4.4 控制系统的设计与实施（教学设计）通用技术苏教版2019必修2

课题 4.4 控制系统的设计与实施 课时 1课时 教材版本 苏教版通用技术必修技术与设计2 年级 高二 教学目标 创新思维： 对控制系统设计完整的思维形式，以及突破性的创新思维。 物化能力： 1.根据控制系统的要求确定被控量和控制量。 2.对控制系统设计要素的掌握，实际控制系统的组装，成品的测试。 教学重难点 重点： 探究控制系统的设计要素、控制系统设计的一般思路。 难点： 闭环控制系统的设计、案例分析与方框图的绘制。 学情分析 在前面的学习中学生已经有了开环、闭环控制系统的知识背景，本节课以自动升旗控制系统和雨水收集池水位控制系统的设计为例，使学生掌握控制系统设计的一般思路和步骤。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：教学课件。技术体验1材料（机械定时器（或电子定时器、自制的电子定时器、CD唱机）、旗杆、滑轮、卷筒、变速齿轮箱、电动机调速器、直流电源等）。技术体验2材料（雨水收集池、冲厕蓄水箱、潜水泵、水管、电极式水位传感器、控制电路模块、钢丝钳、活动扳手、十字螺丝刀、多用电表等）。 教学环节 教学过程 一、课堂导入 创设情境 说明本课时教学目标。 展示“走进情境”内容，说明需要控制水位的的系统。 提出问题：怎样设计一个控制系统？ 二、新知探究 任务一 探究控制系统的设计要素 教师：设计一个控制系统，我们需要完成以下分析。 课件展示说明控制系统的设计要素：明确这个系统要达到的目的是什么；所要控制的对象是什么；被控对象有哪些重要的特性；被控量和控制量分别是什么；外界的主要干扰因素有哪些；选择怎样的设计方案既能达到目的，又经济、易于实现；如何选择设备和元件…… 教师：如图4-37所示，在确定这些后，我们才能根据情况选择开环控制系统还是闭环控制系统。 教师：选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。 结合课件说明控制系统内的执行器、被控量、干扰因素等的分析与选择。 教师：在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式。 教师：被控量和控制量的确定是控制方案的关键。对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量。控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量。 教师：一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素。执行器、检测器的选择一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。 教师：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，是进行控制系统设计必须考虑的基本问题。 教师：控制系统的设计方案，还包括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。 播放视频——天安门升旗仪式。 提出问题——升旗采用的哪种控制系统？ 学生思考后回答。 教师点评并总结。 答案：开环控制系统。 开环控制系统的设计——相对比较简单，在明确设计要求、被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。 教师：例如，普通电风扇控制系统的设计，被控对象是电风扇，被控量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速；如果是具有定时功能的电风扇控制系统的设计，则只需在开关环节加一个定时器就可以了。 教师：现在我们一起来完成“技术体验——运动会会旗自动升旗控制装置的设计”，来体会如何设计一个合理的开环控制系统。 展示课本137页“技术体验——运动会会旗自动升旗控制装置的设计”的内容，学生分组完成4个方案的具体制作，并作测试。 提问：四种方案各有什么特点？哪种方案最容易实现？还有其他方案吗？ 学生讨论后回答问题。 教师点评并总结。 参考答案： 各方案的特点——方案A:主要采用机械装置进行控制，控制精度不高，需要人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案B：控制器精度提高，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案C：采用电子计时器和可调速电机，克服了方案A和方案B中滑轮和旗杆高度要配合的问题，但仍需人工同步启动，容易产生不协调现象。 方案D：采用音乐控制升旗，克服了前三种方案的缺点。 方案D最容易实现。 二、新知探究 任务二 设计与实施雨水收集池水位控制系统 结合课件说明闭环控制系统如何设计。 