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第三节：简单控制系统的设计
一、学习目标
1.能进行简单的控制系统的设计，并制作一个简单的控制装置、能够对设计方案进行优化。
2.能正确阅读所设计的项目电路图、元件图，并形成良好的设计习惯。
二、素养目标
技术意识：结合生活中的技术情境，收集生活中的技术案例并加以分析,能根据设计的需求，面对技术情境，明确要解决的技术问题，并根据现有条件制订解决技术问题的方案，形成一定的设计能力,形成正确的技术观。
工程思维：通过所设计制作的控制项目进行控制系统方案的分析，理解其工作原理和特性，总结出控制系统的设计方法。能根据设计要求搭建一个控制系统装置，了解所用元件材料的性能，掌握基本工具的使用方法，能对所搭建的系统进行运行调试和综合评价。
三、教学重点、难点
重点：制订设计项目的方案。
难点：根据制定的方案，进行项目的实施。
四、教材情况
本节内容是对本章知识的具体应用，要求学生掌握控制系统设计的基本流程。然后利用前面所学知识根据实际需要设计一个简单的控制系统，在理论的指导下进行实例设计。要求学生熟悉所用到的材料的属性和常用工具的使用方法。
五、学生情况
由于学生对电子电路比较陌生，不太了解电子元器件的特性，对于电子电路图和电路的焊接也不熟悉，因此需要教师在实践活动开始前，先进行相关知识的讲解。
六、教学过程
1.新课引入
思考：为什么电磁炉之上一般都有一个童锁按键？有的插座之上每个插孔都有单独的开关？汽车的空挡要设置在前进挡和后退挡的中间？
2.控制系统概论
控制系统设计的基本流程如下：
第一步，确定控制的目的。如速度控制是为了达到一定的速度；温度控制是为了获得一个合适的温度等。
第二步，确定系统的被控量。被控量就是为了达到控制目的，我们实际需要控制的量。一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量。如速度控制系统的被控量是速度；温度控制系统的被控量是温度。但有时控制目的和被控量也不是同一对象，如为了控制化学反应的速度，我们通过控制化学反应的温度来实现；为了避免高速公路的交通事故，我们通过控制车速来实现。
第三步，明确被控量应达到的精度指标。如速度、温度的精度指标等。
第四步，选定控制系统的结构。根据控制系统的各项指标（控制精度、造价等），确定控制的类型同时根据被控对象确定执行器。
第五步，建立控制系统的各个环节。大型或复杂的控制系统要通过建立模型来分析。因此要建立控制器、被控对象、执行机构和反馈环节模型。
第六步，确定待调参数。找出能影响系统性能的一些参数作为调整对象，通过对他们的调整，使系统达到最佳性能
第七步，分析、测试控制系统的性能。若性能不能满足设计规范要求，就要重新确定系统结构、部件性能等指标。若满足规范要求，设计工作就可以结束。
3.设计实例：led数码显示器的设计
LED数码管是由8个发光二级管封装在一起组成8字形的器件，其中7个发光二极管组成“8”字形的每一段，1个发光二极管组成一个小数点。这8个发光二极管的组成如下图所示，各段分别用字母A、B、C、D、E、F、GDP来表示。
（1）明确设计的目的
一个使用的LED数码显示器通常由多位数码管组成。但设计只用到一个数码管，通过适当的设计，完成0-9的显示。
（2）确定被控量及设计指标。
我们采用LED作为发光原件，显示的数字是以光的形式显现，所以该设计的被控量就是LED数码管各段的亮度，且只有亮、灭两种状态。
（3）确定系统结构。
通过上述步骤，我们就可以根据具体的要求来确定控制系统的结构。怎样控制LED数管8个段的亮、灭是该设计的关键。控制系统有开环和闭环、手动和自动等形式，你决采取哪种形式呢
（4）选择实现方法
让LED数码管显示特定数码最简单的方法就是采用机械开关进行手动控制。假设我们要显示数字“3”，且采用图4-30所示的共阳极数码管，由数码管各的排列分布可知显示“3”应使AB、C、DG段发光，所以开关与LED数码管的连接如图所示。
（5）部件模型及主要参数的确定。
对一个复杂的控制系统，在确定了系统结构后，先要对系统中的各部分建立对应的数学模型，然后进行一些理论分析和仿真。当系统较为简单时，我们可以先通过简单的运算、得到一些必要的参数，然后用实验的方法调试，校正系统的工作状态，直到满意为止。
（6）验证完成你的设计。
确定了设计方案，并按选定的控制方法验证了各部分的工作后，就可以将它们组装起来。在《技术与设计1》中，我们学习了各种设计和交流的方法，应尽可能做到用计算机绘制各部分的原理图及安装图；设计系统制作的工作流；协同工作，共同完成整个设计。
（7）评估你的设计。
完成设计后，为了测试系统设计是否达到预期目的，还需要从以下几个方面进行评估。系统否安全、可靠 能否按设计的要求工作 其他同学对你的设计有什么看法 整个系统的造价是多少 如果你有更多的时间，你会对其做哪些改进 设计一份用说书。
（8）优化你的设计。
上面的设计对我们学习和理解LED数码管的工作原理和工作方式很有意义，但由于一次连线只能显示一个数字，实际的应用价值有限。我们怎样将它做得更合理、更智能呢？这就要用到电子技术的一些知识，下图是采用4511专用集成电路控制1位数码管的原图，这个电路可以通过4个开关的组合来控制数码管的显示，是不是比起前面的设计灵行性高了很多
七、教学反思
本节为实践节，是整章的核心内容，学生要从具体的知识转变为日常生活中的实践，可以适当增加具体案例或者准备一些实验器材，让学生在行动中去理解如何进行控制系统的设计。

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