资源简介

第四节 控制系统的设计与实施 教案
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
一、教学内容分析：
本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。
本节让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并学会设计，有一定的实践性。
二、教学对象分析：
学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。
三、教学目标：
1.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，制作一个控制装置；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。
2.过程与方法：
通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。
3.情感态度价值观：
（1）通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。
（2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。
（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。
四、教学重难点：
1.教学重点：
（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。
（2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。
2.教学难点：
（1）设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。
（2）闭环系统的设计，以及被控量和控制量的确定。
五、教学策略：
本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下：
（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。
（2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。
（3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。
（4）老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进行设计。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。
六、教学对象：高二学生
七、教学课时：2课时
八、教学过程：
导入：
在日常生活中，控制具有十分重要的实践意义，我们今天从实际应用出发，进行几个简单的控制系统设计。现在我们首先了解一下控制系统设计的一般思路。
新课讲授：
1、控制系统设计的一般思路:
我们知道在设计的一般过程中，首先要发现和明确问题，那么在对控制系统进行设计时我们要明确那些问题呢？
1）要设计好一个控制系统，需要做到：
（1）明确这个系统要达到的目的是什么？
（2）所要控制的对象是什么？
（3）被控对象有哪些重要特征？被控量和控制量分别是什么？
（4）外界的主要干扰因素有哪些？
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）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。
总之：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。
在以上问题都确定后：
（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）画出控制方框流程图。
（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。
2）开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计：
被控对象——电风扇，
被控制量——电风扇输出的风速，
控制量——电机的转速。
设计的目的有：
一是有定时关闭电风扇。
二是有不同的风速。
三是又定时，又有不同的风速。
案例分析：电吹风控制系统的设计（要先介绍一下电吹风的工作原理）
请同学快速阅读书中案例《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？被控量的控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？经济实用？
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；
（可以选择熨斗，电加热棒，电褥子等进行分析，这些设备，学生有一些使用的经验，拿出来加以分析，还可以增加学生的安全意识。）
这个案例是开环控制系统设计的案例，用以说明开环控制系统设计的过程与方法，体现控制系统设计的一般思路。
3）闭环控制系统的设计
对于简单的闭环控制系统有如下的要求：
(1)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。
在进行闭环控制系统设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合
具体问题全面解决或有侧重地解决。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。
设计目的:节约用水
设计要求：
当水箱中的水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。
当水箱中的水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
设计分析：
从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
控制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），水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。
主要的干扰因素是水箱的出水流量。
水箱水位的控制过程：
拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
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？
(1)在水箱中放置1~2块砖头，以减少水箱的实际蓄水量。
(2)设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。
2、控制系统的设计与实施案例
好，我们了解了控制系统设计的一般思路，下面我们一起来分析和了解控制系统的设计与实施案例。
阅读书中案例《自动升旗简易控制装置的设计》
设计分析：
采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动或停止（或速度）。
定时时间→ 定时装置 → 电动机 → 滑轮、国旗 → 升旗速度
各方案的特点：
方案A：在控制上采用机械装置，升旗和唱国歌的启动需要人工同步，定时装置的精度略低，容易产生不协调现象，但只要细心操作是可以满足要求的。
方案B：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。
方案C：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。
