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浙江省衢州市仲尼中学高二通用技术《4.3 控闭环控制系统的干扰与反馈》第二课时教案


浙江省衢州市仲尼中学高二通用技术 《4.3 控闭环控制系统的干扰与 反馈》第二课时教案

【教材分析】 本课是《技术与设计 2》的第四单元“控制与设计”的第二节“闭环控制系统的干扰与 反馈”中的第三课时的内容,包括 “功能模拟方法”和“黑箱方法”两部分内容。功能模 拟方法是以功能行为的相似性为基础建立模型,用模型模拟原型的功能和行为的一种方法。 教材首先以“加热炉温度的手工控制与自动控制”的比对案例来说明功能模拟方法。温度能 自动控制的加热炉系统在上一课时是已经分析探讨过的案例。在这里重提就可以很好的与 “手工控制加热炉”配对比较。但考虑到“加热炉”对学生来说还是比较陌生,所以在上课 时不采用这个案例,而是改用“人工驾驶与自动驾驶汽车”的案例做比对。教材在后面又举 了根据模型与人脑在功能行为上相似而实现对人脑的模拟的“国际象棋人机对弈”案例,从 而使功能模拟方法更清晰的展现在我们面前。 在“黑箱方法”部分教材使用“中医看病” “挑 西瓜” 等贴切生活的案例把黑箱方法分析得非常的清晰明了。 教材引用这些生活化的案例就 一子就把理论与人的距离拉近了,陌生感也没有了。利用黑箱方法事物进行分析,可使许多 繁杂的问题简单化,它是认识事物的一种有效方法。 教材内容的顺序编排也是比较合理的。在前几课时分别介绍了“控制” “开环控制系统” “闭环控制系统” “干扰因素” “反馈”等内容,而这些都是学习探讨功能模拟方法与黑箱方 法的前提基础。 【学情分析】 在此前, 学生学过了开环与闭环控制系统, 对开环与闭环控制系统的组成也都有了一定 的认识, 这些再加上学生的生活经历都是学习本节的前提基础。 “人工驾驶汽车” “中医看病” “挑选西瓜、椰子、电视机”以及“机器人”都是学生熟悉的案例,正是以这些熟悉的案例 做分析铺垫, 才有可能降低理解难度。 本课主要通过大量的生活案例让学生在分析案例的过 程中逐步掌握功能模拟方法与黑箱方法的思想的, 但对于功能模拟方法的理解还是有一定难 度的,所以在实施教学时需要想办法去突破。 【教学目标】 1. 知识与技能目标 (1) 知道功能模拟方法与黑箱方法都是研究控制系统的常用方法。 (2) 了解功能模拟方法与黑箱方法在控制系统中的应用。 2. 过程与方法目标 (1) 通过“汽车全自动驾驶”与“人工驾驶”的类比分析理解功能模拟方法。 (2) 通过“挑椰子” “判别计算机性能”等案例的分析,了解黑箱方法的应用。 3. 情感态度和价值观目标 (1) 懂得功能模拟方法与黑箱方法在控制领域的重要作用。 (2) 将功能模拟方法特别是黑箱方法有意识的渗透到今后的问题分析当中。 【教学重点和难点】 教学重点:功能模拟方法与黑箱方法在控制系统的设计与分析中应用。 教学难点:1. 功能模拟方法的理解。 2. 功能模拟方法与黑箱方法在控制系统的设计与分析中应用。
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【教学流程】 1.引入 教师:上一课我们专门探讨过闭环控制系统的反馈问题,反馈可以使控制系统的控制 精度更高、稳定性更好。下面我们来看两个案例: (投影:手动驾驶汽车和自动驾驶汽车图片)

