2019-2020年高中通用技術(shù) 控制系統(tǒng)的設計與實施1教案 蘇教版必修2教材：（鳳凰國標教材）普通高中課程標準實驗教科書 通用技術(shù)（必修2）文檔內(nèi)容：控制系統(tǒng)的設計與實施章節(jié)：第四單元 控制與設計 第四節(jié) 控制系統(tǒng)的設計與實施課 時：共3課時一、教學目標1. 了解簡單的被控對象的基本特性。2. 能確定被控量、控制量，畫出控制系統(tǒng)的方框圖。3. 形成初步的控制系統(tǒng)設計的方案。4. 能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法，制作一個控制裝置；學會調(diào)試運行，提出改進方案。二、教學重點設計一個控制系統(tǒng)應明確的問題；對控制系統(tǒng)的基本要求；控制系統(tǒng)設計的思想方法。三、教學難點設計一個控制系統(tǒng)應明確的問題的分析；控制系統(tǒng)設計思想方法。四、教學方法討論法、案例教學法、模型教學法、實踐教學法。五、設計思想1.教材分析本節(jié)教材由“1.控制系統(tǒng)的設計一般思路”、“2.控制系統(tǒng)的設計與實施案例”2小節(jié)組成。教材先對控制系統(tǒng)的設計一般思路作了一般介紹，然后通過開環(huán)控制系統(tǒng)和簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的三個案例的分析（電吹風控制系統(tǒng)的設計、抽水馬桶自動控制系統(tǒng)的設計、自動升旗簡易控制系統(tǒng)的設計），對這一中心內(nèi)容進行了深入的闡釋。教材這樣的結(jié)構(gòu)說明，在這一節(jié)的教學中，要讓學生在針對實際問題進行控制設計的實踐中去領會控制系統(tǒng)設計的一般方法。突出主要問題：進行控制系統(tǒng)設計時，最主要的是明確控制對象，明確控制目的，分析控制對象的特性，確定被控量和控制量，分析主要的干擾因素，構(gòu)思設計方案。(1)從流程的角度看，上述各項的次序也是控制系統(tǒng)設計的基本步驟。(2)通過列舉一些實例，引導學生思考上述基本步驟。從而理解相關的主要問題。2.學情分析學生對一些產(chǎn)品有一定的使用經(jīng)驗，這些經(jīng)驗有成功的，也有失敗的，通過控制系統(tǒng)的分析與設計，使學生對一定的實踐經(jīng)驗和生活經(jīng)歷，上升到一定的理論認識，對失敗的使用經(jīng)驗，能從控制與設計的角度重新的認識。課時安排本節(jié)總計3課時。第1課時，講授控制系統(tǒng)設計的一般思路，分析開環(huán)、閉環(huán)控制的案例。第2課時加2個課外課時，實施控制系統(tǒng)設計的實踐。第3課時，評價和總結(jié)。六、教學準備為配合課堂教學，應準備下列模型和教具：一只電吹風，抽水馬桶可透視模型。演示溫度計一只。自動升旗簡易控制裝置模型。七、教學過程第1課時:引入新課：要設計一種自動開關的節(jié)能燈控制系統(tǒng)，如何展開我們的設計思路？需要從哪些方面著手考慮問題呢？先讓學生自由討論、發(fā)表看法，教師再依據(jù)學生的回答給予引導、點撥，再引導學生去歸納這個具體問題中所包含的一般原理。提問：被控對象是什么？控制的目的是什么？這種燈用在什么地方？環(huán)境怎樣？這樣的燈應如何工作？被控量和控制量分別是什么？有什么其他因素會干擾燈的正常工作？依據(jù)你的判斷，能提出一種設計方案嗎？1.控制系統(tǒng)設計的一般思路：控制系統(tǒng)設計明確控制的目的確定被控量、控制量分析被控對象的主要特性控制系統(tǒng)的調(diào)試 運行和評價分析主要的干擾因素控制系統(tǒng)方案的選擇系統(tǒng)的成本分析實施控制系統(tǒng)所需的設備、元件等針對教材中兩個關于開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的案例，要引導學生去應用控制系統(tǒng)設計的一般原理去認真分析。為配合課堂教學，應準備下列模型和教具：一只電吹風，抽水馬桶可透視模型。演示溫度計一只。案例：電吹風風速控制（1）被控對象是什么？（2）控制目的是什么？（3）被控量是什么？控制量是什么？（4）需要哪些零部件組成控制系統(tǒng)？（5）有哪些干擾因素會影響到控制系統(tǒng)的工作？影響的程度有多大？（6）你認為，控制系統(tǒng)各部件的設計還與什么有關?（還與結(jié)構(gòu)設計有關）1 開環(huán)控制系統(tǒng)的設計：明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量，即可考慮控制系統(tǒng)的方案；【演示試驗】電吹風控制系統(tǒng)的設計（圖：教材中的電吹風圖片）設計要求：電吹風能根據(jù)不同的擋位（如冷風擋、熱風擋）輸出不同種類的風。設計分析：電吹風控制系統(tǒng)的被控對象是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。電吹風分控制工作過程：電吹風是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。方案構(gòu)思：選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)電吹風的控制要求。設定風的擋位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。