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技術(shù)與設(shè)計(jì)2 第四單元 控制與設(shè)計(jì) 第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋
第四單元 控制與設(shè)計(jì)
第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋
一、教學(xué)內(nèi)容分析：
本節(jié)是在學(xué)生對控制系統(tǒng)有一定認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上具體的闡述閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋的辨證關(guān)系，是全書的重點(diǎn)章節(jié)，也是控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用章節(jié)。為以后學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容奠定了理論基礎(chǔ)。
本節(jié)內(nèi)容在《控制和設(shè)計(jì)》中起到舉足輕重的作用，不僅可以使學(xué)生對閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋（feedback）有很深的認(rèn)識(shí)，而且也為閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施打好基礎(chǔ)。本節(jié)教材主要包含三部分內(nèi)容：干擾因素、反饋、功能模擬法、黑箱法。本節(jié)是本單元的重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)，分析干擾因素及反饋給控制系統(tǒng)帶來的影響，綜合了本單元前兩節(jié)的知識(shí)。從模塊角度看，該節(jié)融合了該模塊第二單元流程與設(shè)計(jì)，以及第三單元系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的內(nèi)容，控制過程本身的工作過程就是一個(gè)流程，閉環(huán)控制系統(tǒng)大致包括控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)和比較環(huán)；反饋也體現(xiàn)了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，因此，本節(jié)是本模塊的綜合應(yīng)用。本單元是本課程知識(shí)的綜合應(yīng)用，綜合了必修1、必修2的知識(shí)，講了閉環(huán)自適應(yīng)控制，體現(xiàn)了技術(shù)以人為本的理念。
二、教學(xué)對象分析：
學(xué)生對控制機(jī)理比較陌生，整個(gè)教學(xué)都應(yīng)以案例分析為主，所舉案例應(yīng)力求簡單。
三、目標(biāo)：
1.知識(shí)與技能：
（1）能結(jié)合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾因素，并作分析。
（2）熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)的作用。
（3）熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程。
（4）了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2.過程與方法：
用方框圖分析生活中常見控制系統(tǒng)，通過實(shí)踐、游戲、討論、分析、講授法、問題教學(xué)法、小組討論法、設(shè)計(jì)教學(xué)法等方法使學(xué)生懂得反饋在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；結(jié)合案例分析影響簡單控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾因素及克服方法。
3.情感態(tài)度價(jià)值觀：
通過學(xué)習(xí)，聯(lián)系生活，能具體問題，具體分析，能在生活中應(yīng)用反饋原理，調(diào)節(jié)自身的心理、學(xué)習(xí)與生活。培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，體驗(yàn)學(xué)習(xí)樂趣。滲透安全教育、德育教育、環(huán)保等教育。
四、教學(xué)重難點(diǎn)：
1.教學(xué)重點(diǎn)：
