资源简介

控制系统的设计与实施
一、教学内容分析：
本节要求学生亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程。对于控制系统方案的设计不要求学生能形成详细的设计方案，只需形成初步方案，重要的是让学生亲历设计的过程。知道怎样通过分析被控对象的基本特征，确定被控量、控制量、从而形成控制系统的设计框图。
二、学生对象分析：
学生已经具备控制系统的基础知识，但是具体技术和专业知识（电子、电路及机械控制的知识）比较欠缺，给控制的设计带来了一定的难度。
三、教学目标：
1.知识与技能：
（1） 了解简单被控制对象的基本特征。画出系统方框图，形成初步设计方案
（2） 能设计制作一个控制方法，能进行模拟控制并调试。
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。学习权衡的思想。
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、教学重点、难点
重点：控制系统设计的一般思路及控制系统设计的宏观思想。
难点：分析被控对象的基本特征，确定被控量、控制量、从而形成控制系统的设计框图。
五、课时安排：
1课时
六、教学用具：
多媒体课件、相关视频
七、教学方法：
结合教学目标和学情，本节课主要采用小组学习、问题研讨、案例分析、马上行动、走进生活等方式来实现本课的教学目标。
八、教学进程
1、复习
开环与闭环控制的框图
开环与闭环控制的适用范围
2、开环控制系统的设计
案例：自动回收晾衣架的设计：
设计要求：
当下雨时能自动回收的晾衣架。
设计分析：
被控对象：
被控量（输出量）：
控制量：
主要的干扰因素：
根据控制精度选择开环控制系统
画出控制系统框图
确定自动回收晾衣架控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
2、 闭环控制系统的设计
在人类的诸多发明中，有样东西虽然科技含量不是最高的但是缺少最受欢迎的发明之一——马桶。小马桶改变了大世界。如果没有马桶，现代人的生活将会无法想象。难怪有人说，今天，人们可以不要电视、电冰箱、电脑或汽车，但却离不开马桶。马桶的发展史，就是人类社会文明、干净和有秩序的历史。
第一个现代意义的马桶是英国贵族约翰·哈灵顿发明的，他于1597年设计出了使用水冲的马桶，并将这种新发明安装在了伊丽莎白女王的宫廷里。1775年，英国的钟表师卡明斯又对哈林顿马桶的储水器进行了改进，使水箱里的水每次用完后，能自动关住阀门，还能让水自动灌满水箱。不过那时马桶的材料通常是木料的，中国瓷器进入欧洲后，为马桶工艺发展揭开了新的一页。陶瓷马桶既结实又不会漏水，不会残存病菌，而且易于清洁，同时有很长的使用寿命，可谓马桶发展史上的一次飞跃。
那么抽水马桶的水箱水位自动控制是如何实现的呢？
案例分析：抽水马桶的自动控制系统的设计
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；当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
设计分析
被控对象是抽水马桶的水箱，
被控量是抽水马桶水箱的水位的高度，
控制量是进水管的水流量
主要干扰因素是水箱的出水流量
方案构思：根据控制精度选择闭环控制
用浮球作为整个控制系统的检测装置。当水位低于水箱的给定水位时，浮球在下打开进水阀门，进水口进水，水箱的水位逐渐升高。当水箱的水位达到给定水位的时候，进水阀们关闭。
控制系统的示意图：
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？
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。统的输出值与给定值之差应控制在允许的范围内。
③ 好的抗干扰性能。
④ 几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。
播放视频升国旗引出国旗升降自动控制系统
一周一次的升旗仪式就要开始了。同学们怀着激动的心情排着整整齐齐的队伍。在振奋人心的《歌唱祖国》的乐曲声中，升旗仪式正式开始。
问：从中发现了什么问题？
任务一：请设计一个升降国旗的自动控制系统。
任务三：请设计一个能自动检测的升降国旗的自动控制系统。
2、控制系统设计的一般思路
一、明确控制系统的设计要求
二、设计分析
明确控制对象是什么？控制量？被控量？
三、方案构思
根据控制精度选择开或闭环控制，并画出控制框图
四、选择恰当的材料及器件制作、调试、运行、评价；
总结：总之，能达到控制的目的，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，是我们进行控制系统设计必须考虑的基本问题。
进水阀门
杠杆比较
给定量
水箱的水位
水箱
浮球（反馈）(共20张PPT)
下雨的烦恼
怎么办呢？
控制系统的设计与实施
知识回顾
被控对象
执行器
控制器
给定量 （输入）
控制量
被控量
（输出）
检测装置
比较器
-
+
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
控制量
适用于控制精度 而系统元件比较 的场合
适用于控制精度 而系统的元件较 的场合
不高
稳定
高
不稳定
下雨的烦恼
设计自动回收的晾衣架？
例1：自动回收晾衣架控制系统的设计
设计要求：
一旦下雨晾衣架能够自动回收
设计分析：
被控对象：
被控量（输出量）：
控制量：
主要的干扰因素：
晾衣架
回收的速度
转速
风、雨
方案构思：根据控制精度选择
开环控制
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
雨水
回收的速度
感湿器
晾衣架
电机
确定自动回收晾衣架控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
画出工作框图：
小马桶改变了大世界
例2：抽水马桶水箱水位的自动控制系统的设计
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；当水箱的水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
设计分析：
被控对象是
被控量(输出量)是
控制量是
主要干扰因素是
水箱
水箱的水位
水流量
水箱的出水
方案构思：根据控制精度选择
闭环控制
节约用水
画出工作框图：
被控对象
执行器
控制器
给定量 （输入）
控制量
被控量
（输出）
检测装置
比较器
-
+
设定水位
水箱水位
水箱
进水阀门
杠杆系统
浮球
进水量
闭环控制系统设计的要求
1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的；
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、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能；
一周一次的升旗仪式就要开始了。同学们怀着激动的心情排着整整齐齐的队伍。在振奋人心的国歌声中，升旗仪式正式开始。
发现了什么问题？
任务一：
请设计一个升降国旗的自动控制系统。
任务二：
请设计一个能自动检测的升降国旗的自动控制系统。
控制系统的设计一般思路
1:明确控制系统
2:系统的设计分析：
3:方案构思：根据 选择开或闭环
控制系统，并画出系统的工作方框图
4:选择恰当的材料及器件制作、调试、运行、评价；
设计要求
被控对象
被控量
控制量
主要干扰因素
控制精度
课堂练习
1、设计一个控制系统，选择是开环控制系统还是闭环控制系统，是由以下哪项决定（ ）
A、控制精度的要求 B、反馈回路
C、检测装置 D、比较器
2、关于控制系统的设计分析中，以下说明有误的是（ ）
A、一个控制系统中可能存在多个干扰因素，这些干扰要统一进行克服；
B、被控量和控制量的确定是控制方案的关键；
C、控制量应选择可控制，对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量；
D、执行器、检测器的选择主要根据被控量和控制量的需求；
A
A
例：电吹风控制系统的设计
设计要求：
电吹风能根据不同的档位（冷风档、热风挡）输出不同种类的凤。
设计分析：
被控对象是
被控量(输出量)是
控制量是
干扰因素是
电吹风
电吹风输出的风速和温度
电机的转速
房间的温度、电源电压的波动等
方案构思：根据控制精度选择
画出工作框图：
开环控制
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
档位
风的速度和温度
电机、阻值
电吹风
风扇、电热丝
确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。

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