资源简介

通用技术 必修 技术与设计2
第四章　控制及其设计
第一节　了解控制
教学背景
党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。
通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。
教学目标：
理解控制、控制系统的含义及其在生活和生产中的应用。
了解手动控制、自动控制和智能控制的特点。
熟悉什么是开环控制、什么是闭环控制，并能够进行简单区分。
经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。
教材分析
本节内容相比于结构，流程与系统，具有一定的独立性;而控制环节的设计与改进，反馈条件的应用等，又与其他章节又有一定的关联性，也是对流程与系统的延伸与拓展，是深入学习设计控制系统的基础，是巩固学科核心素养的保障。
学情分析:
通过这一段时间的学习，学生对于控制的实践领域并不陌生，但对于理论层面的抽象认知和系统概括还有一定的提升空间。
教学重难点:
重点:理解控制的含义，知道常见控制类型有手动控制、自动控制、智能控制、开环控制、闭环控制等。
难点:开环控制、闭环控制的区分。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习通用技术 必修 技术与设计2第四章控制及其设计
第一节了解控制。
控制是一门综合性学科，控制和控制系统在人们的生活和生产中有广泛的应用，学习控制及其设计的知识，了解不同种类的控制，理解控制系统中控制的目标、控制的过程和控制的机制等，有助于发展我们良好的逻辑思维及运用控制方法解决实际问题的能力。
北京时间2022年10月31日15时37分，梦天实验舱由长征五号B运载火静在我国文昌航天发射场成功发射。梦天实验舱成功进入400km的预定领道后，成功与空间站组合体完成交会对接，然后进行转位，与天和核心舱、问天实验舱一起形成三舱结构的“T”字基本构型空间站，标志着我国空间站基本构型在轨组装完成，向着建成空间站的目标迈出了关键一步。
梦天实验舱此次转位过程包括转位准备、两舱分离、舱体转位、侧向捕获以及转位后的状态恢复等几个阶段，在浩瀚的太空，完成这一系列动作的关键就是精确的控制。
导学思考
什么是控制 控制的目的是什么
一、控制
控制技术及其组成的系统在我们的生活中普遍存在，它们为人们的美好生活和高效工作提供了便利。
实践
一个简易的磁控系统
体验目的
体验控制技术的神奇，感受控制技术广泛的应用领域。
材料准备
所需材料如图4-2所示。
电池接线端、9V电池、干黄管、发光二极管、小磁铁、电阻、方能板、导线。
实验工具
电烙铁，焊接锡丝
实验步骤
接图4-3将元器件焊接在万能板上，然后用小磁铁靠近干黄管，观察发光二极管的变化。
讨论
1.如果将本实验改为一个电风扇的控制电路，你认为应该怎祥改
2.该实验可否改为房门或窗户的开关报警电路
3.查阅资料，了解干黄管的多种应用，体会电子控制技术的丰富多彩。
控制并不只出现在高精尖的应用上，我们经常可以听到“控制情绪”“控制温度”“控制速度”等说法。在日常生活中，我们都在有意或无意地进行着控制：骑自行车时，如果车速太快，我们会刹车使车速慢下来（图4-5):；当室内温度太高时，我们可以打开空调，使室温变得更加舒适（图4-6) 等。
实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这样根据自己的目的，通过一定的方法使事物向着期望的目标发展，就形成了控制。
人类利用控制技术为自身服务已有很长的历史。例如，古老的辘轳(图4-7)和操控它的人构成一个控制系统，它在人的操控下可将水从水井里提升上来。
