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4.2控制系统的工作过程与方式（一）
【教材分析】：本节课是普通高中通用技术苏教版《技术与设计2》第四单元第二节的内容。安排在学生学习了控制的手段与应用之后，是对控制的进一步的学习，在这本节内容中总结出控制系统的一般性方法，让学生对控制系统有更进一步的了解。这部分知识在日常生活生产中有广泛的应用，与现代科学技术紧密相关。从本节内容来说，它对系统组成和系统工作过程的进行分析，而且是下一节学习闭环控制系统的组成与工作过程和闭环控制系统的干扰与反馈的基础，并为控制系统的设计与实施的开展奠定了基础。我准备分两个课时完成本节的教学，本课时为第一课时。
【学情分析】：学生在前面的学习中已经学习和分析了控制在生活生产中的应用，获得了有关控制及其应用的初步感性认识和体验，但是对控制系统的基本组成和工作过程与方式还缺乏更深的了解，对控制系统的相关知识知之甚少，他们对进一步了解控制系统的知识是有探究的欲望的。结合具体生活中的控制系统的应用案例分析，进一步分析控制系统案例中控制是如何工作的，以及有怎样的工作方式，是学生学习的最近发展区。生活中不乏简单控制系统的应用，学生对此往往习以为常。本部分内容的学习，正是要引导学生从技术的角度、用控制的思维看周围的世界，分析其道理。
【知识目标】：根据课程标准以及对教材和学情的分析，制定了如下教学目标：
（1）知识与技能：理解控制系统与开环控制系统的定义，掌握开环控制系统方框图的画法；理解闭环控制中控制器、执行器的作用。
（2）过程与方法：结合具体案例,分析开环系统的工作过程，并能画出开环控制系统方框图。
（3）情感态度与价值观：通过自主探究，培养学生科学探究精神，增强学生对控制技术的探究能力并应用于实际的生活。
【教学重点、难点分析】：
重点：控制系统的构成；开环系统与闭环系统的构成与判断。
难点：开环系统与闭环系统的判别。
【教学策略】：本节课内容抽象，理论性强。学生在教师设计的问题情境中进行自我探究，通过这种学习方式，充分调动学生的积极性，充分体现了学生的认知主体作用。在这一过程中，学生可以在老师启发、引导、提示下沿概念框架逐步攀升。
学生以小组为单位共同完成任务，鼓励优秀学生帮助基础较差的学生，通过在具有团体性质的争论中，学生就更容易发现差异，在思维的碰撞中，学生对问题的认识将会更加深刻。从而完成从具体到抽象、从模糊到准确、从单一到系统的思维训练。
【教学方法】：
1、游戏教学法：在教学中加入小魔术，激发兴趣，让学生建立起对控制系统的感性认识。在自制玩偶中体验控制的过程。
2、案例分析法：对比不同的案例比较、分析，归纳出共同点，引出教学重点。
3、逆推法：采用逆推法来分析控制系统的工作过程，突破教学中的难点。
【教学准备】：硬件：通用技术教室
软件：多媒体教学系统、POWERPOINT2000、网络教学平台。
素材：视频《刘谦魔术教学：神力附体的番茄酱》
教学与练习用例子。
【教学过程】：
（一）﹑观看魔术，导入新课
观看魔术视频：《刘谦魔术教学：神力附体的番茄酱》
设计意图：从小魔术开始，激发学生学习兴趣。
设计过程：视频分两段观看，先放前半段魔术表演部分，并请学生思考是什么控制着番茄包，如何控制的？引导学生尝试揭开魔术谜底。然后放后半段魔术揭秘部分，并引出控制系统的定义。
控制系统：任何一种控制的实现，都要通过若干个环节共同实现，这些环节所涉及的装置就构成了一个系统，称为控制系统。
（二）﹑列举控制系统，并分析工作过程
自行车速度控制：
脚踩的力—→ 脚蹬、曲柄、链轮、—→自行车行驶的速度
（输入） 中轴、链条、飞轮 （输出）
电风扇的风速控制：
设计意图：通过两个不同控制系统，分析其基本特征和工作过程，为下面的开环控制系统及其方框图的理解作好铺垫。
完成马上行动指出表中所列事例是否属于控制系统，如果是控制系统，请指出系统的输入、输出分别是什么。
是否属于控制系统 输入 输出
电饭煲
脱粒机
红外线自动水龙头
设计意图：引导学生归纳出控制系统的共同特征，控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制系统。
（三）、归纳出开环控制系统及其方框图
普通照明（灯）控制系统
声控灯控制系统
从普通照明控制系统方框流程图和声控灯控制系统的方框流程图归纳共同点：信号从输
入端传至输出端，单向流动，引出开环控制系统。
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
引导学生归纳出开环控制系统的一般方框图。
设计意图：这是一个从具体到抽象的过程，通过两个不同控制系统的工作过程，归纳共同点，得出开环控制系统及其方框图。
开环控制系统在日常生活中的用途很广，如十字路口的红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统等。
案例分析：自动门