干擾因素；反饋與閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理；開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的選用。
2.教學(xué)難點(diǎn)：
干擾因素的判定；閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理；功能模擬方法、黑箱方法。
五、教學(xué)概述：
通過人們熟悉的例子來說明在控制系統(tǒng)中除輸入量以外能引起被控量變化的各種因素都是控制系統(tǒng)的干擾。用方框圖分析生活中常見控制系統(tǒng)，通過實(shí)踐、游戲、討論、分析等方法使學(xué)生懂得反饋在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的作用。
3課時(shí)。
六、教學(xué)器材：
水塔水位控制模型1套、一次性杯子、乒乓球、烘箱等。
七、教學(xué)過程：
引入：
做一個(gè)簡單的調(diào)查：每天上學(xué)騎自行車的感受？乘車的感受等？
在送乘飛機(jī)出行時(shí)，為什么不能說祝你一路順風(fēng) （活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的求知欲。）
大部分同學(xué)應(yīng)該是有風(fēng)的影響，從而聯(lián)系到本節(jié)課的內(nèi)容：干擾因素，同時(shí)乘車也有干擾，而且不論是騎自行車還是乘車干擾因素不止一個(gè)，有主要的，有次要的。
這節(jié)課我們就研究研究閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋。
第三節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋
新課教學(xué)：
一）什么是干擾因素：
1.干擾因素的概念：
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稱為干擾（interference）因素。
案例一：逆風(fēng)中騎自行車。
案例二：飛機(jī)飛行。
結(jié)論：在控制系統(tǒng)中，干擾因素一定有，可能有一個(gè)，也可能有若干個(gè)。
擴(kuò)展討論：生活中還有哪些例子說明“閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾是存在的，是不可避免的”？
馬上行動(dòng)：
在電冰箱的溫度控制系統(tǒng)中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？
（1）開電冰箱門。
外面熱氣進(jìn)入冰箱將會(huì)引起箱內(nèi)溫度變化，屬于干擾因素。
（2）電冰箱所在房間的溫度從20℃變到32℃
屬于干擾因素。
（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中。
屬于干擾因素。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
嚴(yán)格說這也會(huì)引起環(huán)境溫度的變化，但這種變化一般有利于冰箱實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，不屬于干擾因素。
擴(kuò)展討論：通過分析，增加對電冰箱的了解，進(jìn)而了解生活。
思考：在下表所列控制系統(tǒng)中，可能存在哪些干擾因素？
控制系統(tǒng) 干擾因素
自動(dòng)扶梯的升降控制系統(tǒng) 扶梯承載的重力、電機(jī)輸出電壓的波動(dòng)、齒輪間的摩擦力等。
利用滑輪組提升重物的控制系統(tǒng) 滑輪組的摩擦力、電機(jī)電源的波動(dòng)等、繩子和滑輪，重物的重力。
蔬菜大棚的溫度控制 外部環(huán)境溫度的變化、大棚保溫材料的保溫性能產(chǎn)生變化等、植物排放的二氧化碳，溫室效應(yīng)。
案例分析：電視機(jī)的工作。從學(xué)生看電視的經(jīng)歷來分析，引導(dǎo)，讓學(xué)生從電視內(nèi)容中走出來，關(guān)注電視的相關(guān)技術(shù)與控制。
電視機(jī)出現(xiàn)畫面紊亂的現(xiàn)象往往是由于受到外界磁場干擾。
比如：近距離擺放的電冰箱、空調(diào)器、電風(fēng)扇、日光燈等等。他們就是電視機(jī)正常工作的干擾因素。
克服這些干擾的辦法就是將家用電器遠(yuǎn)離電視機(jī)放置。
2.克服干擾的基本方法
A、消除干擾
在飛機(jī)上不能使用通信工具
B、減弱干擾
電器在使用時(shí)遠(yuǎn)離其它電子設(shè)備
C、提高控制系統(tǒng)性能
采用閉環(huán)控制系統(tǒng)
3.干擾因素的特點(diǎn)：
