4.4 控制系统的初步设计教学设计-2025-2026学年苏教版高中通用技术必修二

课题：4.5控制系统方框图的绘制与设计 授课时间： 一、背景分析 1、课标分析：熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程，理解其中的控制器、执行器的作用，了解干扰现象和反馈原理，并用方框图表达控制系统的工作过程。根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量，进行简单的控制系统的方案设计，并搭建一个简易的控制系统装置，进行调试运行和综合评价。 2、教材分析：通过生活具体情景自动浇花任务，学习理解开环控制系统和闭环控制系统的基本组成与工作过程，并学会用方框图表达工作过程。经过实例练习迁移理解控制系统工作过程，熟悉用方框图表达控制过程，在此基础上设计控制系统方案，再搭建一个控制系统装置或模型并进行调试运行实现。 3、 学情分析：学生对开环控制方框图闭环控制方框图，有比较熟悉，从已知原理和装置实例到绘制方框图的绘制已经可以完成，但从一个目的倒推，输出量比较容易，找合适的被控对象不难，找到控制量来确定执行器，需要由结果逆向思维来确定，由一定挑战。学生由难度的地方在于实践制作、连线、调试，但物理上的电路的知识基础，电路链接可以实现。学生模拟试验需要试验报告的指引怎么做。学生对动手创造实现自动控制感兴趣，有动手实践的兴趣和价值感。 二、教学目标 核心素养目标 （1）创新设计：根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量，进行简单的控制系统的方案设计。 （2）工程思维：运用系统分析的方法，针对这一技术领域的问题进行要素分析，并运用简易建模的方法进行设计。 （3）图样表达：运用控制方框图的形式对意念中控制系统进行可视化的表达。德育渗透目标： 感知控制技术给人们带来的价值，接纳我们生活的技术世界的变化，热爱生活，促进形成创新意识、规范意识，严谨的工作态度。 三、教学重点、教学难点 教学重点：被控对象的确定、控制量的确定、控制系统设计的步骤应用。 教学难点：搭建控制系统装置，并调试运行。 四、教学方法和策略 案例分析法、情景教学、小组合作学习，工作过程引导分析法。 5、 教学用具 课件、导学案、模拟试验器材、试验记录单、学习过程性评价表。 六、教学过程 1、 游戏导入，指令执行反应力游戏，闭眼话鼻子游戏，感受开环闭环工作方式的不同。 教师： 在黑板上划头像。 我们先请位同学来玩儿一个划鼻子游戏，上讲台先把眼睛蒙上。好现在请这位同学给我们刚才画的娃娃，绘制鼻子。其他同学思考，这是一个开环还是闭环的工作方式？（提示：输出量会不会影响控制） 学生： 完成话鼻子游戏。开环。 教师： 看视频，看这个游戏是开环还是闭环?（提示：输出量会不会影响控制） 学生 闭环。 教师： 展示开环闭环控制方框图 板书 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 2 展示智能家居工作实例 教师 播放智能家居短片，输出是什么？分别是开环还是闭环工作方式？ 教师 离家关灯关电 语音开电器 语音打开窗帘 人体感应厨房亮灯 智能马桶人走进开盖 智能浴霸提前打开 语音关窗帘关灯 雨水感应关窗 智能门锁开锁 学生 （小组内合作，讨论完成，抽组汇报，教师辅助讲解） 离家关灯关电 输出关灯 输入按按钮 开环 语音开电器 输出电器打开 输入语音指令 开环 语音打开窗帘 输出窗帘打开 输入语音指令 开环 人体感应厨房亮灯 输出灯亮 输入感应到人 开环 智能马桶人走进开盖 输出开盖 输入感应到人 开环 智能浴霸提前打开 输出开灯 输入语音指令 开环 语音关窗帘关灯 输出关灯关窗帘 输入语音指令 开环 雨水感应关窗 输出关窗 输入感应到雨水 开环 智能门锁开锁 输出锁打开 输入指纹 开环 教师 提示：输出量会不会影响控制过程。