認識的對象內部無法打開或不便打開，這時，可以通過觀測和考察它的輸入與輸出的關系來推測其內部的特性和功能。例如，中醫(yī)看病通過“望、聞、問、切”來了解病人的病況，最后對病情做出判斷;夏天買西瓜，可以通過“看瓜形，看瓜色，聽瓜聲，測彈性”來判斷西瓜的生熟。這些事例中，人們都沒有打開物體直接觀看內部結構，而是通過觀察外部形態(tài)或做試驗等方法來認識事物。


這種把將要研究的系統(tǒng)作為“黑箱”，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統(tǒng)內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開系統(tǒng)就可以研究其內部結構和功能的方法。


例如，通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節(jié)，就是黑箱方法的一種運用。





拓展閱讀


醫(yī)學與“黑箱理論”


在中醫(yī)發(fā)展的歷史長河中，運用了類似控制論中的“黑箱理論”的方法。它是在沒有手段和條件打開人體和疾病“黑箱”的情況下采用的，是在保持人體和疾病的整體性、運動性的前提下，通過外部聯(lián)系和變化來考察其內在規(guī)律。中醫(yī)的脈診，就尼“思箱理論”的運用，中醫(yī)師們通過脈診病人的脈象狀態(tài)變化，以判斷病情的進程和狀況。


現(xiàn)代醫(yī)學利用先進的技術手段，如解剖學、影像學、生物化學等方式研究人體，試圖把“黑箱”變“白箱”。


學習反思


1.閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，其特點有哪些?


2.通常在什么情況下，人們需要采用黑箱方法研究控制系統(tǒng)?





3、課堂小結


理解傳感裝置在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用。結合閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程，分析反饋和干擾現(xiàn)象及其基本原理。





五、教學反思





雨水收集池水位高度
潛水泵工作狀態(tài)
水位達到溢水口時
水位降到池高度的1/4時
自動控制系統(tǒng)
輸入量
檢測裝置
輸出量
花房恒溫自動控制
類別
控制精度
系統(tǒng)結構復雜程度
系統(tǒng)成本
適用場合
閉環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)

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任務二 辨析反饋在控制系統(tǒng)中的作用

版本： 蘇教版 (2019)

年級： 必修《技術與設計2》

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