（1）干擾既存在于閉環(huán)控制中，也存在于開環(huán)控制中。聲控?zé)糸_環(huán)控制，除輸入的聲音外，其他聲音就是其干擾因素；空調(diào)房的溫度控制屬于閉環(huán)控制，室外環(huán)境溫度的變化就是它的干擾因素。
（2）通常，干擾因素都是作用在控制對象上，其作用是破壞控制系統(tǒng)的平衡——使被控量偏離平衡值。
（3）通常，干擾因素不止一個(gè)。如自行車速度控制的干擾因素除逆風(fēng)外，還可能有路面狀況（斜坡、粗糙度）。
（4）在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對可能存在的干擾進(jìn)行全面的調(diào)查和分析，如果干擾比較經(jīng)常和嚴(yán)重，對控制目標(biāo)影響產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，就必須考慮抗干擾措施，保證控制系統(tǒng)的正常工作；如果可能存在的干擾不是很嚴(yán)重，對系統(tǒng)正常工作影響不大，就可以忽略。因?yàn)槿魏慰垢蓴_措施的實(shí)現(xiàn)，都意味著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和成本的增加。
（5）對干擾的利用，是指有意對控制系統(tǒng)施加干擾，使控制系統(tǒng)無法達(dá)到控制的目標(biāo)，而不是控制系統(tǒng)本身需要干擾。例如：打狂犬疫苗、軍事演習(xí)中對敵方信息指揮系統(tǒng)進(jìn)行電磁波干擾。
馬上行動(dòng)：
生活中哪些干擾因素是可以利用的？如何進(jìn)行利用？
答：火盆。冬天冷了，可以在室內(nèi)放火盆，這樣可以使室內(nèi)溫度升高。
二）反饋
1.什么是反饋（feedback）？
案例引入p110：投籃的工作過程
許寧在體育課上練習(xí)立定投籃時(shí)，發(fā)生了這樣的情況：
第一次投擲，由于用力太大，籃球碰到了籃板上彈了回來，沒有命中。
第二次投擲，他吸取了第一次的經(jīng)驗(yàn)，減小了用力，但用力過小，籃球沒有碰到籃圈。
第三次投擲，他吸取了前兩次投擲的經(jīng)驗(yàn)，終于投中了。
在這里，可以將人看作控制系統(tǒng)，眼睛把接收到的籃圈位置以及實(shí)際投擲位置等信息輸送給大腦，經(jīng)大腦分析和加工處理后，發(fā)出指令，指揮手投擲籃球，直到投籃命中。
（１）請判斷以上過程是開環(huán)，還是閉環(huán)控制？
（２）畫出系統(tǒng)的方框圖。
（３）如果有風(fēng)，請判斷風(fēng)可能對投籃產(chǎn)生的影響，許寧可以怎樣克服這些影響？
學(xué)生活動(dòng)：
（1）回顧系統(tǒng)控制的工作方式，根據(jù)題意進(jìn)行判斷。答案：閉環(huán)。
（2）畫出系統(tǒng)的方框圖。
（3）考慮可能的風(fēng)向，及其影響。
順向風(fēng)：許寧應(yīng)減小投擲力量。
逆向風(fēng)：應(yīng)增大投擲力量。
側(cè)向風(fēng)：改變投擲角度。
在上例中：如果沒有眼睛的觀察和檢測，投籃的反饋就無法形成。
[引出結(jié)論]：控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過程就是反饋（feedback）。
生活中的反饋：反饋控制是一種在計(jì)劃執(zhí)行一段時(shí)間或結(jié)束后進(jìn)行的事后控制，主要為下一步計(jì)劃的實(shí)施總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，但它卻常常是管理控制工作的主要形式。例如投訴與反饋、留言反饋、意見反饋、環(huán)境反饋、教學(xué)活動(dòng)、超市反饋調(diào)查表、市場信息反饋系統(tǒng)、工作總結(jié)、 產(chǎn)品性能檢驗(yàn)、現(xiàn)代酒店控制方法等。
[游戲]：在黑板上畫兩張大臉，“四官俱全”，沒有眼睛。然后請一個(gè)同學(xué)上來“填”眼睛，閉著眼睛畫，位置不對,也不好看。睜著眼睛畫，漂亮。
[分析原因]：將兩次畫的過程來分析。畫出其控制框圖，得出它們的控制類別。
1.閉著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛：人腦——手——眼睛；
控制過程中，沒有反饋環(huán)節(jié)，不能對控制結(jié)果加以修正、調(diào)節(jié)。是個(gè)單程的控制流向。這是開環(huán)控制。
2.睜著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛，在此過程中，眼睛可以把手的位置及畫的效果及時(shí)反饋給大腦，使得大腦準(zhǔn)確精細(xì)的控制手去畫好眼睛?？刂七^程中有反饋環(huán)節(jié)可以把控制結(jié)果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這是閉環(huán)控制。