電機、風扇、電熱絲設定電吹風的擋位（輸入）風的速度和溫度（輸出）試驗過程：1.畫出電吹風的電路設計圖；2.選擇擋位打開開關演示電吹風的工作過程；3.知識延伸：如果設定了熱風擋之后又需要分強風擋和弱風擋如何進行設計。案例：抽水馬桶觀察模型的演示，閱讀教材，陳述其工作過程。提出下列問題：（1）被控對象是什么？（2）控制目的是什么？（3）被控量是什么？控制量是什么？（4）為什么采用閉環(huán)控制方式？（5）被控量與控制量之間是如何實現(xiàn)反饋的？（6）如果要節(jié)約用水，減少水箱每次沖水量，你能設計哪幾種方案？ 閉環(huán)控制系統(tǒng)：不同閉環(huán)控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)不同的控制目的，要求不一樣。 一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。 控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內(nèi)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設計設計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)設計要求：1、當水箱中的水位低與某一指定的高度時，進水口立即進水。2.當水箱中的水位高與某一指定的高度時，進水口立即停止進水。3.控制系統(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別的要求。設計分析：1.從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈曲線關系。3.主要干擾因素水水箱的流水量。方案構(gòu)思：采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱中的水位低與某一指定的高度時，出現(xiàn)了水位差（給定的水位高度與實際高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構(gòu)傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱中的水位高與某一指定的高度時，水位差為零，進水閥關閉。水箱水位的控制過程：撥動沖水旋扭，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。給定水位杠桿比較進水閥門水箱進水量水位檢測裝置課堂小結(jié)：一、控制系統(tǒng)設計的一般思路 系統(tǒng)要達到的目標？ 控制的對象？ 被控對象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干擾因素？ 怎樣的方案既達到目的、又經(jīng)濟、易于實現(xiàn)？ 設備和元件？1.選擇開環(huán)還是閉環(huán)要根據(jù)控制系統(tǒng)的精度要求和條件的可行性而定2.找出控制系統(tǒng)的干擾因素，并分清主次，找出最大的干擾因素3.要確定控制量和被控量4.執(zhí)行器和檢測裝置的選擇: 一是要根據(jù)控制量和被控量的需求，二是根據(jù)控制條件總之，控制系統(tǒng)設計需滿足的基本條件:能達到控制的目的采用易于實現(xiàn)的方式降低控制成本減少對環(huán)境的負面影響教學資料：1.控制的含義：人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發(fā)展。2.控制的分類：（1）從控制過程中人工干預的情形來分：人工控制、自動控制；（2）按照執(zhí)行部件的不同來分：機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。3.控制系統(tǒng)：（1）控制系統(tǒng)的含義：任何一個控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就構(gòu)成了一個系統(tǒng)。 （2）控制系統(tǒng)的分類：由于控制的方式不同，自動控制又有：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分。4.開環(huán)控制系統(tǒng)：（1）開環(huán)控制系統(tǒng)含義：控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）控制系統(tǒng)方框圖：在控制系統(tǒng)中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號線表示系統(tǒng)信號傳遞的方向，它表示了系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關系。（3）開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：控制器執(zhí)行器被控對象控制量輸入量輸出量5.閉環(huán)控制系統(tǒng)：（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)含義：我們把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖：控制器執(zhí)行器被控對象控制量輸入量輸出量檢測裝置6.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稱為干擾因素。