資源簡介

通用技術(shù) 必修 技術(shù)與設(shè)計(jì)2
第四章　控制及其設(shè)計(jì)
第一節(jié)　了解控制
教學(xué)背景
黨的二十大報(bào)告指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”。
通用技術(shù)是一門與科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)的學(xué)科。回顧人類的發(fā)展歷程，從石器時(shí)代、青銅時(shí)代、蒸汽機(jī)時(shí)代直到當(dāng)今的信息時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步改變著人類的生活和生產(chǎn)方式。我們的生活、工作、生產(chǎn)處處都要用到技術(shù)，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術(shù)改造的結(jié)果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機(jī)也是技術(shù)發(fā)明的成果。認(rèn)識(shí)技術(shù)、善用技術(shù)，已成為現(xiàn)代人必須具備的素質(zhì)。
教學(xué)目標(biāo)：
理解控制、控制系統(tǒng)的含義及其在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。
了解手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和智能控制的特點(diǎn)。
熟悉什么是開環(huán)控制、什么是閉環(huán)控制，并能夠進(jìn)行簡單區(qū)分。
經(jīng)歷將基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于技術(shù)實(shí)踐和創(chuàng)新的過程，同學(xué)們會(huì)養(yǎng)成實(shí)事求是、精益求精的習(xí)慣，能運(yùn)用規(guī)范的技術(shù)語言和設(shè)計(jì)制作方法去解決一些實(shí)際的技術(shù)問題。
教材分析
本節(jié)內(nèi)容相比于結(jié)構(gòu)，流程與系統(tǒng)，具有一定的獨(dú)立性;而控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，反饋條件的應(yīng)用等，又與其他章節(jié)又有一定的關(guān)聯(lián)性，也是對(duì)流程與系統(tǒng)的延伸與拓展，是深入學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是鞏固學(xué)科核心素養(yǎng)的保障。
學(xué)情分析:
通過這一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于控制的實(shí)踐領(lǐng)域并不陌生，但對(duì)于理論層面的抽象認(rèn)知和系統(tǒng)概括還有一定的提升空間。
教學(xué)重難點(diǎn):
重點(diǎn):理解控制的含義，知道常見控制類型有手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、智能控制、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等。
難點(diǎn):開環(huán)控制、閉環(huán)控制的區(qū)分。
教學(xué)策略:
本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過實(shí)物圖片和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過程中自主探究、自主建構(gòu)設(shè)計(jì)原則知識(shí)并形成能力。
教學(xué)準(zhǔn)備:
展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。
教學(xué)過程:
情景導(dǎo)入:
老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)通用技術(shù) 必修 技術(shù)與設(shè)計(jì)2第四章控制及其設(shè)計(jì)
第一節(jié)了解控制。
控制是一門綜合性學(xué)科，控制和控制系統(tǒng)在人們的生活和生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，學(xué)習(xí)控制及其設(shè)計(jì)的知識(shí)，了解不同種類的控制，理解控制系統(tǒng)中控制的目標(biāo)、控制的過程和控制的機(jī)制等，有助于發(fā)展我們良好的邏輯思維及運(yùn)用控制方法解決實(shí)際問題的能力。