[閱讀]p110：汽車速度控制
利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，稱為反饋方法。
2.反饋方法
馬上行動(dòng)：分析“穿針引線”的動(dòng)作過程，并補(bǔ)充一個(gè)適當(dāng)?shù)氖吕顚懴卤怼?br/>事例 輸入 檢測裝置 輸出
“穿針引線” 線的位置 人的眼睛 線與針孔對準(zhǔn)
投擲飛鏢 靶的位置 (期望值) 眼睛 飛鏢實(shí)際投擲的位置
能撲滅蠟燭的機(jī)器人 打開機(jī)器人的開關(guān) 光敏、力敏傳感器 找到蠟燭、并將其撲滅
電冰箱 溫控器設(shè)定溫度 溫度傳感器 制冷后冰箱內(nèi)溫度
[演示]：
反饋的工作過程：當(dāng)人打算要拿桌子上的水杯時(shí)，人首先要看到自己的手與杯子之間的距離，然后確定自己手的移動(dòng)方向，手始向水杯移動(dòng)。同時(shí)人的眼睛不停觀察手與杯子的距離（該距離就是輸入與輸出的差值），而人腦（控制器）的作用就是不停控制手移動(dòng)，以消除這個(gè)差值。直到手拿到杯子為止，整個(gè)過程也就結(jié)束了。從上面的例子可以看出，由（負(fù)）反饋形成的偏差是人準(zhǔn)確完成拿杯子動(dòng)作的關(guān)鍵。如果這個(gè)差值不能得到的話，整個(gè)動(dòng)作也就沒有辦法完成了。這就是眼睛失明的人不能拿到杯子的緣故。
[教具演示]：水位自動(dòng)控制系統(tǒng)
接通電源后，電機(jī)工作，水泵出水，當(dāng)水位升到A 點(diǎn)水位傳感器位置時(shí)，電機(jī)停止工作；當(dāng)水位由A點(diǎn)降止B點(diǎn)以下時(shí)，電機(jī)又開始工作，這樣往復(fù)，達(dá)到了自動(dòng)控制儲(chǔ)水器中的水位。
[學(xué)生討論]：
請同學(xué)們相互討論一下這個(gè)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程，試用系統(tǒng)框圖來描述。（引導(dǎo)學(xué)生歸納出水塔水位控制系統(tǒng)框圖，著重推導(dǎo)信息反饋與比較環(huán)節(jié)的框圖表達(dá)。）
[教師總結(jié)]：簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。
3.閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程
閉環(huán)控制系統(tǒng)就是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過反饋環(huán)節(jié)克服干擾因素而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
[核心]：通過反饋來減少被控量(輸出量)的偏差。
[案例分析]：閱讀書上案例p112 供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)
P112 思考：
在水箱的水位控制系統(tǒng)中，控制量還可以有其他選擇嗎？為什么？
答：不能，因?yàn)槲覀冎饕獮榱藢?shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制，那么控制量只能是水量。
[思考設(shè)計(jì)]：家用抽水馬桶是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)的水位控制。（鏈接下節(jié)課用水位檢測，控制電路，電磁閥來改進(jìn)為自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，并用頭腦風(fēng)暴法獲更多節(jié)水控制創(chuàng)造性設(shè)想。）
閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn):
1)系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響。
2）有反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋減小誤差。
3）當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，可以自動(dòng)減弱其影響。
[圖片展示]： 烘箱（飲水機(jī)）
P113 思考：
在加熱鍋爐的溫度控制系統(tǒng)中，可能有那些干擾因素，系統(tǒng)如何克服干擾使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)？