在现代社会的生产和生活中，控制无处不在，并在各行各业中发挥着巨大的作用(图4-8至图4-11)。
射箭是一项既古老又现代的体育运动（图4-12)。射箭时，运动员的脑子里会确定期望的目标（靶心)，然后根据场地的情况及自己的经验，通过手臂控制弓箭，将箭射出。
1.射出的箭能否等在靶心，主要取决于哪些因素
2.射箭时，风是否会对箭的飞行造成干扰
案例
1.电饭煲的工作原理是煮饭开关被按下时，衔铁被顶上移，在较强的磁力作用下，衔铁与感温磁钢吸合，联动杠杆的触头开关闭合，电源与电热盘连接，开始对食物加热。当电饭煲内的水蒸发掉，锅底的温度为( 103±2)°C时磁钢的吸引力退速减弱，当衔铁受到磁钢的吸引力小于弹簧所给的弹力时，衔铁就会被弹簧推开，并在重力的共同作用下往下掉，进而推动杠杆逆时针转动，这时顶在触头开关下的弹簧片下移，使弹簧片上的触头断开，电源与发热盘的连接断开，电饭煲完成煮饭。
2.控制技术在军事上也有着广泛的应用。图4-14是一种红外制导的导弹。所谓红外制导就是对目标辐射的红外线进行跟踪和测量，控制导弹飞向目标的技术。导弹上的红外位标器(导引头）接收目标辐射的红外线，经信息处理后得出目标的位置与参数信号，控制导弹飞向目标。
立即行动
1.在射箭和红外制导导弹的例子中，都涉及命中目标。从控制的角度着，你认为哪个命中目标的概率更大，为什么
2.列举一些关于控制的例子，指述它们的控制过程。
二、手动控制
如果控制的过程都必频在人的直接成间接干预下才能完成控制任务（如射箭、鼠标控制等），我们称之为手动控制。
手动控制是我们最常用的一种控制方式，它的特点是结构相对简单，成本也较低。由于手动控制需要人直接或间接干预，所以控制的效果往往与控制者的技能高低、心理状态、生理状态、外部环境等因素有较大的关系。但由于人的高度智能，手动控制又能完成很多其他控制方式不能完成或很难完成的任务，如在复杂环境下汽车、飞机的驾驶等。
立即行动
1.请列举生活中关于手动控制的应用案例。
2.自动感应水龙头是当人手靠近时才会自动出水的，所以属于手动控制。你认为这种说法对吗 为什么
三、自动控制
如果控制过程不需要人的干顶，此能达到期望的控制效果，则称为自动控制。
红外制导导弹和电冰箱的温度控制，都属于自动控制系统。
自动控制的过程不需要人的干预，可以代替人们完成很多工作，从而减轻人们的劳动强度，所以自动控制系统被广泛应用在人们的日常生活中，如扫地机器人、全自动洗衣机(图4-16)等。但自动控制系统的结构往往比较复杂，同时由于人类科学知识和技术水平的局限性，一些复杂的控制也很难完全由机器完成。
立即行动
1.你认为目前哪些控制行为很难由机器自动完成
2.电梯到达楼层的设定基本要由人来操作，所以电梯的控制属于手动控制，你认为正确吗 为什么
3.参照表4-1第1项的表述，写出表中其他控制的方式。
表4-1 控制及其方式
序号 控制 控制的方式
1 抽水马桶的进水控制 自动控制
2 电冰箱的温度控制
3 变地自行车的速度控制
4 电视机的遥控系统
5 教穿墙上的电灯控制
6 电饭保的温度控制
四、智能控制
智能控制的定义有很多种，其中一种观点认为智能控制是类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制。智能控制是控制技术与理论发展的高级阶段，主要用来解决那些在复杂系统中用传统方法难以解决的控制问题。这些向题的求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。
案例
自动驾驶汽车，又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车或轮式移动机器人，是一种通过计算机系统实现无人驾驶的智能控制系统（图4-17）。自动驾驶汽车技术的研发，在20世纪已经有数十年的历史，于21世纪初呈现出接近实用化的趋势，自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让计算机可以在没有人的主动操作下，自动安全地操控机动车辆。