北京時(shí)間2022年10月31日15時(shí)37分，夢天實(shí)驗(yàn)艙由長征五號(hào)B運(yùn)載火靜在我國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。夢天實(shí)驗(yàn)艙成功進(jìn)入400km的預(yù)定領(lǐng)道后，成功與空間站組合體完成交會(huì)對(duì)接，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)位，與天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙一起形成三艙結(jié)構(gòu)的“T”字基本構(gòu)型空間站，標(biāo)志著我國空間站基本構(gòu)型在軌組裝完成，向著建成空間站的目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。
夢天實(shí)驗(yàn)艙此次轉(zhuǎn)位過程包括轉(zhuǎn)位準(zhǔn)備、兩艙分離、艙體轉(zhuǎn)位、側(cè)向捕獲以及轉(zhuǎn)位后的狀態(tài)恢復(fù)等幾個(gè)階段，在浩瀚的太空，完成這一系列動(dòng)作的關(guān)鍵就是精確的控制。
導(dǎo)學(xué)思考
什么是控制 控制的目的是什么
一、控制
控制技術(shù)及其組成的系統(tǒng)在我們的生活中普遍存在，它們?yōu)槿藗兊拿篮蒙詈透咝Чぷ魈峁┝吮憷?br/>實(shí)踐
一個(gè)簡易的磁控系統(tǒng)
體驗(yàn)?zāi)康?br/>體驗(yàn)控制技術(shù)的神奇，感受控制技術(shù)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
材料準(zhǔn)備
所需材料如圖4-2所示。
電池接線端、9V電池、干黃管、發(fā)光二極管、小磁鐵、電阻、方能板、導(dǎo)線。
實(shí)驗(yàn)工具
電烙鐵，焊接錫絲
實(shí)驗(yàn)步驟
接圖4-3將元器件焊接在萬能板上，然后用小磁鐵靠近干黃管，觀察發(fā)光二極管的變化。
討論
1.如果將本實(shí)驗(yàn)改為一個(gè)電風(fēng)扇的控制電路，你認(rèn)為應(yīng)該怎祥改
2.該實(shí)驗(yàn)可否改為房門或窗戶的開關(guān)報(bào)警電路
3.查閱資料，了解干黃管的多種應(yīng)用，體會(huì)電子控制技術(shù)的豐富多彩。
控制并不只出現(xiàn)在高精尖的應(yīng)用上，我們經(jīng)常可以聽到“控制情緒”“控制溫度”“控制速度”等說法。在日常生活中，我們都在有意或無意地進(jìn)行著控制：騎自行車時(shí)，如果車速太快，我們會(huì)剎車使車速慢下來（圖4-5):；當(dāng)室內(nèi)溫度太高時(shí)，我們可以打開空調(diào)，使室溫變得更加舒適（圖4-6) 等。
實(shí)際上，如果我們希望某一事物按照自己的意愿發(fā)展，就要對(duì)其進(jìn)行干預(yù)，這樣根據(jù)自己的目的，通過一定的方法使事物向著期望的目標(biāo)發(fā)展，就形成了控制。
人類利用控制技術(shù)為自身服務(wù)已有很長的歷史。例如，古老的轆轤(圖4-7)和操控它的人構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，它在人的操控下可將水從水井里提升上來。
在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，控制無處不在，并在各行各業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用(圖4-8至圖4-11)。
射箭是一項(xiàng)既古老又現(xiàn)代的體育運(yùn)動(dòng)（圖4-12)。射箭時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的腦子里會(huì)確定期望的目標(biāo)（靶心)，然后根據(jù)場地的情況及自己的經(jīng)驗(yàn)，通過手臂控制弓箭，將箭射出。
1.射出的箭能否等在靶心，主要取決于哪些因素
2.射箭時(shí)，風(fēng)是否會(huì)對(duì)箭的飛行造成干擾
案例
1.電飯煲的工作原理是煮飯開關(guān)被按下時(shí)，銜鐵被頂上移，在較強(qiáng)的磁力作用下，銜鐵與感溫磁鋼吸合，聯(lián)動(dòng)杠桿的觸頭開關(guān)閉合，電源與電熱盤連接，開始對(duì)食物加熱。當(dāng)電飯煲內(nèi)的水蒸發(fā)掉，鍋底的溫度為( 103±2)°C時(shí)磁鋼的吸引力退速減弱，當(dāng)銜鐵受到磁鋼的吸引力小于彈簧所給的彈力時(shí)，銜鐵就會(huì)被彈簧推開，并在重力的共同作用下往下掉，進(jìn)而推動(dòng)杠桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)頂在觸頭開關(guān)下的彈簧片下移，使彈簧片上的觸頭斷開，電源與發(fā)熱盤的連接斷開，電飯煲完成煮飯。
2.控制技術(shù)在軍事上也有著廣泛的應(yīng)用。圖4-14是一種紅外制導(dǎo)的導(dǎo)彈。所謂紅外制導(dǎo)就是對(duì)目標(biāo)輻射的紅外線進(jìn)行跟蹤和測量，控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的技術(shù)。導(dǎo)彈上的紅外位標(biāo)器(導(dǎo)引頭）接收目標(biāo)輻射的紅外線，經(jīng)信息處理后得出目標(biāo)的位置與參數(shù)信號(hào)，控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。
立即行動(dòng)