信号是否单向？还是闭合回路。 学生 感受控制选用的开、闭环的情景。感受目的为输出，输入什么由人来控制。 3 探索已知的智能家居实例的工作装置和控制方框图。（开环、闭环） 教师 语音打开窗帘的控制。 输出是窗帘打开。被控对象是什么？可能是一个什么装置来带动窗帘的打开？设想可以是一个什么样的装置来实现？说说思路。 学生 窗帘 类似升国旗的装置， 板书 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 语音控制窗帘： ——>窗帘——>窗帘开/关 学生 以小组为讨论：说出解决办法。示例:升降国旗的装置，把它横过来，电动机带动，两端装上齿轮，转就开了，反转就关了。 教师： 此时，这个思路是可能实现的，电动机变化带着齿轮或者滑轮窗帘就都变了。电动机是执行器。 一起来试着继续完成，其控制方框图。此时控制器对输入信号进行处理翻译后，给执行器电动发出工作指令，控制室翻译的输入信号，这里是什么。 至于控制器怎么翻译的？我们本节课，不学。我们在高一的时候，学过的米斯奇，就是一个微型控制器，可以接受信号、翻译后执行指令。 教师 雨水感应关窗 输出关窗 输入感应到雨水 开环 输出是关窗，被控对象是窗户。设想可以是一个什么样的装置来关上窗户，实现？说说思路。 板书 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 语音控制窗帘： ——>窗帘——>窗帘开/关 下雨自动关窗： ——>窗户——>窗户打开扇关 学生 以小组为讨论：说出解决办法。示例:推杆，或者拉杆，打开不工作，关上的关上的时候拉回来，再转把手锁住窗户。只有打开的窗户时，雨水感应器通电，工作。 教师 把下雨关窗，改一下，有没有，能感应到沙尘天气的东西，让窗户关上的感应器。？ 板书： 下雨自动关窗： 刮砂尘关窗控制： 学生 （小组讨论写下可能的答案，主动汇报） 输入量是什么？ 被控对象是窗户， 怎么实现窗户关上？控制量是什么？ 开环、闭环。 4 参照现有智能家居，尝试设计，新控制系统。 教师 想家里面，创造适宜的温湿度气候的感觉，气候家庭湿度控制系统，此时， 板书 教师 此时，我们的目的是控制房间内的湿度，希望它自动达到我们想要的湿度，我们用开环控制还是闭环控制来实现？检测装置是测房间内空气实际湿度的，是什么。 学生 （小组讨论合作完成，举手汇报） 控制目的是什么？ 被控对象是什么？怎么实现窗户的关？ 要不要测房间实际湿度？开环、闭环？ 试写写控制方框图， 5 设计水位低，光报警装置。 教师 被控对象会有的状态是什么？ 通过什么来实现被控对象的什么状态？ 控制量是： 开环、闭环？ 控制方框图： 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 学生 （小组合作，哪些分析出来，教师辅助解决） 被控对象会有的状态是什么？ 灯亮 、灭 通过什么来实现被控对象的什么状态？ 通电 、断电， 通过输入给被控对象通电、断电，来实现对被控对象信号，亮与灭。控制量是：通电、断电。 开环、闭环？开环。 控制方框图： 低水位——>控制器——> 开关 —通断—> 红色灯 ——>灯亮灭 教师 控制设计的步骤： 1目的明确，分析被控对象，定输出量。 2改变什么参数来实现被控量的控制。即，确定控制量。 3开环、闭环？ 4试着完成控制方框图。 板书： 控制设计的步骤 目的，分析被控对象，定输出量。定控制量。开闭环？画控制方框图。 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 语音控制窗帘： ——>窗帘——>窗帘开/关 下雨自动关窗： ——>窗户——>窗户打开扇关 低水位——>控制器——> 开关 —通断—> 红色灯 ——>灯亮灭 5 设计可以设定湿度，并自动浇水，保持湿度的控制系统。 