干擾因素有加熱爐外的環(huán)境溫度變化、加熱器的電壓波動(dòng)、爐壁自身溫度、爐內(nèi)空氣溫度等。
首先用熱電偶來代替溫度計(jì)來測量溫度的值，然后對溫度的比較，當(dāng)小于恒溫箱給定時(shí)，就增大加熱裝置的電流；相反當(dāng)大于恒溫箱給定時(shí)，就減小電流。這樣恒溫箱就能保持給定的溫度。 加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖：
思考與分析
在出現(xiàn)干擾的情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)哪種受干擾的影響?。繛槭裁?？
閉環(huán)控制系統(tǒng)受影響較小，因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)能不斷修正控制效果。
4.閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較：
閉環(huán)控制：反饋控制， 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對被量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。
開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值。
[提問回答]：
開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)
能否自動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償 否 是
控制精度 低 高
結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜
適用場合 精度要求低、穩(wěn)定 精度要求高、高可靠性
[補(bǔ)充]：
起增強(qiáng)輸入信號作用——正反饋。
起減弱輸入信號作用——負(fù)反饋。
正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。
只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。
負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差
P114馬上行動(dòng)：
就開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別，設(shè)計(jì)一個(gè)圖表。
答：
聯(lián)系 區(qū)別
閉環(huán)控制系統(tǒng) 都用于控制 控制精度低、結(jié)構(gòu)簡單，用于控制精度要求不高而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場合。
開環(huán)控制系統(tǒng) 控制精度高，麻煩，復(fù)雜，用于要求高精度和高可靠性的場合。
三）控制系統(tǒng)的分析方法
1. 功能模型法
請大家觀察下面圖1、圖2,對比人工恒溫箱控制系統(tǒng)與自動(dòng)恒溫箱控制系統(tǒng)的方框圖，我們發(fā)現(xiàn)：兩者的控制器、執(zhí)行器及檢測裝置的具體結(jié)構(gòu)不同，但兩者在功能和行為是相似的，都能實(shí)現(xiàn)恒溫箱的恒溫控制。
圖1 人工恒溫箱控制系統(tǒng)方框圖
圖2 自動(dòng)恒溫箱控制系統(tǒng)方框圖
這種以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。
功能模擬方法是一種整體性研究方法，功能模擬法為仿生學(xué)、人工智能、價(jià)值工程提供了科學(xué)方法。
你能列舉功能模擬法的案例嗎（相關(guān)資料請參閱同文件夾內(nèi)“有關(guān)功能模擬方法的資料.doc”）？
學(xué)生活動(dòng)：積極思考相關(guān)案例。
探究：功能模擬方法對技術(shù)設(shè)計(jì)有何意義？
答：可以通過模擬，進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，從而使有些不易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)設(shè)計(jì)得以設(shè)計(jì)成功。
2.黑箱方法
教師講授：同們學(xué)聽說過“大腦之謎”嗎？這可是在科學(xué)研究史上長期以來沒有得到圓滿解答的難題。思維究竟是怎樣從物質(zhì)中產(chǎn)生出來的？大腦功能的具體活動(dòng)機(jī)制又是什么？