设计意图：引导学生用逆推法来分析自动门控制系统的工作过程，加深对开环控制系统的工作过程理解。
（四）、案例分析与扩展
游泳池定时注水控制系统（师生共同分析）
游泳池定时注水控制系统有什么缺点？请同学们课后去设计能够克服这些缺点的水池注水的控制系统，并画出自己设计的控制系统方框图。
设计意图：这是一个从抽象到具体的过程，在学生理解开环控制系统及其方框图的情况下，列举熟悉的案例进行分析，使学生更加理解并掌握开环控制系统的工作过程，引导学生绘画控制系统方框图。让学生发现案例中存在的问题，课后去寻找解决问题的方法，并画出设计草图，为下节课闭环控制系统做准备。这可以提高学生的自主探索能力，使学生的积极性、主动性能得到充分的调动。
小结：控制系统控制系统的输入和输出
开环控制系统
定义：输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统
开环控制系统一般流程
（五）、体验开环控制系统
学生动手设计制作：自己动手设计制作一个可以控制玩偶动作的控制装置。
设计意图：通过动手制作简单控制玩偶，激发学习兴趣，让学生观察理解控制机关，体验简单的开环控制，锻炼创新实践能力。
4.2控制系统的工作过程与方式（二）
闭环控制系统
进水管的水压会在注水过程中发生变化，比如水压会变小，此时若还使用前一种注水系统，会导致什么问题？
（学生活动）设定的时间到了，游泳池的水还没有达到预期的水位。
（引导分析）
如何解决这一问题？
设计该控制系统的目的：在存在干扰因素的情况下，如何克服干扰，达到预期目标。
在存在干扰的情况下，我们可以想办法消除掉它对被控对象的影响，使事态的发展回归正途。
我们可以借鉴如下的例子：
我们来分析一下人拿杯子这个动作完成的过程。人在打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下，杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会命令自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示
人就是通过这个过程来完成拿杯子这个动作的。
在这个例子中，
①杯子的位置作为人控制手要达到的位置（给定量），
②人眼一方面感知该控制系统输出量即人手的位置命令另一方面得出它与给定量之间的差距，大脑相当于控制器，
③人手兼职执行机构和被控对象双重角色。
显然该系统具备较高的控制精度且抗干扰能力强，其原因就在于它将给定量与所检测的被控量进行比较，也就是说我们如果增加检测和比较环节，就能解决干扰的问题，做到高精度的控制。
在进行完这种思考后，我们回过头来解决注水的问题：
例如：游泳池注水控制系统。将输入由设定注水时间改为设定游泳池水位
把输入量设定为“预期中的游泳池的水位”，增加一个检测游泳池水位的装置，把测量到的游泳池当前水位返回到该控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），来与输入量相减，当实际水位比设定水位低时，控制器控制进水阀门继续注水；当实际水位达到设定水位时，控制器发出信号关闭进水阀门。
经过改进后的游泳池注水系统，增加了输出端到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端与给定值进行比较，构成了一条闭合回路。
我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
闭环控制系统方框图：
INCLUDEPICTURE "http://blog./2005/05/25/082438.gif" \* MERGEFORMATINET
特点：在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。信号传递是闭合回路。
让学生观察并解释闭环控制系统与开环控制系统的区别？然后教师归纳总结。
开环控制系统与闭环控制系统的区别:
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
马上行动P106：
判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图：
控制系统 是否属于闭环控制系统 方框图
缝纫机的缝纫速度控制系统
电冰箱的温度控制系统
走道路灯的声光控制系统
交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统
对一种自动装置的设计和分析，通常都是从输入量给定开始，到输出量稳定为止来分析其工作过程的，一般不把人作为环节加入其中。
【阅读】开环控制系统经典应用案例分析：“希罗的自动门”控制的工作过程分析说明
画出“希罗的自动门”控制方框图
2 、分析一个开环控制系统工作过程
抽水马桶水箱控制系统的分析,并画出方框图.
