资源简介

控制系统的设计与实施
一、教学目标
知识与技能：1.了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。
2.能根据开环控制系统的设计方法，或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
过程与方法：通过对电吹风和抽水马桶案例的分析，掌握形成初步的控制系统设计方案的思想方法。
情感态度与价值观：通过自动升旗简易控制装置的设计，培养不断改进设计方案的意识，体验控制的乐趣。
二、教学重难点
教学重点：设计一个控制系统应明确的问题；对控制系统的基本要求；控制系统设计的思想方法
教学难点：设计一个控制系统应明确的问题的分析；控制系统设计思想方法
三、教学方法与手段
教学方法：案例教学法、亲身体验法
教学手段：通过对学生生活中熟悉的案例的分析，使学生形成初步的控制系统设计的思想方法，在学生自己制作的过程中达到突破难点，实现教学目标。
4、 教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 媒体运用 设计意图
第一课时直接引入（1分钟） 在日常生活中，控制具有十分重要的意义，我们今天从实际应用出发，学习几个简单的控制系统设计。 认真听讲打开书本 直接引入题目，便于学生积极思考。
开环控制系统的设计（15分钟） 【案例分析】电吹风控制系统的设计与学生一起分析，这个系统要达到的目的是什么？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？被控量和控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？设计要求：电吹风能根据不同档位输出不同种类的风.设计分析：被控对象——电吹风；被控量——风的速度和温度；控制量——电机的电压；干扰因素——房间温度、电源电压的波动……工作过程：电吹风将其内部电热丝的热量通过一个小风扇扩散出去方框图: 【讨论】普通电风扇控制系统的设 教师引导学生参与讨论电吹风控制系统的设计同组学生讨论电风扇控制系统的设计 幻灯片 通过现实生活中的案例，使学生体会控制系统设计的一般思路，激发学生的好奇心和主动学习的欲望。加深对控制系统设计的一般思路的理解
闭环控制系统的设计（17分钟） 【案例分析】抽水马桶水箱的自动控制系统的设计与学生一起分析，这个系统要达到的目的是什么？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？被控量和控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？设计要求：1.当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。2.当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。设计分析：根据设计要求，选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱被控量是抽水马桶水箱水位的高度控制量是进水管的水流量（即进水量）主要干扰因素是水箱的出水流量。方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于某个高度时，出现了水位差，这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。方框图：【讨论】在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？闭环控制系统的基本要求：1、闭环控制系统必须是稳定的；2、系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内；3、要有较好的抗干扰性能； 理解抽水马桶水箱自动控制系统的设计、参与讨论问题同组同学讨论 这个控制系统，学生都有使用的经验，拿出来加以分析，学生更容易理解。通过讨论活动，加深对这个控制系统的理解
控制系统设计的一般思路（10分钟） 【教师】接下来请同学们以小组为单位，来讨论并总结一下控制系统设计的一般思路。控制系统设计的一般思路： 1、系统要达到的目的？ 2、所要控制的对象、被控对象的特性？（被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式。）3、被控量和控制量？（被控量和控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量。）4、外界的主要干扰因素？（一个控制系统中可能同时存在若干个干扰因素，需要分清主次，找出对系统影响最大的干扰因素。）5、怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？（为达到实现控制的目的，应采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等）6、如何选择设备和元件？（注意在选择元器件时要优先考虑标准件的使用）明确了以上问题之后：（1）要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。（2）画出控制系统方框图。（3）画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸，撰写设计说明书等。 学生讨论并归纳控制系统设计的一般思路 学生通过前面两个案例的分析，对设计控制系统所要明确的问题已经有所了解，再讨论归纳从而加深对知识点的理解
小结（2分钟） 教师引导 学生归纳、整理本课内容 巩固本节课内容
作业 画自行车发电看电视的方框图并分析其中的技术和原理
第二课时复习导入案例分析 二、控制系统的设计与实施案例我们了解了控制系统设计的一般思路，我们一起来回忆一下。下面我们一起来分析和了解控制系统的设计与实施案例【案例分析】自动升旗简易控制装置的设计针对设计要求进行设计分析，再分析各方案的特点，然后选出较容易实现的方案，绘制控制系统方框图，并完成设计，最后展示评价。 学生回答阅读案例积极思考完成设计 复习控制系统设计的一般思路培养学生形成多种控制方案的意识，同时体会控制
5、 教学流程图
新课引入——开环控制系统的设计——闭环控制系统的设计——控制系统设计的一般思路——自动升旗简易控制装置的设计
6、 教学反思
通过一些具体的生活实例导入有关控制的设计方法，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，由易到难，在学生自己设计的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的(共31张PPT)
第四单元 控制与设计
第四节 控制系统的设计与实施
《控制系统的设计与实施》是控制与设计全单元教学内容的综合和总结，也是控制思想方法的集中体现。这一节的教学不仅需要学生对开环控制系统和闭环控制系统的工作过程和工作原理有较好的了解，还需要熟悉控制系统的组成和各环节的作用。因此，在整个单元中本节的教学具有总结、巩固和提高的作用。
教材分析
教学目标
知识与技能：1.了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。
2.能根据开环控制系统的设计方法，或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
过程与方法：通过对电吹风和抽水马桶案例的分析，掌握形成初步的控制系统设计方案的思想方法。
情感态度与价值观：通过自动升旗简易控制装置的设计，培养不断改进设计方案的意识，体验控制的乐趣。
重点和难点
重点：设计一个控制系统应明确的问题；对控制系统的基本要求； 控制系统设计的思想方法。