要解答這一系列問題可不是一件容易的事。人們可以用物理上的分割法，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和屬性；也可以用化學(xué)分解和合成的方法來了解不同物質(zhì)的成分。但這些方法，對研究大腦的思維功能卻鞭長莫及，因?yàn)榧词拱催@些方法的要求，將大腦打開，解剖分析，也只能是對失去思維功能的大腦物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。這樣，在科學(xué)研究面前，大腦的思維過程就是一個(gè)只見其外觀和表現(xiàn)，而無法深入其內(nèi)在了解其機(jī)制的難題。它就像一個(gè)不能打開的箱子一樣，里面的一切對于我們來說都是黑乎乎的，一無所知，我們稱之為黑箱。
所謂黑箱方法，指的是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚時(shí)，利用外部觀察和試驗(yàn)方法，獲得系統(tǒng)（即黑箱）的輸入——輸出特性；再根據(jù)這種信息，在不打開“黑箱”的情況下，研究其功能和屬性，探索其構(gòu)造和機(jī)理的一種科學(xué)方法。
通過對系統(tǒng)的輸入與輸出的關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。
黑箱方法的道理并不神秘，在我們的日常生活中，人們都在自覺或不自覺地運(yùn)用這種方法。人們雖然不懂得電視機(jī)內(nèi)部構(gòu)造和機(jī)理，卻知道按哪個(gè)開關(guān)打開它，調(diào)整哪些開關(guān)可以得到清晰穩(wěn)定的畫面效果等。這些都是我們運(yùn)用黑箱方法的具體體現(xiàn)。
黑箱方法最典型的應(yīng)用是中醫(yī)看病。中醫(yī)看病，主要是通過“望、聞、問、切”等外部觀察作出診斷，開方抓藥。有時(shí)遇到疑難雜癥沒有把握時(shí)，可以先投以試探性的藥物，觀察病人的反應(yīng)，并隨時(shí)增減藥物，觀其療效，一旦抓住病癥就大膽對癥下藥。這種從人體的輸入特征入手，實(shí)施“辯證論治”的方法正是黑箱方法的精髓所在。
教師提問：你能舉出黑箱方法在生活中應(yīng)用的案例嗎？
學(xué)生活動(dòng)：列舉黑箱方法的案例，領(lǐng)會(huì)黑箱方法的含義及應(yīng)用。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。
黑箱方法應(yīng)用的例子 入 輸出 需要了解的情況
觀察計(jì)算機(jī)的基本性能 運(yùn)行應(yīng)用程序 計(jì)算機(jī)的反應(yīng) 計(jì)算機(jī)的基本性能
測定鋼材的硬度 技術(shù)試驗(yàn) 鋼的性能情況 鋼的硬度
選購電視機(jī) 圖像、聲音、外殼 清晰度、散熱的情況 電視好壞
買西瓜 看瓜形、瓜色，聽瓜聲、測彈性 顏色深、聲音脆，彈性好 好瓜
研究人腦 圖像 分析腦電波的反應(yīng) 視覺的傳遞
中醫(yī)看病 望、聞、聽、切 了解情況 對病情作出判斷
教師小結(jié)控制論：新時(shí)代的科學(xué)技術(shù)革命構(gòu)筑了那一高聳入云的摩天大廈，而支撐這片大廈的擎天柱就是系統(tǒng)論、信息論和控制論，簡稱為三論。
控制論研究的對象是包括人在內(nèi)的生物系統(tǒng)和各種非生物系統(tǒng)（如工程系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等），它橫跨各個(gè)學(xué)科，超出了學(xué)科的局限性，為各門學(xué)科找到了共同的內(nèi)涵，控制論享有“交叉科學(xué)”、“邊緣科學(xué)”和“橫斷科學(xué)”的美稱。功能模擬方法、黑箱方以及反饋方法都是控制論的主要方法。
探究：
請同學(xué)們自由分組，每組3到6人，收集整理控制方法的有關(guān)資料，可以是我們已學(xué)過的反饋方法、功能模擬方法、黑箱方法中的一種，也可以向大家介紹新的控制方法，并用PowerPoint做成課件，下節(jié)課請每個(gè)小組派代表展示交流小組的成果，時(shí)間為三到五分鐘。
學(xué)生活動(dòng)：利用課余時(shí)間，收集整理資料，完成課件，嘗試用自己的眼睛認(rèn)識(shí)控制方法，感受控制方法帶來的新變化。
四）探究性學(xué)習(xí)展示：
學(xué)生活動(dòng)：請各小組學(xué)生派代表，展示交流小組成果。
教師活動(dòng)：總結(jié)、評價(jià)學(xué)生作品，鼓勵(lì)學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中主動(dòng)嘗試應(yīng)用控制方法解決問題。
五）小結(jié)
一）什么是干擾因素
二）反饋
三）控制系統(tǒng)的分析方法
四）探究性學(xué)習(xí)展示
練習(xí)：
