5.3 闭环电子控制系统的设计和应用（教学设计）通用技术苏教版2019选择性必修1

课题 5.3闭环电子控制系统的设计与应用 课时 2课时 教材版本 苏教版通用技术选择性必修1 年级 高二 教学目标 技术意识： 能说出闭环电子控制系统的含义、结构框图（明确画出反馈环节），并能指认其中的设定量、被控量、反馈量、偏差量。 物化能力： 1.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。 2.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。 教学重难点 重点：闭环电子控制系统的结构、工作原理与核心优点。 难点：1.理解反馈环节的作用2.区分设定量、被控量与反馈量。 学情分析 学生已经掌握了开环电子控制系统的设计流程和应用，理解其“控制信号单向流动”的特点及局限性。对传感器、处理电路（如比较器）、执行器等核心部件的工作原理和选用方法有较好掌握，具备基本的系统框图识读与绘制能力。能够设计和实现简单的开环系统，但对于“反馈”概念的引入和实现方式较为陌生，具备一定的逻辑推理和系统分析能力。学生能理解反馈的抽象概念，但难以理解其在实际电路中如何具体实现（即“如何把输出量送回来”）。对闭环系统“检测偏差、纠正偏差”的动态调节过程感到抽象。 难以区分“设定量”和“被控量”这两个关键概念。本节是电子控制系统学习的最高阶段，旨在引导学生从“静态执行”的开环思维，转向“动态调节”的闭环思维。教学设计将通过对比开环、具象化反馈、剖析经典案例，帮助学生构建闭环系统的核心概念，理解其优越性，并初步掌握其设计思路。 课前准备 教学硬件环境：多媒体教室 教学资源：PPT课件，电路搭建工具套装 教学环节 教学过程 一、 课堂导入 创设情境 情景对比 场景A（开环）：教师描述：“一个普通的电风扇，打开三档，无论房间温度是高是低，它都一直以固定的风力吹。” 场景B（闭环）：教师描述：“一台空调，你设定26℃。当房间温度高于26℃时，它开始制冷；当温度达到26℃时，它停止工作或降低功率；如果温度又升高了，它再次启动。” 启发提问：“电风扇和空调，在控制方式上最根本的区别是什么？”“空调比电风扇‘聪明’在哪里？它多了哪个关键动作？” 引导学生说出：空调会“感觉”房间的实际温度，并根据这个感觉来调整自己的工作状态。 教师活动：分析电风扇温度控制系统与空调温度控制系统的组成 引出课题：这个“感觉并调整”的过程，就是反馈。引入了反馈的系统，就像装上了“眼睛”和“大脑”，能够自我调节，我们称之为闭环电子控制系统。今天，我们就来揭开它神秘的面纱。 设计意图：通过语言描述常见电器的工作方式，无需任何实验准备，直观易懂。通过对比，强烈凸显开环系统的“呆板”与闭环系统的“智能”，引发学生思考。自然引出“反馈”这一核心概念，并点明其在实现智能控制中的关键作用。 二、 探究活动 新知讲解 任务一：设计浴室热水温度自动控制系统 教师提问：什么是闭环控制系统？ 答：闭环电子控制系统也称反馈电子控制系统。在闭环电子控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差，从而实现自动控制。闭环电子控制系统是在开环电子控制系统的基础上增加反馈环节构成的，具有较高的控制精度。 案例分析——单一温度热水自动控制系统 设计要求： 1.设计一个电热供水的浴室热水温度自动控制系统。 2.要求温度控制在某一温度值（37℃~40℃范围内）。 设计分析： 1.根据设计要求，确定温度是被控量，水是被控对象。 2.由于对水的温度控制严格地规定了温度允许变化的范围，所以必须使用闭环电子控制系统。通过对被控量的检测和反馈，以实现较高精度的温度控制。 3.按照闭环电子控制系统的方框图，确定预置温度值，选择控制（处理）电路的元器件、输出部件和检测温度的传感器，通过查找资料将各部分用接口电路连接起来，组成一个闭环电子温度控制系统。 学生活动：根据电子控制系统的基本组成，画出浴室热水温度自动控制系统方框图 设计方案：以CF741为核心的温度控制系统（温度控制在某一温度值） 工作原理： ①当水温低于预设温度时，RT的阻值较大，U2小，U2<U3，U6为高电平，VD1点亮，三极管VT导通，继电器触点J­1吸合，电热器通电，对水加热。 ②当水温高于预设温度时，RT的阻值减小，U2增大，U2>U3，U6为低电平，VD2点亮，三极管VT截止，继电器触点J­1断开，电热器停止加热。 设定工作状态： （1）将RT放入盛水的烧杯中，并插入温度计，加入热水使水温达到40℃。 （2）调节R4，使电压U2=U3，此时，VD1、VD2均不发光。 讨论： 本系统在实际进行温度控制时是否实用？存在哪些问题？ 答：本系统虽然电路简单，但只对某一确定温度值进行温度控制，会造成继电器频繁开闭，温度控制受到较大干扰，控制效果不稳定。 任务二：改进浴室热水温度自动控制系统 案例分析——热水温度自动控制系统 （1）设计要求 1.设计一个电热供水的浴室热水温度自动控制系统。 2.要求温度控制在37℃～40℃范围内。 （2）设计分析 1.根据设计要求，确定温度是被控量，水是被控对象。 2.由于对水的温度控制严格地规定了温度允许变化的范围，所以必须使用闭环电子控制系统。将上限温度和下限温度作为被控量，对被控量进行检测和反馈，由于温度控制范围高于常温，当反馈的温度低于下限温度时，开始加热；当反馈的温度达到上限温度时，停止加热。这样循环工作，从而实现一定范围内的温度控制。 3.按照闭环电子控制系统的方框图，确定预置温度范围，选择控制（处理）电路的元器件、输出部件和检测温度的传感器，通过查找资料将各部分用接口电路连接起来，组成一个闭环电子温度控制系统。 4.分析本系统受到的干扰因素，并考虑减少干扰影响的措施。 （3）设计方案A：以555为核心的温度控制系统 设计方案B：以JN6201为核心的温度控制系统 设计和安装闭环电子控制系统的一般步骤 （1）按照设计要求，确定被控量和被控对象。 （2）如果对控制量控制的精确度要求较高，应利用有反馈的闭环电子控制系统对被控量实施控制。 （3）根据闭环电子控制系统的方框图，选择控制（处理）部分的电子电路、输出部分的执行器、检测部分中的传感器，并参照有关资料，通过接口电路将各个部分紧密地连接成一个完整的控制系统。 （4）按照电路图安装电路。 （5）将系统各部分进行整体安装和调试。在调试过程中，输入预置控制量，根据被控量的变化进行监控。认真分析干扰因素对被控量的干扰，并通过调整预置控制量等各种方法把干扰的影响减至最低。 （6）通过制作、试验，发现设计存在的问题，对方案进行改进或优化。 三、 课堂小结 1.闭环电子控制系统是在开环电子控制系统的基础上增加反馈环节构成的，具有较高的控制精度。 2.如果对控制量控制的精确度要求较高，应利用有反馈的闭环电子控制系统对被控量实施控制。 设计意图：以思维导图的形式总结本节课能帮助学生理顺本节课的知识点。 四、 拓展延伸 师：闭环控制不仅是考试重点，更是当前科技发展的核心。 新能源汽车的电池热管理系统 通过温度传感器实时监测电池温度，智能调节冷却系统，确保电池在最佳温度区间工作。其液冷方案：冷却液流经电池冷却板（Battery Cooling Plate, BCP），带走电池产生的热量。直冷方案：制冷剂直接通过蒸发器吸收电池热量（如比亚迪刀片电池冷媒直冷技术）。 设计意图：展示闭环控制在新兴产业中的关键应用，体现学习价值；联系"中国制造2025"，培养学生的科技使命感；为后续学习更先进的控制系统埋下伏笔。 五、 课堂练习 1.如图所示为小明设计的孵化箱温控电路，可将温度保持在37 ℃～39 ℃。下列分析中正确的是 （　　） A.Rt1、Rt2均为正温度系数热敏电阻 B.调整RP1设定下限温度值，调整RP2设定上限温度值 C.温度在37 ℃～39 ℃时，a、b、c均为低电平 D.把3个或非门改成与非门，电路功能不变 答案：B 解析：A项，当温度小于37 ℃时，继电器吸合，电热丝加热，此时三极管VT导通（c=0），即a=0、b=0，Rt1、Rt2阻值大，温度低阻值大，Rt1、Rt2为负温度系数热敏电阻；B、C项，当温度在37 ℃到39 ℃之间时，触发器应处于保持状态，即此时a=0、b=1，b点产生电平转变，故RP1控制下限温度，RP2控制上限温度；D项，若把3个或非门改成与非门，逻辑相反，触发器保持状态转变，a=0、b=1时，触发器无法保持。 2.如图所示是温度区间控制电路，当VD2发光时，表示加热器工作。下列对该电路的分析中正确的是 （　　） A.Rt是正温度系数的热敏电阻 B.VD1虚焊时,电路无法实现区间控制 C.调小Rp2，温度上下限值都增大 D.Rp1滑动端上移，温度下限值增大 答案：B 解析：A项，当温度低于下限时，加热器加热，VD2发光，比较器输出高电平，V＋>V－，Rt的阻值大，温度低阻值大，Rt为负温度系数的热敏电阻；B项，VD1虚焊时，Rp2无法接入电路，则V+没有变化，电路就无法实现区间控制；C项，当温度低于设定的温度下限值时，Rp2不参与工作，即Rp2与下限温度无关；D项，Rp1滑动端上移，Rp1的阻值增大，Rt的阻值变大，温度变低，即温度下限值变小。 3.如图所示为小明设计的恒温控制电路，当温度低于下限温度时，电热丝开始加热，当温度高于上限温度时停止加热。555功能如表所示。下列关于该电路的说法中不正确的是 （　　） A.增大R4的阻值，只有上限温度被调低 B.要只调低下限温度可以调大R3的阻值 C.RT是负温度系数的热敏电阻 D.无论怎么调试电热丝一直加热，可能原因是R5阻值过大 答案：B 解析：A、C项，当温度低于下限时，电热丝开始加热，3脚输出高电位，2、6脚为低电位，RT的阻值大，温度低阻值大，RT为负温度系数的热敏电阻，7脚悬空，此时R4接入电路，即R4与下限温度无关，增大R4的阻值,RT阻值大，温度低，即只调低上限温度；B项，R3同时控制上、下限温度，要只调低下限温度,不能调R3的阻值；D项，R5阻值过大，右侧三极管基极的电流过小，三极管截止，继电器不工作，常闭触点一直闭合，电热丝一直加热。 板书设计 教学反思 1. 本节课的核心在于建立“反馈”和“动态调节”的概念。应避免陷入复杂的控制器电路分析，重在理解系统级的工作逻辑。 2. 对于学有余力的学生，可以鼓励他们尝试绘制一个简单闭环系统（如光控灯升级为恒照度灯）的框图，作为挑战任务。 1 / 8 学科网（北京）股份有限公司 $