（六）﹑小结
学生自己总结本节课所学的内容，并谈谈学习本节课后的感受。
设计意图：由学生自己总结，谈感受，可以培养学生归纳问题，表达思想的能力。
（七）﹑布置作业
完成p104马上行动第1.2题
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
控制量
是否检测到人热辐射发出的信号）
控制电路
电动机
自动门
门开或闭
转动
杯子的位置
人眼
大脑
人手
人手的位置
人眼
人类行为控制系统举例
水流量
比较器
游泳池的水位
（输出）
+
进水电磁阀门
游泳池
控制器
给定水位
（输入）
－
检测装置
＋
－
比较器
水流量
祭坛的点火或灭火
气压控制
虹吸
自动门
门开或关
给定 +
水位
水箱的水位
水流量
比较器
-
水箱
进水阀门
机械控制
浮球
PAGE
1(共21张PPT)
4.2 控制系统的工作过程与方法
1、控制系统
2、开环控制系统
3、闭环控制系统
4.2 控制系统的工作过程与方法
看一看：
让我们一起先来看一段魔术表演！
想一想：
是什么控制着番茄包，如何控制的 ？
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了系统，称为控制系统。
控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
1、控制系统
1、控制系统
自行车行驶的速度控制是通过脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条、飞轮等部件来实现。
电机、扇叶
脚蹬、曲柄、链轮、
中轴、链条、飞轮
脚踩的力
（输入）
行驶的速度
（输出）
电风扇的风速控制是通过改变电机的转速来实现的。
风速的挡位
（输入）
风速
（输出）
马上行动
P102
是否属于
控制系统 输入 输出
电饭煲
脱粒机
红外线自动
水龙头
指出表中所列事例是否属于控制系统，如果是控制系统，请指出系统的输入、输出分别是什么？
2、开环控制系统
普通照明（灯）控制系统：
开关
电路
灯
开关的
开或关
（输入）
亮或灭
（输出）
声控灯控制系统：
声音传感器
控制电路
灯泡
声音
（输入）
亮或灭
（输出）
2、开环控制系统
思考：两种控制系统有何共同点？
信号从输入端传至输出端，单向流动。
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
被控对象
执行器
控制器
输入量
输出量
控制量
开环控制系统可以由下面的方框图来描述：
(给定量)
(被控量)
控制量与被控量的区别:
控制量:执行器的输出信号。
被控量:控制系统的输出信号。
特点:
信号的传递是单向的。
输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。
输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。
案例分析
P103自动门的控制系统
自动门
电机
控制电路
检测到是否有人的信号
（输入）
门
开 或关 （输出）
转动
马上行动
P103 列举你所知道的开环控制系统。
案例分析
游泳池定时注水控制系统
想一想
游泳池定时注水控制系统有什么缺点？请同学们课后去设计能够克服这些缺点的水池注水的控制系统，并画出自己设计的控制系统方框图。
游泳池的水位
（输出）
游泳池
水流量
电磁阀门
定时器
设定注水
的时间
（输入）
本课小结
控制系统
控制系统的输入和输出
开环控制系统
定义：输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统
开环控制系统一般流程
游泳池定时注水控制系统
想一想
游泳池定时注水控制系统有什么缺点？请同学们课后去设计能够克服这些缺点的水池注水的控制系统，并画出自己设计的控制系统方框图。
游泳池的水位
（输出）
游泳池
水流量
电磁阀门
定时器
设定注水
的时间
（输入）
3、闭环控制系统
控制器
电磁阀门
游泳池
给定水位
（输入）
水流量
游泳池的水位
（输出）
游泳池注水控制系统。将输入由设定注水时间改为设定游泳池水位
检测装置
比较器
-
+
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
开环控制系统与闭环控制系统的区别:
3、闭环控制系统
控制系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
简单闭环控制系统的方框图：
被控对象
执行器
控制器
输入量
输出量
控制量
检测装置
比较器
-
+
特点：信号传递是闭合回路。
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
开环控制系统与闭环控制系统的区别:
马上行动
P106
控制系统 是否属于闭
环控制系统 方框图
家用缝纫机的缝纫速度控制系统
电冰箱的温度控制系统
走道路的声光控制系统
交通路口红绿灯自动控制系统
判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图。
气压控制
虹吸
自动门
祭坛的火
点或灭
门
开或关
水流量
抽水马桶水箱控制系统的分析,并画出方框图.
机械控制
进水阀门
水箱
浮球
给定 +
水位
-
水流量
水箱的水位
比较器
作业:P107
练习1、2、3

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