7.反饋的涵義：控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置返回輸入端與輸入量進行比較的過程。8.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較： 開環(huán)控制系統(tǒng)：控制精度相對比較低，結(jié)構(gòu)簡單，適用與控制精度要求不高而系統(tǒng)本身元件又比較穩(wěn)定的場合。 閉環(huán)控制系統(tǒng)：控制精度高，結(jié)構(gòu)相對復雜，構(gòu)成控制系統(tǒng)的成本較高，適用與要求高精度和高可靠性的場合。9.不同閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本要求： 一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。 控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內(nèi)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。第2課時：自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。加2個課外課時，實施控制系統(tǒng)設計的實踐。事實上，這個案例是在教材P112案例所述一般原理基礎上，一個具體實施案例。我們不妨進一步向?qū)W生提出：除了教材上這樣的控制方案，你們還能提出與教材不同的控制方案嗎？這樣的問題對學生來說是具有挑戰(zhàn)性的。一個值得注意的問題：自動控制一定是閉環(huán)控制嗎？閉環(huán)控制一定是自動控制嗎？鬧鐘自動控制系統(tǒng)就不是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本要求系統(tǒng)必須是穩(wěn)定性的；（抗干擾性）達到所需的控制精度；各個環(huán)節(jié)的設計科學合理。自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。（1）明確設計的要求，明確控制系統(tǒng)設計所要達到的目標。（2）提出多個設計方案，進行分析、權(quán)衡、比較，確定一個相對較好方案。（3）動手安裝、調(diào)試升旗控制系統(tǒng)（4）撰寫試驗報告，自我評價和小結(jié)1.自動升旗簡易裝置的設計設計要求：(1)在國歌播放的時間內(nèi)，控制國旗勻速上升到旗桿的頂端；(2)選擇恰當?shù)目刂品桨笇崿F(xiàn)控制；(3)選用成本低、易于獲取的元件、設備和材料制作模型。設計分析：(1)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉(zhuǎn)動與停止（或速度）開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：定時裝置電動機滑輪、國旗定時時間升旗速度(2)這一開環(huán)控制系統(tǒng)由計時裝置和控制升旗的裝置共同組成；(3)計時裝置和控制升旗裝置的實現(xiàn)可以有多種方案，例如，采用機械定時器和電動機實現(xiàn)，采用成品電子定時器和電動機實現(xiàn)，采用自制電子定時器和帶可調(diào)速電路的電動機實現(xiàn)，采用音頻信號、觸發(fā)電路和電動機實現(xiàn)。(4)采用任何一種方案實現(xiàn)，都要經(jīng)過若干次調(diào)試，直到符合設計要求為止。設計準備：機械定時器（或電子定時器、自制電子定時器、CD唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機調(diào)速器，直流電源。設計方案A：1.采用機械定時器、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現(xiàn)。其中機械定時器相當于電動機的開關。2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)時間、旗桿長度和電動的轉(zhuǎn)速，選擇滑輪的直徑。3.將機械定時器、直流電源和電動機串聯(lián)在一個回路中。4.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動機械定時器，電動機開始轉(zhuǎn)動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉(zhuǎn)動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調(diào)整滑輪的直徑，直到符合要求。5.為使系統(tǒng)在非正常狀態(tài)下保證旗幟的升降，還需要在電路中并聯(lián)一個手動開關，當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，使用手動開關直接控制電動機的轉(zhuǎn)動與停止。機械定時器靠手動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)定時，定時的精確度略低，但只要細心操作可以滿足要求的。方案B：采用成品的電子定時器、直流電動機、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現(xiàn)。