a. 手动驾驶汽车 b. “斯坦利”无人自动驾驶汽车 大家说说这两种驾驶汽车的方式中,汽车的行驶方向分别是怎样实现控制的? 学生:(在手动驾驶的案例中,人眼检查路面的信息反馈给大脑处理,大脑控制手去 把转方向盘;在自动驾驶案例中,检测装置检测路面信息并将信息送给控制器,控制器控制 执行器去调整方向盘从而实现行驶方向的控制) 2.新课 教师: 在这两案例中, 相应的自动驾驶系统的检测装置代替人眼检测路面状况的功能, 控制器代替了大脑的功能, 执行器代替了人手的功能。 象这个有用有相似功能的机器模块代 替了人来实现对汽车行驶方向的控制就是一种功能模拟方法。 (投影:功能模拟方法----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。) 这里说的“模型”是比较笼统的,但它一定是以功能行为的相似性为基础的。就如雷 达和蝙蝠,雷达就具有可发射并可接收电磁波功能模块,这些模块就是模型,它具有与蝙蝠 相似的功能和行为。 历史上曾经有过能模拟人的动作行为的各种模型,却没有解决从结构上模拟人的大脑 进行思考的问题,因为人的大脑太复杂了。在没有彻底弄清人脑内部结构和机理的情况下, 必须另辟一新的模拟途径, 这条途径不要求从结构上去模拟人脑, 而只是要求模型在功能行 为上与人脑相似。 也就是说, 仅仅根据模型与人脑在功能行为上相似, 实现对人脑的模拟。 我们来看一则报道(投影) “据俄罗斯《莫斯科时报》6 月 10 日报道,俄罗斯总统的首席 经济顾问达瓦科维奇 9 日晚上战平国际象棋机器人,比赛结果为 1 胜 1 负。 达瓦科维奇同时也是俄罗斯国际象棋协会主席,他承认这是他 第一次有勇气和机器人比赛。参赛机器人是俄罗斯工程师用最先进的 技术制作的,它能用一只长约 1 米的手臂移动象棋,并同时与 3 个人 比赛。设计师很自信地说,从理论上来说它是无法被击败的。 这次机器人同时与达瓦科维奇、国际象棋大师伊戈尔和 7 岁的象棋女神童阿琳娜一起下 5 分钟的快棋赛。达瓦科维奇赛前和现
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场的观众及记者说:‘这个机器看起来不像人类,但棋下得比人好。’” 教师:国际象棋机器人具有与人脑类似的逻辑判断功能,能模拟棋手的思维、动作与 人下棋。工程师在设计这些机器人时就使用了功能模拟法。 3.学生任务一 (1)用一分钟阅读 P115 页的“阅读”材料。 (2)判别下列案例是否涉及到功能模拟方法。

会骑自行车的机器人 姆

会拉提琴的机器人

机器人保

4.新课继续 教师:假如你要去选购西瓜,你有什么办法在不切开西瓜的情况下就可以选到好的西 瓜? 学生:(看、摸、敲、听、掂??) 教师:很好!现在我就想请大家试一下,尽管我手头没有西瓜,但却有两个椰子。 (展 示)请几位同学过来帮我判别一下哪个椰子可能会好吃一些?你是根据什么来差别的? 学生:(试辨别??) 教师:说明大家的生活经验是非常丰富的!这是好事! 这里我们不需要把西瓜、椰子打开就可以判别它的内部情况。像这种不需要把事物打 开观看其内部结构, 而是通过观察或试验等方式来认识事物的内部结构及功能的方法就是黑 箱方法。 (投影: 黑箱方法---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, 进而推断系统内部结构及其功能的方法。) 看、摇、拍 嫩或老 输入 输出

椰子

控制系统

黑箱 我们生活当中也有很多用黑箱方法来解决问题的案例,就如中
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黑箱

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医看病。中医是我国几千年传承与发展下来的一门独特医学,是我们的国粹。中医看病是通 过什么方式来完成的呢? 学生:(望、闻、问、切??) 教师:说得好! 了解了什么黑箱方法及其作用后,下面就让我们试用黑箱方法去分析 某些案例。 5.学生任务二 (1)怎样简单判断一台计算机的性能? 学生:(安装一些大型软件,如图像处理软件、音视频处理软件、3D 设计软件、大型 游戏等??观察计算机的运行情况) (2)试判别教室中的扩音机的扩音是否正常? 学生:(请学生到讲台试操作再回答) <用影碟机或 mp3 播放器播放音乐,把音乐信号输送给扩音器,调节扩音器音量,辨听 从音箱输出的音质;或是将扩音器的音量调到比较大的位置,用手或钥匙碰触音频输入线, 细听音箱中是否有杂音出现,如有则说明扩音器是好,否则是有问题的。> 6.课堂小结 本课在大家的共同努力下,通过大量的案例分析探讨了功能模拟方法和黑箱方法。功 能能模拟方法是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。 黑箱 方法是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, 进而推断系统内部 结构及其功能的方法。这两种方法都是控制系统的设计、分析常用到的方法,在我们的生产 生活中应用得广泛。掌握这两种方法将有助于我们分析解决许多的系统问题。 【板书设计】 一、功能模拟方法 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称为干扰 (interference)因素 二、黑箱方法 控制系统中,将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)。 [分层练习] A 类: 小明发现学校路灯有时由于没有及时关闭而浪费用电, 为此他设计了一个控制方案, 能 够在天亮时关闭,天暗后打开。该控制系统应该属于( B ) A、自动控制的闭环控制系统 B、自动控制的开环控制系统 C、手动控制的闭环控制系统 D、手动控制的开环控制系统 B 类: 自动烘手机的控制系统工作过程如下: 红外传感器检测到手靠近时, 鼓风机和加热电炉 丝开始工作,当人感觉到手干了,并离开时,红外传感器测不到手信号,则鼓风机和加热电 炉丝停止工作。该控制属于( B )
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A.手动控制,开环控制 B.自动控制,开环控制 C.手动控制,闭环控制 D.自动控制,闭环控制 C 类: 使用者虽然不一定懂得电视机内部的构造和机理, 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,判断什么情况下大概出了什么故障等等。这是( B ) 方法的一种具体应用。 A.功能模拟法 B.黑箱方法 C.反馈方法 D.控制方法

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