資源簡介

通用技術 必修 技術與設計2
第四章　控制及其設計
第二節 控制系統的組成和描述
教學背景
黨的二十大報告指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略”。
通用技術是一門與科學技術息息相關的學科。回顧人類的發展歷程，從石器時代、青銅時代、蒸汽機時代直到當今的信息時代，技術進步改變著人類的生活和生產方式。我們的生活、工作、生產處處都要用到技術，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術改造的結果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機也是技術發明的成果。認識技術、善用技術，已成為現代人必須具備的素質。
教學目標：
熟悉簡單開環控制、閉環控制的基本組成和工作過程，了解反饋的基本原理。
理解控制系統中控制器、執行器和被控對象等的作用，能用方框圖對一個控制系統進行表達，
能夠分析簡單的被控對象的基本特征，確定被控量、控制量。
經歷將基礎知識應用于技術實踐和創新的過程，同學們會養成實事求是、精益求精的習慣，能運用規范的技術語言和設計制作方法去解決一些實際的技術問題。
教材分析
通過對第一節的學習，我們已經了解了手動控制、自動控制、智能控制、開環控制和閉環控制的基本概念，本節主要是把各種形式的控制系統的結構組成進行描述，從而概括出控制系統由控制器、執行器、被控對象、控制量、被控量、反饋環節等這些環節組成，用方框圖的形式把開環控制系統和閉環控制系統表述出來。
學情分析:
學生在前面的學習中已經了解了控制的應用，初步認識了開環控制系統和閉環控制系統。但是學生仍缺乏從技術上辨析開環控制系統和閉環控制系統的能力。對一個具體控制案例，很難準確判定控制器執行器和被控對象等環節。
教學重難點:
重點:理解控制器、執行器、控制量、被控對象、被控量。
難點:確定控制器、執行器、被控對象。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物圖片和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中自主探究、自主建構設計原則知識并形成能力。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習通用技術 必修 技術與設計2第四章控制及其設計
第二節控制系統的組成和描述。
對衛星進行控制的任務是由測控站完成的，測控站直接對衛星等航天器進行跟蹤測量、遙測、遙控和通信等，它將接收到的測量、遙測信息傳送給航天控制中心，根據航天控制中心的指令與航天器通信，并配合控制中心完成對它們的控制。除此之外，測控站也可根據設定的程序獨立實施對航天器的控制。
測控站的設備包括外測系統、遙測系統、遙控系統、通信系統、電視系統、時間統一系統、計算機系統以及其他輔助設備等。可見，對衛星等航天器的控制是由一個非常龐大的控制系統完成的。
其實，我們的生活中也存在很多不同的控制系統，不同的控制系統有不同的組成、結構和控制過程，以達到不同的控制目的，如電燈控制系統、交通控制系統等。
導學思考
測控站控制系統由哪些部分組成 它是如何工作的 你能按照繪制流程圖的方法對測控站控制系統進行表達嗎
一、控制系統的組成
一個控制過程的實現，往往要經過若干個環節，這些環節構成了一個系統，所以我們可以把它看作一個控制系統。
通過前面的學習，我們知道控制系統是多種多樣的。為了方便對控制系統進行分析和描述，可用方框圖的形式描述一個控制系統。在單次射箭和騎自行車的例子中，如果將人也看作系統中的一部分，則可分別用圖4-3、圖4-24描述它們的控制過程。
在圖4-24中:
期望值（即基準量，又叫給定量）——道路的方向
大腦——比較器和控制器
肢體——執行器
自行車（主要是指車頭）——被控對象
行駛方向——被控量
眼睛（包括神經傳輸系統）——反饋環節
比較圖4-23和圖4-24可以發現，后者在結構形式上比前者多了一個將實際行駛方向反饋到輸入端的反饋環節，即人的眼睛。正是由于有了眼睛這個反饋環節，才能保證騎車人使自行車始終行駛在正確的道路上。由于反饋環節的存在，使圖4-24在信號的流動上形成一個閉合回路，這也是該類控制被稱為閉環控制的原因，反饋環節是閉環控制的必要條件。
