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課題認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖課時(shí)4課時(shí)（180min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（2）能夠畫出自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖素質(zhì)目標(biāo)：（1）培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的意識(shí)（2）培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力（3）培養(yǎng)腳踏實(shí)地、求真務(wù)實(shí)的作風(fēng)教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖的組成及繪制、結(jié)構(gòu)圖的等效變換、利用結(jié)構(gòu)圖求閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)教學(xué)難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖的等效變換教學(xué)方法情景模擬法、問答法、討論法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟考勤【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到任務(wù)引入【教師】提出下列提出問題想要同時(shí)了解各元件對(duì)系統(tǒng)性能的影響及其相互間的定量關(guān)系時(shí)應(yīng)使用什么方法？【學(xué)生】思考、舉手回答【教師】總結(jié)學(xué)生回答，并利用多媒體展示”知識(shí)與技能要求”表格，引出本任務(wù)主要介紹內(nèi)容傳授新知【教師】通過學(xué)生的回答，引入新知，講解結(jié)構(gòu)圖的組成及繪制、結(jié)構(gòu)圖的等效變換、利用結(jié)構(gòu)圖求閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等知識(shí)1.3.1結(jié)構(gòu)圖的組成及繪制用于描述系統(tǒng)各元件之間的相互關(guān)系和信號(hào)傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)圖形稱為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖綜合了微分方程和傳遞函數(shù)可以清楚描述系統(tǒng)特性的優(yōu)點(diǎn)，以及系統(tǒng)原理框圖可以直觀反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，便于進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“結(jié)構(gòu)圖的組成”系列圖片，并進(jìn)行講解如圖（d）所示為結(jié)構(gòu)圖的基本單元，其中為輸入信號(hào)，為輸出信號(hào)。1．結(jié)構(gòu)圖的組成結(jié)構(gòu)圖由信號(hào)線、引出點(diǎn)、比較點(diǎn)和功能框4部分組成?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“（a）信號(hào)線”圖片，并進(jìn)行講解（1）信號(hào)線：帶有箭頭的直線。箭頭表示信號(hào)傳遞的方向，在直線旁會(huì)標(biāo)注信號(hào)的時(shí)間函數(shù)或拉普拉斯變換，如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“（b）引出點(diǎn)”圖片，并進(jìn)行講解（2）引出點(diǎn)：又稱為測量點(diǎn)，表示將信號(hào)分多路引出或測量的位置，同一個(gè)位置引出的信號(hào)的數(shù)值大小和性質(zhì)與原信號(hào)完全相同，如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“（c）比較點(diǎn)”圖片，并進(jìn)行講解（3）比較點(diǎn)：又稱為綜合點(diǎn)，具有對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算的功能，如圖所示。其中，“+”號(hào)表示各信號(hào)相加，“-”號(hào)表示各信號(hào)相減，通?！?”號(hào)可以省略不寫。若需要多個(gè)輸出信號(hào)，通常需要另加引出點(diǎn)?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“（d）功能框”圖片，并進(jìn)行講解（4）功能框：又稱為環(huán)節(jié)，功能框內(nèi)為該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，輸入功能框的信號(hào)的象函數(shù)乘以功能框內(nèi)的傳遞函數(shù)等于功能框輸出信號(hào)的象函數(shù)，如圖所示?！窘處煛侩S機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問題：功能框與系統(tǒng)中的元件是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系嗎？【學(xué)生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答功能框與系統(tǒng)中的元件并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)功能框有時(shí)可以表示多個(gè)元件甚至一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)元件有時(shí)也可能會(huì)需要多個(gè)功能框來表示。2．結(jié)構(gòu)圖的繪制結(jié)構(gòu)圖的繪制步驟一般如下。（1）根據(jù)信號(hào)的傳遞過程，將目標(biāo)系統(tǒng)劃分成各環(huán)節(jié)，列出微分方程。（2）從輸入端開始，依據(jù)信號(hào)傳遞方向，依次確定各環(huán)節(jié)的輸入和輸出并求出對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。（3）繪制各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。（4）將各環(huán)節(jié)相同的信號(hào)線連接起來，得到完整的結(jié)構(gòu)圖?！纠?.5】【教師】利用多媒體展示例題，并組織學(xué)生答題【教師】利用多媒體展示“RC串聯(lián)電路”圖片，并進(jìn)行講解繪制如圖所示的RC串聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)圖。其中，為被控量，為參考輸入量?！緦W(xué)生】觀看、思考、作答【教師】公布正確答案，并進(jìn)行解析：該題可直接利用復(fù)數(shù)阻抗法，故可不列微分方程。（1）RC串聯(lián)電路由R和C兩個(gè)元件組成。