1.在射箭和紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的例子中，都涉及命中目標(biāo)。從控制的角度著，你認(rèn)為哪個(gè)命中目標(biāo)的概率更大，為什么
2.列舉一些關(guān)于控制的例子，指述它們的控制過程。
二、手動(dòng)控制
如果控制的過程都必頻在人的直接成間接干預(yù)下才能完成控制任務(wù)（如射箭、鼠標(biāo)控制等），我們稱之為手動(dòng)控制。
手動(dòng)控制是我們最常用的一種控制方式，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成本也較低。由于手動(dòng)控制需要人直接或間接干預(yù)，所以控制的效果往往與控制者的技能高低、心理狀態(tài)、生理狀態(tài)、外部環(huán)境等因素有較大的關(guān)系。但由于人的高度智能，手動(dòng)控制又能完成很多其他控制方式不能完成或很難完成的任務(wù)，如在復(fù)雜環(huán)境下汽車、飛機(jī)的駕駛等。
立即行動(dòng)
1.請(qǐng)列舉生活中關(guān)于手動(dòng)控制的應(yīng)用案例。
2.自動(dòng)感應(yīng)水龍頭是當(dāng)人手靠近時(shí)才會(huì)自動(dòng)出水的，所以屬于手動(dòng)控制。你認(rèn)為這種說法對(duì)嗎 為什么
三、自動(dòng)控制
如果控制過程不需要人的干頂，此能達(dá)到期望的控制效果，則稱為自動(dòng)控制。
紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和電冰箱的溫度控制，都屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)。
自動(dòng)控制的過程不需要人的干預(yù)，可以代替人們完成很多工作，從而減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在人們的日常生活中，如掃地機(jī)器人、全自動(dòng)洗衣機(jī)(圖4-16)等。但自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，同時(shí)由于人類科學(xué)知識(shí)和技術(shù)水平的局限性，一些復(fù)雜的控制也很難完全由機(jī)器完成。
立即行動(dòng)
1.你認(rèn)為目前哪些控制行為很難由機(jī)器自動(dòng)完成
2.電梯到達(dá)樓層的設(shè)定基本要由人來操作，所以電梯的控制屬于手動(dòng)控制，你認(rèn)為正確嗎 為什么
3.參照表4-1第1項(xiàng)的表述，寫出表中其他控制的方式。
表4-1 控制及其方式
序號(hào) 控制 控制的方式
1 抽水馬桶的進(jìn)水控制 自動(dòng)控制
2 電冰箱的溫度控制
3 變地自行車的速度控制
4 電視機(jī)的遙控系統(tǒng)
5 教穿墻上的電燈控制
6 電飯保的溫度控制
四、智能控制
智能控制的定義有很多種，其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為智能控制是類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。智能控制是控制技術(shù)與理論發(fā)展的高級(jí)階段，主要用來解決那些在復(fù)雜系統(tǒng)中用傳統(tǒng)方法難以解決的控制問題。這些向題的求解過程與人腦的思維過程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。
案例
自動(dòng)駕駛汽車，又稱無人駕駛汽車、電腦駕駛汽車或輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一種通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人駕駛的智能控制系統(tǒng)（圖4-17）。自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的研發(fā)，在20世紀(jì)已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，于21世紀(jì)初呈現(xiàn)出接近實(shí)用化的趨勢，自動(dòng)駕駛汽車依靠人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓計(jì)算機(jī)可以在沒有人的主動(dòng)操作下，自動(dòng)安全地操控機(jī)動(dòng)車輛。
立即行動(dòng)
1.上網(wǎng)搜索有關(guān)智能控制的進(jìn)展及其涉及的學(xué)科。
2.機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人的功能將越來越強(qiáng)大，你對(duì)未來的機(jī)器人有什么看法呢
五、開環(huán)控制和閉環(huán)控制
同學(xué)們可能都玩過“畫鼻子”游戲（如圖4-18） ，參加游戲的同學(xué)需要在畫像前幾米的地方蒙著眼睛，然后走近畫像，用手中的筆為畫像畫上鼻子。
