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
第二节 控制系统的组成和描述
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：
熟悉简单开环控制、闭环控制的基本组成和工作过程，了解反馈的基本原理。
理解控制系统中控制器、执行器和被控对象等的作用，能用方框图对一个控制系统进行表达，
能够分析简单的被控对象的基本特征，确定被控量、控制量。
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
通过对第一节的学习，我们已经了解了手动控制、自动控制、智能控制、开环控制和闭环控制的基本概念，本节主要是把各种形式的控制系统的结构组成进行描述，从而概括出控制系统由控制器、执行器、被控对象、控制量、被控量、反馈环节等这些环节组成，用方框图的形式把开环控制系统和闭环控制系统表述出来。
学情分析:
学生在前面的学习中已经了解了控制的应用，初步认识了开环控制系统和闭环控制系统。但是学生仍缺乏从技术上辨析开环控制系统和闭环控制系统的能力。对一个具体控制案例，很难准确判定控制器执行器和被控对象等环节。
教学重难点:
重点:理解控制器、执行器、控制量、被控对象、被控量。
难点:确定控制器、执行器、被控对象。
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
第二节控制系统的组成和描述。
对卫星进行控制的任务是由测控站完成的，测控站直接对卫星等航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等，它将接收到的测量、遥测信息传送给航天控制中心，根据航天控制中心的指令与航天器通信，并配合控制中心完成对它们的控制。除此之外，测控站也可根据设定的程序独立实施对航天器的控制。
测控站的设备包括外测系统、遥测系统、遥控系统、通信系统、电视系统、时间统一系统、计算机系统以及其他辅助设备等。可见，对卫星等航天器的控制是由一个非常庞大的控制系统完成的。
其实，我们的生活中也存在很多不同的控制系统，不同的控制系统有不同的组成、结构和控制过程，以达到不同的控制目的，如电灯控制系统、交通控制系统等。
导学思考
测控站控制系统由哪些部分组成 它是如何工作的 你能按照绘制流程图的方法对测控站控制系统进行表达吗
一、控制系统的组成
一个控制过程的实现，往往要经过若干个环节，这些环节构成了一个系统，所以我们可以把它看作一个控制系统。
通过前面的学习，我们知道控制系统是多种多样的。为了方便对控制系统进行分析和描述，可用方框图的形式描述一个控制系统。在单次射箭和骑自行车的例子中，如果将人也看作系统中的一部分，则可分别用图4-3、图4-24描述它们的控制过程。
在图4-24中:
期望值（即基准量，又叫给定量）——道路的方向
大脑——比较器和控制器
肢体——执行器
自行车（主要是指车头）——被控对象
行驶方向——被控量
眼睛（包括神经传输系统）——反馈环节
比较图4-23和图4-24可以发现，后者在结构形式上比前者多了一个将实际行驶方向反馈到输入端的反馈环节，即人的眼睛。正是由于有了眼睛这个反馈环节，才能保证骑车人使自行车始终行驶在正确的道路上。由于反馈环节的存在，使图4-24在信号的流动上形成一个闭合回路，这也是该类控制被称为闭环控制的原因，反馈环节是闭环控制的必要条件。
图4-23和图4-24都是对一个具体的控制实例进行的描述。控制系统具有多样性，如果将每个控制系统都用这样的方法来描述，每个方框图的具体内容会有很大的不同，这会给人们分析和描述控制系统带来很多不便。能不能用一种更统一的形式表示各种控制系统呢
立即行动
如果将你的身体看成是一个控制系统，在你从书架上章一本书的过程中，身体各部位分别发挥了什么作用（表4-2） 如果还需要去搬一张凳子，结论会有什么变化
表-2 拿书时与身体各部位的作用
控制系统 发挥对应作用的身体部位
发出命令
执行命令
控制的作用对象
反馈环节
在工程领域，控制系统的控制过程与人进行控制的过程是相似的。两者都有控制指令的发出者、控制指令的执行者，如果是闭环控制，则还存在反馈环节。可见不管控制系统的目的有多么不同，它们的基本架构是相似的，因此我们引入了控制器、控制量、被控对象、被控量等概念。