（2）對(duì)于R元件來說，其輸入為，輸出為；對(duì)于C元件來說，其輸入為，輸出為。利用復(fù)數(shù)阻抗法，對(duì)于R元件有，即；對(duì)于C元件有，即?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“R元件和C元件的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解（3）分別繪制出R元件和C元件的結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。【教師】利用多媒體展示“RC串聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解（4）將各元件的結(jié)構(gòu)圖按照信號(hào)傳遞方向依次連接，最終得到RC串聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)圖，如圖所示。【學(xué)生】聆聽、記錄1.3.2結(jié)構(gòu)圖的等效變換當(dāng)不考慮系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，只注重系統(tǒng)的輸入和輸出特性時(shí)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行必要的簡化，即等效變換。對(duì)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效變換時(shí)，應(yīng)保證等效變換前后的輸入和輸出之間的傳遞函數(shù)保持不變。1．環(huán)節(jié)的合并結(jié)構(gòu)圖中各環(huán)節(jié)間的連接方式主要有串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接，對(duì)這三種連接方式的環(huán)節(jié)進(jìn)行合并，可以將結(jié)構(gòu)圖等效變換。1）串聯(lián)環(huán)節(jié)的合并【教師】利用多媒體展示“串聯(lián)環(huán)節(jié)的合并”系列圖片，并進(jìn)行講解若在信號(hào)傳遞方向上，后一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)就是前一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)，則稱這兩個(gè)環(huán)節(jié)的連接方式為串聯(lián)，如圖所示。此時(shí)有 【教師】利用多媒體展示“（b）合并”系列圖片，并進(jìn)行講解所以合并后的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)為 由此可知，當(dāng)兩個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)時(shí)，其等效傳遞函數(shù)為這兩個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積。這個(gè)結(jié)論可以推廣到多個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)的情況，即串聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)為各串聯(lián)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積。2）并聯(lián)環(huán)節(jié)的合并【教師】利用多媒體展示“（a）并聯(lián)環(huán)節(jié)”圖片，并進(jìn)行講解若兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)相同，總的輸出信號(hào)為兩個(gè)環(huán)節(jié)輸出信號(hào)的代數(shù)和，則稱這兩個(gè)環(huán)節(jié)的連接方式為并聯(lián)，如圖所示。此時(shí)有 【教師】利用多媒體展示“（b）合并”圖片，并進(jìn)行講解所以合并后的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，并聯(lián)環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)為由此可知，當(dāng)兩個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)時(shí)，其等效傳遞函數(shù)為這兩個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的代數(shù)和。這個(gè)結(jié)論可以推廣到多個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)的情況，即并聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)為各并聯(lián)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的代數(shù)和。3）反饋環(huán)節(jié)的合并【教師】利用多媒體展示“（a）反饋環(huán)節(jié)”圖片，并進(jìn)行講解若將系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)反饋到輸入端并與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，再作為系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入，即為反饋連接，如圖所示。圖中為反饋信號(hào)，為偏差信號(hào)。此時(shí)有 【教師】利用多媒體展示“（b）合并”圖片，并進(jìn)行講解所以合并后的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，反饋環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)為 其中，“”對(duì)應(yīng)負(fù)反饋連接；“”對(duì)應(yīng)正反饋連接?！窘處煛侩S機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問題：按照信號(hào)的傳遞方向，閉環(huán)回路可分成哪兩個(gè)通道？【學(xué)生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答按照信號(hào)的傳遞方向，閉環(huán)回路可分成前向通道和反饋通道兩個(gè)通道，前向通道將信號(hào)從輸入端傳遞到輸出端，反饋通道則將信號(hào)從輸出端反饋到輸入端。另外，當(dāng)反饋環(huán)節(jié)的時(shí)，稱為單位反饋，其等效傳遞函數(shù)為2．比較點(diǎn)和引出點(diǎn)的移動(dòng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換除了環(huán)節(jié)的合并，還有比較點(diǎn)和引出點(diǎn)的移動(dòng)，具體包括比較點(diǎn)前移、比較點(diǎn)后移、比較點(diǎn)位置交換或合并、引出點(diǎn)前移、引出點(diǎn)后移及引出點(diǎn)位置交換，其相應(yīng)的變換規(guī)則如表所示。比較點(diǎn)和引出點(diǎn)移動(dòng)的變換規(guī)則等效變換方式變換前變換后比較點(diǎn)前移比較點(diǎn)后移比較點(diǎn)位置