1.花房溫度控制的要求基本屬于恒溫控制。因此，它的溫度控制系統(tǒng)通常應(yīng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制。其參考方框圖如下：
簡要工作過程：測溫裝置測量花房實(shí)際溫度，將其轉(zhuǎn)換為與設(shè)定溫度量綱相同的信號并與之比較得到誤差信號，誤差放大裝置將誤差信號放大后去推動(dòng)增降溫裝置，實(shí)施增溫或降溫，使花房溫度向設(shè)定溫度趨近，直至誤差被消除。冬季設(shè)定溫度為18℃，夏季設(shè)定溫度為25℃。
2.在可調(diào)光臺(tái)燈中，人手調(diào)節(jié)臺(tái)燈旋鈕實(shí)際上是在改變臺(tái)燈內(nèi)部可變電阻的阻值。根據(jù)電路原理，電壓一定，改變電阻，電路中的電流也隨之改變，因此燈泡的亮暗也隨之變化。
如果人調(diào)節(jié)旋鈕是為了獲得某一認(rèn)定的合適的亮度，這時(shí)“人”作為某些環(huán)節(jié)加入到了控制過程之中，那么這時(shí)的控制就是一個(gè)人工控制。其控制過程是：人眼檢測臺(tái)燈的實(shí)際亮度反饋到大腦，與認(rèn)定的合適亮度進(jìn)行比較，如果臺(tái)燈亮度較暗，大腦就會(huì)發(fā)出指令，讓手旋動(dòng)旋鈕，使燈泡亮度增大；反之，就減小亮度。這種控制可能會(huì)反復(fù)進(jìn)行，直至臺(tái)燈亮度滿意為止。方框圖如下：
當(dāng)人感覺燈光暗時(shí)，通過調(diào)節(jié)臺(tái)燈的旋鈕使其變亮；當(dāng)感覺燈光過強(qiáng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)臺(tái)燈的旋鈕使其變暗。人眼的觀察相當(dāng)于檢測環(huán)節(jié)。
3.帆板是靠風(fēng)推動(dòng)帆來行駛的，要使帆板速度最快，必須轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)帆，使之具有最大的迎風(fēng)面積。由于風(fēng)向是不定的，因此這是一個(gè)隨動(dòng)控制。人對風(fēng)向的觀察相當(dāng)于這一控制系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)。
其控制過程為：人同時(shí)觀測風(fēng)向（由風(fēng)標(biāo)顯示）和風(fēng)帆的角度，經(jīng)過大腦的判斷，如果風(fēng)帆的角度不符合風(fēng)力最大的要求，則大腦指揮運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)帆，使之達(dá)到要求。在這個(gè)系統(tǒng)中，風(fēng)帆是控制對象，風(fēng)帆角度是被控量，風(fēng)向是輸入量。只不過這個(gè)輸入量是一個(gè)隨時(shí)間而變化的未知函數(shù)。
如果要將帆板的控制構(gòu)建成成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，則既要安裝風(fēng)向測量裝置，又要安裝風(fēng)帆角度測量裝置，并使二者同步。兩個(gè)測量裝置將測得的結(jié)果同時(shí)輸入到計(jì)算控制裝置中，在這里得到誤差信號，還得增加一個(gè)根據(jù)誤差信號去轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)帆的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)帆船的自動(dòng)控制。
八、教學(xué)反思
本節(jié)課涉及控制論的相關(guān)內(nèi)容，尤其是第三節(jié)功能模擬法和黑箱方法，學(xué)生理解起來有一定難度，因此，在課堂聽講之余，安排學(xué)生利用課余時(shí)間主動(dòng)進(jìn)一步了解控制論，學(xué)會(huì)自己去了解新事物。
腳踩的力
自行車
行使的速度
風(fēng)
給定量
被控量
逆風(fēng)、順風(fēng)、上坡路……
籃球?qū)嶋H投擲的位置
籃圈的
位置
大腦
(控制器）
手
(執(zhí)行器）
籃球
(被控對象）
+
-
眼睛
（檢測裝置）
被控對象
給定值
被控量
干擾
反饋環(huán)節(jié)
控制器
執(zhí)行器
比較器
干擾
干擾
干擾
實(shí)際溫度
給定溫度
大腦
肌體
恒溫箱
+
-
眼睛
＋
—－
＋
—－
實(shí)際溫度
給定溫度
比較電路
電機(jī)
恒溫箱
+
-
熱電偶
設(shè)定溫度
+
誤差放大裝置
檢測裝置
增降溫裝置
花房
實(shí)際溫度
－
大腦
手
旋鈕
實(shí)際亮度
燈泡
+
期望亮度
－
眼睛

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