用電子定時器代替機械定時器，其他步驟參照方案A。電子定時器比機械定時器的定時精確度高，所以對操作者的要求相對低一些。方案C：1.采用成品的電子定時器、帶有可調(diào)速電路的電動機、直流電源、滑輪等元件實現(xiàn)。2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)時間、旗桿長度和電動的轉(zhuǎn)速，選擇滑輪的直徑。3.將自制的電子定時器、直流電源和電動機串聯(lián)在一個回路中。其中，自制的電子定時器可根據(jù)學校實驗室現(xiàn)有的元件、設備和已知電路進行制作，如可用555時基電路制作定時器，通過定時器控制的繼電器來控制電動機的轉(zhuǎn)動與停止；采用TWH8752開關電路制作電動機的可調(diào)速電路。4.在調(diào)速電路中并聯(lián)一個手動按鈕SW2，用于在出現(xiàn)故障時能升降旗幟。5.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動自制的電子定時器，電動機開始轉(zhuǎn)動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉(zhuǎn)動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調(diào)整滑輪的直徑，直到符合要求。（自動升旗簡易控制裝置電路圖）方案D：1.采用CD 唱機（含有觸發(fā)電路）、電動機、直流電源、滑輪等元件實現(xiàn)。2.測得國歌播放時間和旗桿長度，預估電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)時間、旗桿長度和電動的轉(zhuǎn)速，選擇滑輪的直徑。3.從CD唱機中引出音頻信號，將CD唱機（含有觸發(fā)電路）、電動機、直流電源串聯(lián)在電路中。4.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。當啟動CD唱機播放國歌時，音頻信號觸發(fā)電路帶動電動機轉(zhuǎn)動，使滑輪運動，國旗勻速上升；當國歌播放結(jié)束、沒有音頻信號時，電動機停止轉(zhuǎn)動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調(diào)整滑輪的直徑，直到符合要求。5.在啟停電動機的電路中并聯(lián)一個手動按鈕SW2，用于在出現(xiàn)故障時能升降旗幟。這一方案的特點是，不需要外加定時器，而用音頻信號直接控制電動機，減少了時間上的誤差。作業(yè)：1.以前學校的大門是對開的，現(xiàn)在很多學校的門都改為電動門，但是這種門操作過于呆板，大門在關閉過程中有人通過時，容易夾傷行人，請同學們就我們所學習技術(shù)與設計的知識分析電動門的設計，并能夠提出改進方案。2.有位科學家，為了促使迷上電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”女兒必須騎上自行車不停地踩腳蹬，才能驅(qū)動發(fā)電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。請你根據(jù)已學的技術(shù)與設計的知識，畫出“自行車發(fā)電電視機”這一過程的方框土，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術(shù)和原理。3.設計并制作水車控制裝置的模型。利用流動的水沖擊水車，以控制不同的機械裝置而產(chǎn)生動作。第3課時：自動升旗簡易控制裝置的設計與實施評價和總結(jié)。（1）方案實施：自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。（2）交流與評價：撰寫試驗報告，自我評價和小結(jié)；小組自評；展示成果，學生將本組的作品展示給全班同學，其他同學可以提出自己的改進意見。作業(yè)：1.在賓館的房間天花板上都有一個自動滅火裝置，當室內(nèi)煙霧的濃度過高時，該裝置會自動噴水，起到降溫滅火的作用，請你根據(jù)這一裝置，設計自動滅火裝置的模型。2.請對太陽能熱水器進行分析：（1）一般家用太陽能熱水器水溫控制是如何實現(xiàn)的？（2）有的賓館使用多臺熱水器串聯(lián)來集中供水，當水溫過低是，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統(tǒng)的方框圖，并說明其工作過程。3.設計并制作可伸縮的晾衣控制裝置。利用手搖裝置或電動裝置將晾衣繩連同衣物移到室外，下雨時將它整體收回到室內(nèi)。八、教學反思學生要對生活中的一些系統(tǒng)進行分析，思考，并能收集一些設備的工作原理，只有在掌握了大量的系統(tǒng)的工作原理，占有大量的資料的前提下，才能對系統(tǒng)進行分析，畫出方框圖，才能對其設計有一定的了解。通過一些具體的生活實例導入有關控制的設計方法，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，由易到難，在學生自己設計的過程中達到突破難點，實現(xiàn)教學目標的目的，符合新課程理念的要求。以貼近學生生活實際的典型案例為載體，幫助學生在快樂、輕松的氛圍中掌握知識，體現(xiàn)老師的引導作用。以學生為主體，讓學生進行設計，改進身邊的一些控制系統(tǒng)，理論與實踐相結(jié)合，以問題為引領，在師生互動的課程理念的設計上都有較好的亮點，還應注意及時反饋。