這個(gè)游戲過程實(shí)際上就是一個(gè)控制的過程。在游戲中，如果不蒙住雙眼，我們就可以通過眼睛隨時(shí)將自己的行走路線和手的位置反饋給大腦，大腦將希望的結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較，如有偏差，便調(diào)整手腳的動(dòng)作及時(shí)糾正，所以很容易畫得準(zhǔn)確。而蒙住雙眼，我們就不能將前進(jìn)路線和手的位置反饋給大腦，想把鼻子畫在準(zhǔn)確位置上就非常困難。
能將控制的結(jié)果反饋回來與期望值進(jìn)行比較，并根據(jù)它們的誤差調(diào)整控制作用的控制過程，稱為閉環(huán)控制。而不能將控制的結(jié)果反饋回來影響控制作用的控制過程，稱為開環(huán)控制。將控制結(jié)果反饋回來的部分，稱為反饋環(huán)節(jié)。
案例
1.我們在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，通常用鼠標(biāo)進(jìn)行操作，我們利用眼睛觀察鼠標(biāo)的光標(biāo)，根據(jù)實(shí)際需要，通過控制鼠標(biāo)的移動(dòng)將光標(biāo)移到相應(yīng)位置。
2.我國的北斗定位系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System） 都能提供精確的地理位置信息，在航海、航空和城市交通中有著廣泛的應(yīng)用。如果開車前往一個(gè)不熟悉路線的地方，利用北斗定位系統(tǒng)或GPS導(dǎo)航，就可以相對(duì)容易地到達(dá)目的地。
立即行動(dòng)
1.根據(jù)開環(huán)控制和閉環(huán)控制的定義，指出控制鼠標(biāo)，紅外制導(dǎo)和單次射箭分別屬于哪類控制，它們的反饋環(huán)節(jié)是由什么組成的
2.在人類活動(dòng)中有很多控制行為，舉出分別以眼、耳、鼻、皮膚（觸覺）為反饋環(huán)節(jié)的控制例子。
3.有人說，在射箭時(shí)，箭射出后，射箭者的眼晴可以將箭的飛行路線反饋給大腦，所以射箭的過程屬于閉環(huán)控制，這種說法對(duì)嗎 為什么
4.分別列舉幾個(gè)開環(huán)控制和閉環(huán)控制的例子，并比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
5.閉環(huán)控制都是自動(dòng)控制嗎 請(qǐng)舉例說明。
6.手動(dòng)控制都是開環(huán)控制嗎 請(qǐng)舉例說明。
閉環(huán)控制過程中由于能對(duì)控制進(jìn)行不斷糾正，所以一般能夠得到較好的控制效果。但閉環(huán)控制中存在反饋環(huán)節(jié)以及要進(jìn)行反饋量與期望值的比較運(yùn)算，所以結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也較高。當(dāng)對(duì)控制的精度要求不高或組成系統(tǒng)的器件穩(wěn)定性較高時(shí)，采用開環(huán)控制也能得到預(yù)期的效果。如家用電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制、房間電燈開關(guān)的控制等，都屬于開環(huán)控制。
知識(shí)窗
噴墨打印機(jī)中打印頭的位移控制
打印機(jī)( 圖4-22)可以打印出精美的圖文，是由打印頭在打印過程中不斷移動(dòng)而將圖文一點(diǎn)點(diǎn)“描繪”出來的。可見，確保打印頭在打印過積中精確地移動(dòng)至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)打印頭移動(dòng)的是一種稱為步進(jìn)電機(jī)的器件，這種電機(jī)每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，它就精確地轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可使打印頭做精確的位移。步進(jìn)電機(jī)在繪圖儀、機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備等方面市有廣泛的應(yīng)用。
由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入的脈沖數(shù)有精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在確定了步進(jìn)電機(jī)的初始位置后，不需要反饋環(huán)節(jié)也能獲得精確的控制效果。
討論、思考、形成小論文。
每位同學(xué)組織一篇小作文，可以從不同的方面進(jìn)行展開。
完成后，與同學(xué)們進(jìn)行討論、分享。
課后作業(yè)
1.工業(yè)革命和控制技術(shù)有什么關(guān)系？請(qǐng)查閱相關(guān)資料，談?wù)勀愕目捶ā?br/>2.什么是智能控制 請(qǐng)舉例說明。
3.自動(dòng)控制一定是閉環(huán)控制嗎 請(qǐng)舉例說明。
4.如果將射箭訓(xùn)練及比賽作為一個(gè)控制過程，從控制技術(shù)的角度分析這個(gè)過程是屬于開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，并說明原因。

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