闭环控制系统的设计——闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许范围之内。第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 教师：在进行闭环控制系统的设计时，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所侧重地解决。 教师：现在我们一起来完成“技术体验——设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统”，来体会如何设计一个合理的开环控制系统。 展示课本140页“技术体验——设计制作雨水收集池水位报警和水位控制系统”的内容，学生具体制作，并测试系统是否达到控制要求。 播放演示操作视频。 提问：一般情况下，要实现高水位开始抽水、低水位停止抽水，要用两个传感器。你是否能用一个传感器来实现这个控制目的呢？？ 学生讨论后回答问题。 教师点评并总结。 参考答案： 目前的情况下，采用一个传感器来实现该控制目的一般无法实现，因为同一传感器无法同时检测两个点。 三、课堂小结 设计意图：以思维导图的形式总结本节课的内容，能帮助学生理顺本节课的知识点。 四、拓展延伸 控制论 研究生命体、机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。英文cybernetics一词源于希腊文κυβερνητηζ，原意为“掌舵人”，转意为“管理人的艺术”。法国物理学家和数学家A.-M.安培1834年曾用这个名词称呼管理国家的科学。 美国数学家维纳创立控制论时采用这个名词，一方面借此纪念英国物理学家J.C.麦克斯韦1868年发表的论述反馈的论文《论调速器》（On governors），governor一词就是从希腊文“掌舵人”讹传而来的；另一方面船舶的操舵机曾是早期的一种通用反馈机构。 控制论的建立是20世纪的伟大科学成就之一，现代社会的许多新概念和新技术几乎都与控制论有着密切关系。控制论的应用范围覆盖了工程、生物、经济、社会、人口等领域，成为研究各类系统中共同的控制规律的一门科学。。 五、练习提升 1.有一位工程师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，并分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。 答案： 2.如图所示为纸浆浓度控制系统工作原理示意图，其工作原理是：控制器将传感器检测到的配浆浓度与设定值相比较，根据偏差值控制电动调节阀调节清水流量，从而使配浆浓度达到设定值。该控制系统的传感器应该选用（   ） A． 浓度传感器 B．流量传感器 C．压力传感器 D．温度传感器 答案：A 3.人们设计了如图所示的一个可移动晾衣架，该衣架的特点是：在有阳光的情况下可以自动将衣服移出窗台，在没有阳光的情况下自动将衣服移回阳台内。该控制系统宜采用的传感器是（    ） A．红外传感器 B．压力传感器 C．湿敏传感器 D．光敏传感器 答案：D 4..一谷物湿度控制系统示意图如图所示，系统启动后传送装置就不断传送谷物。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的最佳湿度，根据在调节器中所设置最佳湿度，当湿度测量装置检测到输出谷物的湿度偏低时，调节器将打开自动阀门放出相应量的水，从而使谷物达到最佳湿度。请根据示意图及其描述，完成以下小题。 （1）下列关于该谷物湿度控制系统的说法，正确的是（   ） A．输入量是水源 B．控制器是自动阀门 C．被控对象是谷物 D．执行器是湿度测量装置 （2）由于谷物湿度的偏差被检测出来时，就已经有一部分谷物湿度不达标了。若要进一步提高输出谷物湿度的准确度，以下措施最合理的是（   ） A．提高湿度测量的灵敏度，使输出谷物湿度产生极小的偏差时就能被检测出来 B．增加一组输出谷物的湿度测量装置，减少检测误差 C．放慢传送装置的传送速度，以增加测量时间 D．对输入谷物进行湿度测量，并根据测量结果进行定量喷水 答案：（1）C （2）D 板书设计 4.4 控制系统的设计与实施 一、探究控制系统的设计要素 设计要素：目的、被控对象、被控量、干扰因素、设备和元件…… 开环控制系统设计——升旗控制 二、设计与实施雨水收集池水位控制系统 闭环控制系统的设计要求：稳定，控制精度，抗干扰性能 教学反思 本课时内容着重于探究控制系统的设计要素、控制系统设计的一般思路。通过动升旗控制系统和雨水收集池水位控制系统的设计来分别体会开环控制系统和闭环控制系统的设计过程是怎样的。 教学活动中技术体验部分占比较大，学生的参与度决定了本节课的教学效果。在授课时要注重教师授课与学生自主思考之间的平衡，在适当时机引导学生的思考方向，防止耗时过长。 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $