5.3 闭环电子控制系统的设计和应用 教学设计-2023-2024学年高中通用技术苏教版（2019）选择性必修1《电子控制技术》

教学设计 课程基本信息 课题 闭环电子控制系统的设计和应用（第一课时） 教学目标 1.通过对简单闭环电子控制系统的设计和应用，体验较为复杂的电子控制系统的构成和各部分的工作过程。 2. 能应用功能电路设计闭环电子控制系统，并进行安装、调试和改进。 教学内容 教学重点： 1. 通过对案例的精心设计，让学生感悟闭环电子控制系统的特征，并通过任务的递进，让学生体验系统的设计、调试和优化的过程。 2. 设计与安装、调试与改进电子控制系统，通过对问题的思考、需求的分析、可行的应用性设计等，切实提升学生的技术核心素养。 教学难点： 1.闭环电子控制的设计中，对被控对象和被控量的确定。 2.引导学生实现控制电路的设计，有效地组织学生进行电路的搭建、调试并实现优化。 教学过程 引课：课堂回顾——分析定时水位控制系统（学生上堂课的课后作业） 任务一：通过对学生作业（定时水位控制系统的设计）的分析，复习开环电子控制系统的基本知识 走入情境：小乐家房顶配置了水塔水箱供水系统，每次往水塔加水和停止加水都需要人工操作阀门开闭，既麻烦又容易遗忘。于是，小乐打算设计一套水塔水箱水位定时控制系统。请你帮小乐一起设计。 （1）画出定时水位控制系统的方框图。 （2）电子控制电路（定时抽水）的设计。 （3） 电路分析，指出可能会出现的问题，如何优化？ 新课：闭环电子控制系统 承接引课内容，引导给出闭环电子控制系统的特征：闭环电子控制系统是在开环电子控制基础上增加反馈环节而成的。它具有较高的控制精度，能实现自动控制。 问题：再次提出定时水位控制系统可能出现的问题，该如何优化？ 任务一：设计水箱定位加水控制系统 走入情境：小乐家房顶配置了水塔水箱供水系统，小乐设计一套水塔水箱水位定时控制系统。但是，每次设定时间完成注水的时候。水位结果与自己的期望相差甚远，请你帮小乐一起优化设计水塔水箱水位控制系统。 （一）设计分析： （1）根据对设计要求的分析，被控量是水箱中水位的高度，被控对象是水箱中的水。 （2）由于对水箱中的水位的高度变化有严格的要求，即要求水箱中储存的水不能超过某一水位（上限水位），所以实现这一控制需要采用闭环电子控制系统。 （二）方案构思： （1）画出闭环电子控制系统的方框图。 （2） 运用形态分析法选择控制（处理）部分的控制电路、输出部分的执行器、检测部分的传感器。 （3） 方案呈现： （四）技术试验：记录试验结果并总结 马上行动：深度优化后的方案进行电路安装并技术试验。引导学生利用面包板搭建控制电路，安装并调试。 1.面包板搭建控制电路。 2.安装控制系统。 3.进行试验。 问题：电路如何实现控制？可能会出现什么问题？该如何优化？ 任务二：优化水箱定位加水控制系统 走入情境：小乐家房顶配置了水塔水箱供水系统，小乐设计一套闭环水塔水箱水位控制系统。但是，由于反馈，控制精度高。在干扰因素的作用下继电器频繁的吸合、释放，水泵电机频繁启停，硬件设备周期性损坏，请你帮小乐一起深度优化设计水塔水箱水位控制系统。 （1） 设计分析： 1.从水位单点控制转为上、下限区间控制。 2.考虑到技术试验的可操作性，检测装置换金属探头。 （2） 方案构思：保持态控制电路的设计 （三）方案呈现： 引导分析电路工作原理 （3） 方案对比（筛选）： 方案一： 方案二： 方案 控制类型 控制处理 控制特点 方案一 闭环 单点控制 能有效抗干扰，容易损坏硬件 方案二 闭环 区域（上、下限）控制 能有效抗干扰，精度高 课堂小结： 1.开、闭环电子控制系统 2.闭环电子控制系统的设计（设计的核心：控制电路的设计） （1）设计分析 （2）方案构思 （3）方案呈现 （4）方案对比（筛选） 3.闭环电子控制系统的应用： 技术试验：（面包板电路搭建，控制系统的安装、调试） 课后作业： 1.利用面包板搭建方案二的控制电路，安装、调试该控制系统（若需要并实现优化）。 2.根据形态分析法，选择课堂案例以外的电子元件，设计一个功能类似方案二的闭环水位控制系统。 。 学科网（北京）股份有限公司 输入 控制（处理） 输出 被控对象 检测 反馈 设定上限水位 电子电路控制 继电器和水泵 水箱中的水 水位监测装置 反馈 R100Ω A B C D E F G H I J 信息 输入 控制（处理） 输出 被控对象 输入 控制（处理） 输出 被控对象 检测 反馈 控制电路 触发器控制电路 三极管控制电路 555芯片控制电路 电压比较器控制电路 水位传感器 干簧管 力敏传感器 导电探头 执行器 继电器、水泵 晶闸管 3 4 8 6 2 1 5 555 J +Vcc V1 R1 220V ̴ J-1 R2 V2 C1 M 干簧管 N S R2 3 4 8 6 2 1