难点：设计一个控制系统应明确的问题的 分析；控制系统设计思想方法。
经过前面内容的学习，学生比较清楚控制系统中的各个组成环节，对于一些简单的控制已经能画出方框图，但是在专业知识方面还是比较欠缺，所以很难形成完整的设计方案，特别是在课堂上制作出实际的控制装置更为困难。
学情分析
主要通过案例分析的方法联系生活实际展开教学
教学方法
教学过程
直接引入
2
开环控制系统的设计(电吹风）
控制系统设计的一般思路
升旗简易控制装置的设计
1
2
闭环控制系统的设计（抽水马桶水箱)
3
4
5
（一）开环控制系统的设计
【案例分析】电吹风控制系统的设计
系统目的：根据不同档位输出不同种类的风
被控对象：
被控量：
控制量：
干扰因素：
电吹风
风的速度和温度
电机电压
房间温度、电压电压的波动
（一）开环控制系统的设计
控制工作过程：
电吹风将其内部电热丝的热量通过一个小风扇扩散出去
设定电吹风的挡位
（输入）
电机、风扇、电热丝
风的速度和温度
（输出）
讨论：普通电风扇控制系统的设计
（一）开环控制系统的设计
被控对象：
被控量：
控制量：
电风扇
电风扇输出的风速
电动机的转速
（二）闭环控制系统的设计
【案例分析】抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。
设计要求：
当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。
当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。
设计分析：
根据设计要求，选择闭环控制系统。
被控对象:
被控量:
控制量:
主要干扰因素:
（二）闭环控制系统的设计
抽水马桶的水箱
抽水马桶水箱水位的高度
进水管的水流量（即进水量）
水箱的出水流量。
（二）闭环控制系统的设计
方案构思：
水位高度的检测装置——浮球
当水箱的水位低于某个高度时，出现了水位差，这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；
当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。
给定水位
（设定值）
杠杆
(控制器）
进水阀门
(执行器）
浮球
(检测装置）
水箱
(被控对象）
进水量
水箱水位
（被控量）
﹢
﹣
在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？
（二）闭环控制系统的设计
（二）闭环控制系统的设计
闭环控制系统的要求：
(1)系统必须是稳定的。一是工作时要稳定，二是干扰出现时要稳定，这个稳定是通过调节而出现的稳定。
(2)控制精度要符合要求,即系统的输出值与给定值之差应控制在允许的范围之内。
(3)有较好的抗干扰性能。
控制系统的设计
设备、元件等
控制系统的方案选择
分析被控对象的主要特征
明确控制的目的
确定被控量、控制量
分析主要的干扰因素
。。。 。。。
一、控制系统设计的一般思路
在控制系统的设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式（暗箱方法）。
分析被控对象的主要特性
确定被控量、控制量
被控量和控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量。
分析主要的干扰因素
一个控制系统中可能同时存在若干个干扰因素，需要分清主次，找出对系统影响最大的干扰因素。
控制系统的方案选择
为达到实现控制的目的，应采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等 。
（1）要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现最终所要达到的目的。
（2）画出控制系统方框图。
（3）画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸，撰写设计说明书等。
明确了以上问题之后：
作业：
画出“自行车——发电——电视机”这一过程的方框图
分析其中的技术和原理
二、控制系统的设计与实施案例
【案例分析】升旗简易控制装置的设计
设计要求：
在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端。
选择适当的控制方案实现控制。
选用成本低，易于获取的元件、设备和材料。
二、控制系统的设计与实施案例
设计分析：
采用开环控制系统
被控对象：国旗
被控量：上升的速度
控制量：电动机的转动与停止（或速度）
二、控制系统的设计与实施案例
二、控制系统的设计与实施案例
提出方案：（方案A）
1、采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中，机械定时器相当于
电动机的开关。
2、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。
根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。
3、将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。
方案A的特点：
在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高,但启动时不容易同步。
二、控制系统的设计与实施案例
提出方案：（方案B）
1、采用成品的电子定时器、直流电源、滑轮等元器件实现。
2、用电子定时器代替机械定时器，其他与方案A相同。
特点：此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精度较高。
二、控制系统的设计与实施案例
提出方案：（方案C）
1、采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。
2、将自制的电子定时器、直流电源和带有可调速电路的电动机串联在一个回路中。
特点：可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的知识，比较费时，课时难以保证。
二、控制系统的设计与实施案例
提出方案（方案D）
1、采用CＤ唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元器件和设备。
２、从CD唱机中引出音频信号，将ＣＤ唱机（含有触发电路）、直流电源和电动机串联在电路中。
特点：不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，能减少时间上的误差。
二、控制系统的设计与实施案例
1
、采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中，机械定时器相当于
电动机的开关。

2
、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。
根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。

3
、将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。

定时时间
（输入量）
定时装置
（控制器）
电动机
（执行器）
滑轮国旗
（被控对象）
升旗速度
（输出量）
转动
控制系统设计框图：
你认为哪种方案最容易实现？
方案A
二、控制系统的设计与实施案例
小组合作，组装机械传动部分，连接控制电路，调试升旗速度

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