方案D:升旗和唱国歌同步启动，由于CD唱机比较普遍，器材准备较其它方案容易。不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
因此：方案D实现较容易。
其实，对升旗来说，还可以采用人工控制。
课堂小结：
通过本节课的学习，我们了解了控制系统设计的一般思路，了解被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。能够设计出简单的开环或闭环控制系统，学会调试运行，并提出改进方案。
PAGE
1控制系统的设计与实施 学案
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
一、学习目标
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，制作一个控制装置；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。
二、目标导学
1、控制系统设计的一般思路: 要设计好一个控制系统，需要做到：
（1）明确这个系统要达到的目的是什么？（2）所要控制的对象是什么？（3）被控对象有哪些重要特征？被控量和控制量分别是什么？（4）外界的主要干扰因素有哪些？等等
2、开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计：
被控对象——电风扇，被控制量——电风扇输出的风速，控制量——电机的转速。
3、闭环控制系统的设计，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。
三、课时训练
☆必做题
1、选择题
（1）在空调、自动升降国旗、光控路灯、音乐喷泉，这四个控制系统中．哪个一定是闭环控制系统？( ）
A．空调 B．自动升降国旗 C．光控路灯 D．音乐喷泉
（2）在自动升旗的简易控制系统中，升旗速度是（ ）。
A、输入量 B、控制器 C、控制量 D、输出量
（3）在水泵抽水的控制系统中，（ ）是执行器。
A、电机 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、电吹风控制系统的被控对象 ＿ ；被控量＿ ＿＿＿；
控制量＿＿＿ ＿＿； 干扰因素＿ ＿。
3、陈好同学在体育课上练习立定投篮．投了若干次才投中。投篮过程是一个控制过程．试分析该控制过程是开环控制系统还是单闭环控制系统？画出该控制系统的方枢图《将各环节名称及对应的实际名称在相应位置标注清楚 》。

提高题
有一位科学家，为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。
请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框图，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术与原理。
选做题
（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低时，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，说明其工作过程。
PAGE
1(共18张PPT)
第四节 控制系统的设计与实施
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
一、控制系统设计的一般思路
系统要达到的目标？
控制的对象？
被控对象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干扰因素？
怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？
设备和元件？
1、开环控制系统的设计
例：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——电风扇；
被控量——电风扇输出的风速；
控制量——电机的转速；
例：电吹风控制系统的设计
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；
2、闭环控制系统的设计
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。
例：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
控制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），
水箱水位的高度与进水量之间呈线性关系。
水箱水位的控制过程：
拨动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
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？
(1)在水箱中放置1~2块砖头，以减少水箱的实际蓄水量。
(2)设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。
二、控制系统的设计实施案例
升旗简易控制装置的设计
设计分析：
采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动或停止（或速度）。
小结:
1、控制系统设计的一般思路。
2、控制系统的设计与实施案例。
谢谢大家!控制系统的设计与实施 学案 （答案）
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
一、学习目标
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，制作一个控制装置；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。
二、目标导学
1、控制系统设计的一般思路: 要设计好一个控制系统，需要做到：
（1）明确这个系统要达到的目的是什么？（2）所要控制的对象是什么？（3）被控对象有哪些重要特征？被控量和控制量分别是什么？（4）外界的主要干扰因素有哪些？等等
2、开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计：
被控对象——电风扇，被控制量——电风扇输出的风速，控制量——电机的转速。
3、闭环控制系统的设计，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。
三、课时训练
☆必做题
1、选择题
（1）在空调、自动升降国旗、光控路灯、音乐喷泉，这四个控制系统中．哪个一定是闭环控制系统？( A ）
A．空调 B．自动升降国旗 C．光控路灯 D．音乐喷泉
（2）在自动升旗的简易控制系统中，升旗速度是（ D ）。
A、输入量 B、控制器 C、控制量 D、输出量
（3）在水泵抽水的控制系统中，（ B ）是执行器。
A、电机 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、电吹风控制系统的被控对象 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＿。
3、陈好同学在体育课上练习立定投篮．投了若干次才投中。投篮过程是一个控制过程．试分析该控制过程是开环控制系统还是单闭环控制系统？画出该控制系统的方枢图《将各环节名称及对应的实际名称在相应位置标注清楚 》。
闭环控制系统
系统中的相关符号，各环节名称及对应的实际名称、位里标注正确完整的得 1 分。给定量、“被控量”也可以分别写成“输入（量）、输出（量)”, “控制量”对应的实际量也可以写成“力、力度、动作、幅度”等能表达控球状态的词．“反馈环节”也可以写成“检测环节’、
提高题
有一位科学家，为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。
请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框图，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术与原理。
答案：
该套装置中，综合运用了机械能转化为电能及稳压等技术原理，运用了蓄能、系统、稳压和控制等多种技术。其简要过程可以用方框图表示如下：
脚踏运动→自行车轮→摩擦轮→传动机构→发电机→蓄能稳压装置→电视机
选做题
（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有冷水管和热水管，使用时，通常采用不断调节热水管和冷水管的流量实现温度控制。
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低时，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，说明其工作过程。
这是一个闭环控制系统，其中有一个感温元件不断测量出水管内的水温，当水温低于某值时，便切换到电加热器加热的状态。
一般来说，宾馆供应的热水温度要比较高，使客人有调节的余地，因此它必须保证热水高于一定的温度。其方法是设计一个闭环温度控制系统，使供应的热水不低于某一温度。
控制系统的工作过程大致如下：测温装置测量储水箱热水的温度，当水温低于某一给定温度时，控制装置将输出一个信号去接通加热装置，使之给水箱加热；当温度高于给定温度时，控制装置就会切断加热器电源，停止加热。
这一过程的的方框图可以表示如下：
热水箱
输出温度
加热装置
控制装置
给定温度
测温装置
PAGE
2控制系统的设计与实施 练习题（答案）
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
1、选择题
（1）在空调、自动升降国旗、光控路灯、音乐喷泉，这四个控制系统中．哪个一定是闭环控制系统？( A ）
A．空调 B．自动升降国旗 C．光控路灯 D．音乐喷泉
（2）人们通过电冰箱获得适当的温度，使食物能够长期存放，分析这一现象，我们理解一个控制现象应该从（　 D　）入手
A、对象 B、目的 C、手段 D、对象、目的、手段
（3）在水泵抽水的控制系统中，（ B ）是执行器。
A、电机 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、非选择题
1、随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一种具体应用。其工作过程是由 “声－电转换装置”将起伏的音乐强度转换为随之而变化的电信号，这种电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐声信号强，水泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就高。反之，喷出的水柱就低。音乐信号的强弱与喷泉水柱的高低一一对应。请回答以下问题：
（1）音乐喷泉控制系统是开环控制还是闭环控制？（2分）
开环控制系统
（2）该控制系统的输入信号和输出信号分别是什么？（2分）
音乐信号 喷泉水柱的高低
（3）从控制系统组成的角度，分析“声－电转换装置”在此控制系统中起什么作用？（2分）
控制器
2、分析抽水马桶的水位控制系统，请说出
（1） 该系统的控制对象是什么？被控量是什么？控制量是什么？
控制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）
（2） 该系统存在哪些主要干扰因素？
主要的干扰因素是水箱的出水流量
(3) 该系统的反馈装置是什么？
浮球
3、有一位科学家，为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。
请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框图，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术与原理。
答案：
该套装置中，综合运用了机械能转化为电能及稳压等技术原理，运用了蓄能、系统、稳压和控制等多种技术。其简要过程可以用方框图表示如下：
脚踏运动→自行车轮→摩擦轮→传动机构→发电机→蓄能稳压装置→电视机
4、（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有冷水管和热水管，使用时，通常采用不断调节热水管和冷水管的流量实现温度控制。
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低时，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，说明其工作过程。
这是一个闭环控制系统，其中有一个感温元件不断测量出水管内的水温，当水温低于某值时，便切换到电加热器加热的状态。
一般来说，宾馆供应的热水温度要比较高，使客人有调节的余地，因此它必须保证热水高于一定的温度。其方法是设计一个闭环温度控制系统，使供应的热水不低于某一温度。
控制系统的工作过程大致如下：测温装置测量储水箱热水的温度，当水温低于某一给定温度时，控制装置将输出一个信号去接通加热装置，使之给水箱加热；当温度高于给定温度时，控制装置就会切断加热器电源，停止加热。
这一过程的的方框图可以表示如下：
热水箱
输出温度
加热装置
控制装置
给定温度
测温装置
PAGE
1控制系统的设计与实施 练习题
嘉积中学海桂学校高中技术组 翁瑜
1、选择题
（1）在空调、自动升降国旗、光控路灯、音乐喷泉，这四个控制系统中．哪个一定是闭环控制系统？( ）
A．空调 B．自动升降国旗 C．光控路灯 D．音乐喷泉
（2）人们通过电冰箱获得适当的温度，使食物能够长期存放，分析这一现象，我们理解一个控制现象应该从（　 　）入手
A、对象 B、目的 C、手段 D、对象、目的、手段
（3）在水泵抽水的控制系统中，（ ）是执行器。
A、电机 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、非选择题
1、随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一种具体应用。其工作过程是由 “声－电转换装置”将起伏的音乐强度转换为随之而变化的电信号，这种电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐声信号强，水泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就高。反之，喷出的水柱就低。音乐信号的强弱与喷泉水柱的高低一一对应。请回答以下问题：
（1）音乐喷泉控制系统是开环控制还是闭环控制？（2分）
（2）该控制系统的输入信号和输出信号分别是什么？（2分）
（3）从控制系统组成的角度，分析“声－电转换装置”在此控制系统中起什么作用？（2分）
2、分析抽水马桶的水位控制系统，请说出
（1） 该系统的控制对象是什么？被控量是什么？控制量是什么？
（2） 该系统存在哪些主要干扰因素？
(3) 该系统的反馈装置是什么？
3、有一位科学家，为了促使迷上看电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”，女儿必须骑在车上不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。
请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框图，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术与原理。
4、（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低时，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，说明其工作过程。
PAGE
2

展开更多......

收起↑