資源簡介

通用技術 必修 技術與設計2
第四章　控制及其設計
第四節控制中的干擾
教學背景
黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略”。
通用技術是一門與科學技術息息相關的學科。回顧人類的發展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術進步改變著人類的生活和生產方式。我們的生活、工作、生產處處都要用到技術，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術改造的結果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術發明的成果。認識技術、善用技術，已成為現代人必須具備的素質。
教學目標：
知道什么是控制中的干擾。
了解簡單的干擾現象及其對控制功能的影響，了解克服干擾的基本方法。
經歷將基礎知識應用于技術實踐和創新的過程，同學們會養成實事求是、精益求精的習慣，能運用規范的技術語言和設計制作方法去解決一些實際的技術問題。
教材分析
本節課在前面知識的基礎上，講述控制中的干擾。要求學生知道在控制系統中，干擾是客觀的存在的，了解避免干擾的方法。能結合案例分析找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，找到盡可能避開或抑制干擾因素對控制系統影響的辦法。
學生情況
干擾是普遍存在的，高中學生能對簡單的控制實例干擾因素進行分析，但是關于如何克服于擾因素對控制系統的影響，對學生來說比較困難。
教學重難點:
重點:知道什么是干擾，能分析控制系統的干擾因素。
難點:掌握克服干擾因素對控制系統的影響方法。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中自主探究、自主建構設計原則知識并形成能力。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習通用技術 必修 技術與設計2第四章控制及其設計
第四節控制中的干擾。
人在踩踏自行車的時候，自行車的行駛速度會被各種干擾因素所影響。例如，逆風情況下自行車的行駛速度會降低，路面凹凸不平或者上斜坡時也會便其速度減緩等，所有這些干擾因素都會使自行車行駛速度偏離期望值，那么如何克服這些干擾呢
為此，某自行車生產廠家在自行車的援沖、抗震、變速等方面做了改進，使得自行車能夠輕松應對平路、上下坡、土路、頂風等復雜路況和天氣，使人們的出行更加快速和省力。
控制系統的抗干擾設計，能盡量減少控制系統運行過程中各種干擾帶來的控制誤差。
導學思考
你還想到了哪些干擾因素對控制系統造成影響的例子 如何克服這些干擾呢
一、干擾對控制功能的影響
在實際的控制系統中，常常會有一些變化不定的因素對系統的行為造成不良的影響,這種有害的因素，我們稱其為“干擾”。當我們考慮干擾對控制系統的影響時，開環控制系統和閉環控制系統的方框圖如圖4-35、圖4-36所示。
干擾會使被控對象產生錯誤動作。具體的理論分析比較復雜，這里我們只討論一些較為簡單的情況。例如，電冰箱的溫度控制系統在正常工作情況下可以保持冰箱內的溫以穩定在設定的范國內，但當我們打開冰箱門取物時，由于外部的溫度與冰箱內的溫度不同（一般是外部溫度高于內部溫度），會使冰箱內的溫度突然變化，這個變化對于電冰箱的溫度控制系統就相當于一個干擾。
在射箭的過程中，雖然運動員已經瞄準了靶心。但箭射出去后，如遇突然吹來的側鳳，箭的飛行肯定會受到影響，因此變化不定的風對射箭就是一種干擾。在一個控制系統中，實際的干擾可能出現在各個環節，但為了在描述和分析控制系統時有一個統一的形式，都假設干擾是加到被控對象上，這是一種等效的方法，即如果實際干擾是加在控制器或執行器等環節，并使被控量發生了變化，那么這個干擾可以用個加在被控對象上并使被控量發生同樣變化的干擾代替。
干擾的影響是相對的，如在戰爭中，為了擺脫敵方紅外制導武器的攻擊，會通過飛機釋放大量的紅外干擾彈，使紅外制導武器失去目標。