教师 控制设计的步骤： 1目的明确，分析被控对象，定输出量。 2改变什么参数来实现被控量的控制。即，确定控制量。 3开环、闭环？ 4试着完成控制方框图。 学生 （小组合作，解决了哪些，教师辅助）（学生汇报控制方框图内容） 控制设计的步骤： 1目的自动浇水定在特定想要的湿度。被控对象是菜园子里的土壤。 2改变浇水与不浇水参数来实现被控量的控制。即，确定控制量。 3开环、闭环？闭环。 4试着完成控制方框图。 设定湿度-⨂- 控制器-阀门/水泵-浇水/不浇水-菜园子土壤-湿度 湿度 板书 根据设定湿度自动浇水控制设计： 被控对象，定输出量。定控制量。开闭环？画控制方框图。 设定湿度-⨂- 控制器-阀门/水泵-浇水/不浇水-菜园子土壤-湿度 土壤湿度传感器 6 准备控制系统的材料，搭建控制系统，并进行调试。 教师： 需要的装置有：控制器：可以设定湿度。执行器：水泵。被控对象：菜园土壤。检测装置：土壤制度传感器。 教师 演示：控制现象的实现。展示上述现象。播放视频微课。 教师 演示调试湿度。播放视频微课。 学生 感受其工作过程。怎么做的。试验步骤，调试步骤，链接组装细节和流程。 现场演示，组装流程， 准备的设备：有，1控制器：可以设定湿度。执行器：2水泵。被控对象：3菜园土壤。检测装置：4土壤制度传感器。 材料：导线、接线器、电源、 7七、 课堂小结 教师 控制系统设计的步骤思路 控制系统设计的步骤： 1目的明确，分析被控对象，定输出量。 2改变什么参数来实现被控量的控制。即，确定控制量。 3开环、闭环。 4试着完成控制方框图。 8、 作业设计 (附件：“控制系统设计导学案”为控制设计作业1) 9、 板书设计 控制设计的步骤 目的，分析被控对象，定输出量。定控制量。开闭环？画控制方框图。 输入量 ——>控制器——> 执行器 ——> 被控对象 ——>输出量 语音 雨水感应 控制质量检测 ——>窗户——>窗户开关 低水位——>控制器——> 开关 —通断—> 红色灯 ——>灯亮 设定湿度-⨂- 控制器-阀门/水泵-浇水/不浇水-菜园子土壤-湿度 土壤湿度传感器 10、 教学反思 《技术与设计2》控制设计导学案 小组编号姓名：（示例，高二3班第一组***：020301 ***） 1、智能家居控制实例类型分析，请写出输出量是什么？判断输出量受谁的影响，输出量是否影响控制过程，判断并写出是开环还是闭环工作方式？ 控制功能 输出量 判断开环/闭环 玄关智能中控屏按离家模式关全屋灯光电器 语音开电器 语音打开窗帘 走进厨房人体感应亮灯 智能马桶人走进开盖 智能浴霸预定时间提前打开 语音关窗帘关灯 雨水感应关窗 智能门锁输入密码开锁 2、新疆库尔勒自动关窗系统改造设计 1） 原系统分析（感应雨水关窗） 2）气候适应性改造方案，库尔勒风沙大： 增加______传感器 3、生活家园气候改造之自动湿度控制系统设计 控制分析表-分析以下项目是什么 内容 控制目的、输出量 被控对象 控制目的， 控制量，通过什么装置来实现对输出量的控制？ 开环/闭环 绘制控制系统方框图： 4、问题情景：窗台种植园控制系统。 窗台种植园浇水系统功能：1水箱水位低自动光报警系统，即水箱报警系统。2根据设定湿度自动浇水系统，即湿度控制系统。 5、水箱缺水光报警系统设计 依据控制目的，分析控制系统的下列项目，并写出具体是什么？ 分析项目 内容 控制目的，输出量 被控对象 控制量，改变什么来实现对输出量的控制？ 开环/闭环 绘制水箱缺水光报警系统控制方框图： 6、根据设定湿度自动浇水控制系统设计 依据控制目的，分析控制系统的下列项目，并写出具体是什么？ 分析项目 内容 控制目的，输出量 被控对象 控制量，改变什么来实现对输出量的控制？ 开环/闭环 绘制根据设定湿度自动浇水控制系统方框图： ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $