資源簡介

第三節(jié)：簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計
一、學(xué)習(xí)目標
1.能進行簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計，并制作一個簡單的控制裝置、能夠?qū)υO(shè)計方案進行優(yōu)化。
2.能正確閱讀所設(shè)計的項目電路圖、元件圖，并形成良好的設(shè)計習(xí)慣。
二、素養(yǎng)目標
技術(shù)意識：結(jié)合生活中的技術(shù)情境，收集生活中的技術(shù)案例并加以分析,能根據(jù)設(shè)計的需求，面對技術(shù)情境，明確要解決的技術(shù)問題，并根據(jù)現(xiàn)有條件制訂解決技術(shù)問題的方案，形成一定的設(shè)計能力,形成正確的技術(shù)觀。
工程思維：通過所設(shè)計制作的控制項目進行控制系統(tǒng)方案的分析，理解其工作原理和特性，總結(jié)出控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。能根據(jù)設(shè)計要求搭建一個控制系統(tǒng)裝置，了解所用元件材料的性能，掌握基本工具的使用方法，能對所搭建的系統(tǒng)進行運行調(diào)試和綜合評價。
三、教學(xué)重點、難點
重點：制訂設(shè)計項目的方案。
難點：根據(jù)制定的方案，進行項目的實施。
四、教材情況
本節(jié)內(nèi)容是對本章知識的具體應(yīng)用，要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計的基本流程。然后利用前面所學(xué)知識根據(jù)實際需要設(shè)計一個簡單的控制系統(tǒng)，在理論的指導(dǎo)下進行實例設(shè)計。要求學(xué)生熟悉所用到的材料的屬性和常用工具的使用方法。
五、學(xué)生情況
由于學(xué)生對電子電路比較陌生，不太了解電子元器件的特性，對于電子電路圖和電路的焊接也不熟悉，因此需要教師在實踐活動開始前，先進行相關(guān)知識的講解。
六、教學(xué)過程
1.新課引入
思考：為什么電磁爐之上一般都有一個童鎖按鍵？有的插座之上每個插孔都有單獨的開關(guān)？汽車的空擋要設(shè)置在前進擋和后退擋的中間？
2.控制系統(tǒng)概論
控制系統(tǒng)設(shè)計的基本流程如下：
第一步，確定控制的目的。如速度控制是為了達到一定的速度；溫度控制是為了獲得一個合適的溫度等。
第二步，確定系統(tǒng)的被控量。被控量就是為了達到控制目的，我們實際需要控制的量。一般情況下，系統(tǒng)的控制目的就是系統(tǒng)的被控量。如速度控制系統(tǒng)的被控量是速度；溫度控制系統(tǒng)的被控量是溫度。但有時控制目的和被控量也不是同一對象，如為了控制化學(xué)反應(yīng)的速度，我們通過控制化學(xué)反應(yīng)的溫度來實現(xiàn)；為了避免高速公路的交通事故，我們通過控制車速來實現(xiàn)。
第三步，明確被控量應(yīng)達到的精度指標。如速度、溫度的精度指標等。
第四步，選定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)控制系統(tǒng)的各項指標（控制精度、造價等），確定控制的類型同時根據(jù)被控對象確定執(zhí)行器。
第五步，建立控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。大型或復(fù)雜的控制系統(tǒng)要通過建立模型來分析。因此要建立控制器、被控對象、執(zhí)行機構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)模型。
第六步，確定待調(diào)參數(shù)。找出能影響系統(tǒng)性能的一些參數(shù)作為調(diào)整對象，通過對他們的調(diào)整，使系統(tǒng)達到最佳性能
第七步，分析、測試控制系統(tǒng)的性能。若性能不能滿足設(shè)計規(guī)范要求，就要重新確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、部件性能等指標。若滿足規(guī)范要求，設(shè)計工作就可以結(jié)束。
3.設(shè)計實例：led數(shù)碼顯示器的設(shè)計
LED數(shù)碼管是由8個發(fā)光二級管封裝在一起組成8字形的器件，其中7個發(fā)光二極管組成“8”字形的每一段，1個發(fā)光二極管組成一個小數(shù)點。這8個發(fā)光二極管的組成如下圖所示，各段分別用字母A、B、C、D、E、F、GDP來表示。
（1）明確設(shè)計的目的
一個使用的LED數(shù)碼顯示器通常由多位數(shù)碼管組成。但設(shè)計只用到一個數(shù)碼管，通過適當?shù)脑O(shè)計，完成0-9的顯示。
（2）確定被控量及設(shè)計指標。
我們采用LED作為發(fā)光原件，顯示的數(shù)字是以光的形式顯現(xiàn)，所以該設(shè)計的被控量就是LED數(shù)碼管各段的亮度，且只有亮、滅兩種狀態(tài)。
（3）確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
通過上述步驟，我們就可以根據(jù)具體的要求來確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。怎樣控制LED數(shù)管8個段的亮、滅是該設(shè)計的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)、手動和自動等形式，你決采取哪種形式呢
（4）選擇實現(xiàn)方法
讓LED數(shù)碼管顯示特定數(shù)碼最簡單的方法就是采用機械開關(guān)進行手動控制。假設(shè)我們要顯示數(shù)字“3”，且采用圖4-30所示的共陽極數(shù)碼管，由數(shù)碼管各的排列分布可知顯示“3”應(yīng)使AB、C、DG段發(fā)光，所以開關(guān)與LED數(shù)碼管的連接如圖所示。
（5）部件模型及主要參數(shù)的確定。
對一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，先要對系統(tǒng)中的各部分建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后進行一些理論分析和仿真。當系統(tǒng)較為簡單時，我們可以先通過簡單的運算、得到一些必要的參數(shù)，然后用實驗的方法調(diào)試，校正系統(tǒng)的工作狀態(tài)，直到滿意為止。
（6）驗證完成你的設(shè)計。
確定了設(shè)計方案，并按選定的控制方法驗證了各部分的工作后，就可以將它們組裝起來。在《技術(shù)與設(shè)計1》中，我們學(xué)習(xí)了各種設(shè)計和交流的方法，應(yīng)盡可能做到用計算機繪制各部分的原理圖及安裝圖；設(shè)計系統(tǒng)制作的工作流；協(xié)同工作，共同完成整個設(shè)計。
（7）評估你的設(shè)計。
完成設(shè)計后，為了測試系統(tǒng)設(shè)計是否達到預(yù)期目的，還需要從以下幾個方面進行評估。系統(tǒng)否安全、可靠 能否按設(shè)計的要求工作 其他同學(xué)對你的設(shè)計有什么看法 整個系統(tǒng)的造價是多少 如果你有更多的時間，你會對其做哪些改進 設(shè)計一份用說書。
（8）優(yōu)化你的設(shè)計。
上面的設(shè)計對我們學(xué)習(xí)和理解LED數(shù)碼管的工作原理和工作方式很有意義，但由于一次連線只能顯示一個數(shù)字，實際的應(yīng)用價值有限。我們怎樣將它做得更合理、更智能呢？這就要用到電子技術(shù)的一些知識，下圖是采用4511專用集成電路控制1位數(shù)碼管的原圖，這個電路可以通過4個開關(guān)的組合來控制數(shù)碼管的顯示，是不是比起前面的設(shè)計靈行性高了很多
七、教學(xué)反思
本節(jié)為實踐節(jié)，是整章的核心內(nèi)容，學(xué)生要從具體的知識轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｉ钪械膶嵺`，可以適當增加具體案例或者準備一些實驗器材，讓學(xué)生在行動中去理解如何進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。

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