在图4-23和图4-24中，人的大脑都是控制命令（信号）的发出者，我们将这一部分称为控制系统的控制器。
控制系统都有确定的控制目的。骑自行车要控制的是自行车的前进方向；射箭的目的是控制箭飞向我们期望的落点。所以自行车的行驶方向、箭的落点就是这两个控制系统中的被控量。
自行车在前进过程中由于路况等因素的变化，其方向是不断变化的，要使自行车按照期望的方向前进，需要对自行车进行控制；而在射箭的例子中，箭的落点是通过对箭的控制来实现的。自行车和箭就是这两个控制系统中的被控对象。
很多时候控制器发出的命令并不能直接对被控对象产生影响。如在骑自行车和射箭的过程中，大脑发出的生物信号，并不能直接影响自行车或箭的状态。在射箭中要通过肢体和弓去控制箭，在骑自行车时要通过肢体去控制自行车。这种将控制器发出的信号转换成能影响被控对象的信号的装置，称为执行器。图4-23和图4-24中，人的肢体和弓就是其行器。
执行器能够控制自行车和箭的状态，实际上是对它们施加了一定的力。这种能对被控对象产生作用，从而使被控量发生变化的量，称为控制量。
立即行动
根据你对控制系统的认识，填写表4-3。
表4-3 分析控制系统
控制系统 期望值 控制器 被控量 被控对象 控型量 反馈环节
抽水马桶中的水位控到
电风扇机械定时开关控制
路灯黑夜/白天自动开关控制
电冰箱恒定温度控制
二、控制系统的方框图表示
当我们了解了控制系统的控制器、控制量、被控对象、被控量、反馈环节等概念后，就可以将图1-22和图1-24用更具一般性的方式表示为图4-25和图4-26的形式。有时一个控制系统不一定能相对独立地在结构形式上分出控制器、执行器，比较器等部分，也就是说控制器，执行器，比较器有时是合在一起的。
图4-25和图4-26是控制系统的方框图表示形式，是各种控制行为的一种抽象表述，适用于各种控制系统。
立即行动
目前，自动感应门（图4-27）的使用已经非常普遍。自动感应门本身配置的感应探头通过红外线信号或者微波信号来感应是否有人靠近。当感应到有人靠近时，门会自动打开，感应到人离开后，门又会自动关闭。
请写出自动感应门控制系统的控制器、执行器和被控对象，并画出该控制系统的方框图。
知识窗
计算机控制系统
计算机控制系统是融合计算机投术与工业过程控制为一体的综合性技术。在计算机控制系统中，控制器都是由计算机担任的。计算机控制系统有许多优点：可通过对计算机程序的设计，方便地实现各种控制算法；利用数字信号处理技术，可以大大提高测量环节的灵敬度，使系统可以感知更微弱的信号变化；利用计算机的高速运算能力，系统的响应将更加迅速；可以同时处理多路信号。所以利用计算机可以实现更为复杂的控制系统，当然，并不是只有大型系统才使用计算机控制技术，其实小到电子玩具，我们也可以看到计算机控制的身影。
模糊控制
1965年，一位名叫查德（L. A. Zadeh）的美国工程院院士、著名控制论专家（图4-28）提出了“模糊逻辑”理论，它不是对事物作简单的肯定或否定，而是用从属程度来表示不精确的值（概念）。模糊逻辑很接近人对一些事物的感受，例如对“高温”这个概念，37°C应算高温，所以对高温的从属程度为1；而18°C不能算高温，所以对高温的从属程度为0；28°C不高也不低，对高温的从属程度可定为0.4；35°C接近高温，对高温的从属都度可能为0.8。
把模湖逻辑用在控制上，就是模糊控制。模糊洗衣机能模拟人的直觉实现判断，确定洗涤时间；模糊空调更能善解人意，它能测出房间的大小，室内外温度、湿度的变化，决定工作的停启时间，使室内保持舒适的温度，而且它的耗电量更低。另外还有能根据地面灰尘多少而自动确定吸力大小的模糊吸尘器，能根据米量和水量自动确定煮饭的功率和时间的模潮电饭煲等，能根据洗碗槽内装有多少碗碟和油污程度自动确定洗涤水量和时间的模糊洗碗机等。
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.很多停车场都设有汽车道闸装置，常见的有取卡进场、刷卡进场和车牌自动识别进场三种模式，请揣述这三种进场模式的工作流程，画出它们的控制框图，并说明它们的控制类型。

展开更多......

收起↑