交換或合并引出點(diǎn)前移引出點(diǎn)后移引出點(diǎn)位置

交換【例1.6】【教師】利用多媒體展示例題，并組織學(xué)生答題【教師】利用多媒體展示“系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解對(duì)如圖所示的系統(tǒng)進(jìn)行簡化，并求出其傳遞函數(shù)?！緦W(xué)生】觀看、思考、作答【教師】公布正確答案，并進(jìn)行解析：此結(jié)構(gòu)圖中的兩個(gè)閉合回路的信號(hào)并不獨(dú)立，因此，在對(duì)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效變換時(shí)，首先將比較點(diǎn)和引出點(diǎn)移出環(huán)外，然后按串聯(lián)、反饋環(huán)節(jié)的等效變換做進(jìn)一步簡化。具體簡化過程如下?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“比較點(diǎn)和引出點(diǎn)移動(dòng)后的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解第一步：比較點(diǎn)前移、引出點(diǎn)后移。結(jié)果如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“串聯(lián)環(huán)節(jié)合并后的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解第二步：與串聯(lián)，與串聯(lián)，和串聯(lián)，合并后結(jié)果如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“單位反饋合并后的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解第三步：合并單位反饋后結(jié)果如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“串聯(lián)環(huán)節(jié)合并后的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解第四步：和串聯(lián)，合并后結(jié)果如圖所示?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“反饋環(huán)節(jié)合并后的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解第五步：利用反饋環(huán)節(jié)的合并進(jìn)行簡化，最終結(jié)果如圖所示。即該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為【學(xué)生】聆聽、記錄【教師】掃碼播放“拓展例題”視頻（詳見教材），并提出以下問題：做完拓展例題你有哪些收獲？【學(xué)生】觀看、思考，舉手回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答1.3.3利用結(jié)構(gòu)圖求閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在實(shí)際工作過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)除了會(huì)受到輸入信號(hào)的作用，往往還會(huì)受到擾動(dòng)信號(hào)的作用。因此，當(dāng)研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)時(shí)，只考慮輸入信號(hào)的作用是不全面的?！窘處煛坷枚嗝襟w展示“典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解如圖所示為典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。反饋信號(hào)與偏差信號(hào)之比稱為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，相當(dāng)于將反饋通道在輸出端斷開，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 【教師】利用多媒體展示“作用下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解當(dāng)系統(tǒng)中時(shí)，如圖所示，作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 【教師】利用多媒體展示“作用下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖”圖片，并進(jìn)行講解當(dāng)系統(tǒng)中時(shí)，如圖所示，作用下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 由于閉環(huán)控制系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，因此可以利用線性疊加原理求得和共同作用下，系統(tǒng)的被控量為 【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記憶課堂實(shí)踐【教師】對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每4～6人一組，并選出一名組長，利用多媒體展示”作出直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖”任務(wù)工單，進(jìn)行講解，然后組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行操作準(zhǔn)備（1）回顧電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。（2）回顧微分方程的相關(guān)內(nèi)容。（3）回顧傳遞函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容。實(shí)施【教師】利用多媒體展示“電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)的原理圖”圖片，并進(jìn)行講解根據(jù)電樞控制的直流電動(dòng)機(jī)的原理圖（見右圖），按照→→→的信號(hào)傳遞順序列出各環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)，并繪制對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖，將結(jié)果填入下表中，最后建立最終的整體結(jié)構(gòu)圖。各環(huán)節(jié)的微分方程、傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖環(huán)節(jié)微分方程傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖1234【學(xué)生】分組，填寫表格并建立最