立即行动
1.上网搜索有关智能控制的进展及其涉及的学科。
2.机器人是一个复杂的控制系统，随着计算机技术、人工智能科学的发展，机器人的功能将越来越强大，你对未来的机器人有什么看法呢
五、开环控制和闭环控制
同学们可能都玩过“画鼻子”游戏（如图4-18） ，参加游戏的同学需要在画像前几米的地方蒙着眼睛，然后走近画像，用手中的笔为画像画上鼻子。
这个游戏过程实际上就是一个控制的过程。在游戏中，如果不蒙住双眼，我们就可以通过眼睛随时将自己的行走路线和手的位置反馈给大脑，大脑将希望的结果与实际情况进行比较，如有偏差，便调整手脚的动作及时纠正，所以很容易画得准确。而蒙住双眼，我们就不能将前进路线和手的位置反馈给大脑，想把鼻子画在准确位置上就非常困难。
能将控制的结果反馈回来与期望值进行比较，并根据它们的误差调整控制作用的控制过程，称为闭环控制。而不能将控制的结果反馈回来影响控制作用的控制过程，称为开环控制。将控制结果反馈回来的部分，称为反馈环节。
案例
1.我们在使用计算机时，通常用鼠标进行操作，我们利用眼睛观察鼠标的光标，根据实际需要，通过控制鼠标的移动将光标移到相应位置。
2.我国的北斗定位系统和全球卫星定位系统GPS（Global Positioning System） 都能提供精确的地理位置信息，在航海、航空和城市交通中有着广泛的应用。如果开车前往一个不熟悉路线的地方，利用北斗定位系统或GPS导航，就可以相对容易地到达目的地。
立即行动
1.根据开环控制和闭环控制的定义，指出控制鼠标，红外制导和单次射箭分别属于哪类控制，它们的反馈环节是由什么组成的
2.在人类活动中有很多控制行为，举出分别以眼、耳、鼻、皮肤（触觉）为反馈环节的控制例子。
3.有人说，在射箭时，箭射出后，射箭者的眼晴可以将箭的飞行路线反馈给大脑，所以射箭的过程属于闭环控制，这种说法对吗 为什么
4.分别列举几个开环控制和闭环控制的例子，并比较它们的优缺点。
5.闭环控制都是自动控制吗 请举例说明。
6.手动控制都是开环控制吗 请举例说明。
闭环控制过程中由于能对控制进行不断纠正，所以一般能够得到较好的控制效果。但闭环控制中存在反馈环节以及要进行反馈量与期望值的比较运算，所以结构较为复杂，成本也较高。当对控制的精度要求不高或组成系统的器件稳定性较高时，采用开环控制也能得到预期的效果。如家用电风扇的转速控制、房间电灯开关的控制等，都属于开环控制。
知识窗
喷墨打印机中打印头的位移控制
打印机( 图4-22)可以打印出精美的图文，是由打印头在打印过程中不断移动而将图文一点点“描绘”出来的。可见，确保打印头在打印过积中精确地移动至关重要。驱动打印头移动的是一种称为步进电机的器件，这种电机每输入一个脉冲信号，它就精确地转动一个固定的角度，通过相应的转动装置，可使打印头做精确的位移。步进电机在绘图仪、机器人、数控设备等方面市有广泛的应用。
由于步进电机的转动角度与输入的脉冲数有精确的对应关系，在确定了步进电机的初始位置后，不需要反馈环节也能获得精确的控制效果。
讨论、思考、形成小论文。
每位同学组织一篇小作文，可以从不同的方面进行展开。
完成后，与同学们进行讨论、分享。
课后作业
1.工业革命和控制技术有什么关系？请查阅相关资料，谈谈你的看法。
2.什么是智能控制 请举例说明。
3.自动控制一定是闭环控制吗 请举例说明。
4.如果将射箭训练及比赛作为一个控制过程，从控制技术的角度分析这个过程是属于开环控制还是闭环控制，并说明原因。

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