思考
1.開環控制系統和閉環控制系統中哪個受干擾的影響較小？為什么
2.列舉一些由于干擾的存在而使控制系統受到影響的例子。
二、克服干擾的基本方法
由于干擾的復雜性，比較全面地討論在系統中克服干擾的方法需要較多控制原理的知識。這里我們只對克服干抗的方法做一些原則性的介紹。
由上面的分析可以看出。具有閉環結構的控制系統比開環結構的控制系統有更好的抗干擾能力。一般來說，閉環控制系統能不斷地修正控制效果，以減少被控量和基準量（期望值）之間的誤差。所以閉環控制系統比開環控制系統有更好的抗干擾能力。
另外，從干擾的性質來說，有些干擾是可以避免的，而有些干擾是不可完全避免的，只能減少干抗造成的誤差。如風速和風向的變化對飛行中的飛機、導彈的干擾是不可完全避免的。對了這類干擾，我們只能在提高控制系統的性能上多下功夫；而對于有些干擾，我們可以采取消除、減弱它的方法。如果在室內進行射箭活動，就可消除或減弱對箭飛行的干擾:一些化學反應容易受到溫度變化的影響，我們可以使它們在恒溫環境中進行。
多門電冰箱（圖4-38) 可使每個門對應一個獨立的空間，這樣在打開一個門取物時，就減小了對其他門內溫度的影響，所以在一定程度上減少了外界溫度對冰箱其他空間溫度的干擾。可見，克服干抗的基本方法，就是要分析干擾的性質，然后對癥下藥。
實踐
設計項目
項目1: 升國旗定時控制裝置。
項目2:恒溫箱的溫度控制裝置。
目的及要求
1.通過具體的設計制作活動，進一步理解和應用控制系統設計的基本思想和方法。
2.繪制簡單的設計圖紙，編制設計說明書。
3.若有條件，嘗試運行（或模擬）設計方案。
4.盡量使用計算機輔助設計軟件進行設計。
5.以小組為單位，分工合作完成。
設計過程
1.設計目標及要求。討論并列出具體的性能指標，如設定時間（項目1）、恒定溫度（項目2)等。
2.搜集相關資料。
（1）了解同類（或相關）項目（裝置）的工作原理。
（2）搜集、整理相關的技術資料。
3.制訂設計方案。
（1）繪制簡單的設計圖紙，有條件可運用繪圖軟件繪制。
（2）列出所用的元器件清單。
4.收集意見，修改設計方案。
5.有條件可模擬系統方案的實施。
編寫設計說明書
1.對設計項目進行簡要的定性分析。
2.闡明重點考慮的因素及它們之間的關系。
3.列出費用預算。
4.簡要描述設計方案的實施效果。
5.附上設計圖紙。
評價與小結
1.以班級為單位，分別對各小組的設計方案（表4-5）進行評價。
表4-5 設計方案評價參考
編號 評價指標 小組自評 小組互評 教師評價
1 功能實現程度
2 元素選擇，配置的合理性
3 安全性
4 經濟性、節能程度
5 美觀性
6 設計特色（創意）
7 設計圖紙繪制水平
8 設計說明書編寫水平
9 其他
說明
師生共同討論列出評價指標，并對評價指標進行的細化、完善。
為各評價指標確定權重。
2.比較各小組的設計方案（表4-6），分別列出各個方案的優點和不足。
表4-6 各組設計方案的評價
方案序號 優點 不足 改進建議
1
2
3
4
討論、思考、形成小論文。
每位同學組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。
完成后，與同學們進行討論、分享。
課后作業
1.單次投擲籃球和射箭的過程都屬于開環控制，但兩者對風的抗干擾能力大不相同。你認為如何才能提高開環控制的抗干擾能力
2.人在騎自行車的過程中會受到路況、風力、噪聲、刺眼的陽光、突發的事件等干擾，如何才能克服這些干擾
3.交通法規禁止開車時撥打和接聽手機。從控制系統的角度分析撥打和接聽手機干擾了控制系統的哪個環節 為什么
4.如果將某人通過電話叫對方干某事的過程看作是一個控制，那么線路中的噪聲及通話雙方所在環境的中雜聲都有可能干擾通話效果。分析兩種干擾的性質，提出克服干擾的措施。
5.如果圖4-36中的“干擾”對“被控對象”以外的部分進行干擾時，閉環控制系統還能克服干擾嗎

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