圖4-23和圖4-24都是對一個具體的控制實例進行的描述。控制系統具有多樣性，如果將每個控制系統都用這樣的方法來描述，每個方框圖的具體內容會有很大的不同，這會給人們分析和描述控制系統帶來很多不便。能不能用一種更統一的形式表示各種控制系統呢
立即行動
如果將你的身體看成是一個控制系統，在你從書架上章一本書的過程中，身體各部位分別發揮了什么作用（表4-2） 如果還需要去搬一張凳子，結論會有什么變化
表-2 拿書時與身體各部位的作用
控制系統 發揮對應作用的身體部位
發出命令
執行命令
控制的作用對象
反饋環節
在工程領域，控制系統的控制過程與人進行控制的過程是相似的。兩者都有控制指令的發出者、控制指令的執行者，如果是閉環控制，則還存在反饋環節。可見不管控制系統的目的有多么不同，它們的基本架構是相似的，因此我們引入了控制器、控制量、被控對象、被控量等概念。
在圖4-23和圖4-24中，人的大腦都是控制命令（信號）的發出者，我們將這一部分稱為控制系統的控制器。
控制系統都有確定的控制目的。騎自行車要控制的是自行車的前進方向；射箭的目的是控制箭飛向我們期望的落點。所以自行車的行駛方向、箭的落點就是這兩個控制系統中的被控量。
自行車在前進過程中由于路況等因素的變化，其方向是不斷變化的，要使自行車按照期望的方向前進，需要對自行車進行控制；而在射箭的例子中，箭的落點是通過對箭的控制來實現的。自行車和箭就是這兩個控制系統中的被控對象。
很多時候控制器發出的命令并不能直接對被控對象產生影響。如在騎自行車和射箭的過程中，大腦發出的生物信號，并不能直接影響自行車或箭的狀態。在射箭中要通過肢體和弓去控制箭，在騎自行車時要通過肢體去控制自行車。這種將控制器發出的信號轉換成能影響被控對象的信號的裝置，稱為執行器。圖4-23和圖4-24中，人的肢體和弓就是其行器。
執行器能夠控制自行車和箭的狀態，實際上是對它們施加了一定的力。這種能對被控對象產生作用，從而使被控量發生變化的量，稱為控制量。
立即行動
根據你對控制系統的認識，填寫表4-3。
表4-3 分析控制系統
控制系統 期望值 控制器 被控量 被控對象 控型量 反饋環節
抽水馬桶中的水位控到
電風扇機械定時開關控制
路燈黑夜/白天自動開關控制
電冰箱恒定溫度控制
二、控制系統的方框圖表示
當我們了解了控制系統的控制器、控制量、被控對象、被控量、反饋環節等概念后，就可以將圖1-22和圖1-24用更具一般性的方式表示為圖4-25和圖4-26的形式。有時一個控制系統不一定能相對獨立地在結構形式上分出控制器、執行器，比較器等部分，也就是說控制器，執行器，比較器有時是合在一起的。
圖4-25和圖4-26是控制系統的方框圖表示形式，是各種控制行為的一種抽象表述，適用于各種控制系統。
立即行動
目前，自動感應門（圖4-27）的使用已經非常普遍。自動感應門本身配置的感應探頭通過紅外線信號或者微波信號來感應是否有人靠近。當感應到有人靠近時，門會自動打開，感應到人離開后，門又會自動關閉。
請寫出自動感應門控制系統的控制器、執行器和被控對象，并畫出該控制系統的方框圖。
知識窗
計算機控制系統
計算機控制系統是融合計算機投術與工業過程控制為一體的綜合性技術。在計算機控制系統中，控制器都是由計算機擔任的。計算機控制系統有許多優點：可通過對計算機程序的設計，方便地實現各種控制算法；利用數字信號處理技術，可以大大提高測量環節的靈敬度，使系統可以感知更微弱的信號變化；利用計算機的高速運算能力，系統的響應將更加迅速；可以同時處理多路信號。所以利用計算機可以實現更為復雜的控制系統，當然，并不是只有大型系統才使用計算機控制技術，其實小到電子玩具，我們也可以看到計算機控制的身影。
模糊控制
1965年，一位名叫查德（L. A. Zadeh）的美國工程院院士、著名控制論專家（圖4-28）提出了“模糊邏輯”理論，它不是對事物作簡單的肯定或否定，而是用從屬程度來表示不精確的值（概念）。模糊邏輯很接近人對一些事物的感受，例如對“高溫”這個概念，37°C應算高溫，所以對高溫的從屬程度為1；而18°C不能算高溫，所以對高溫的從屬程度為0；28°C不高也不低，對高溫的從屬程度可定為0.4；35°C接近高溫，對高溫的從屬都度可能為0.8。
把模湖邏輯用在控制上，就是模糊控制。模糊洗衣機能模擬人的直覺實現判斷，確定洗滌時間；模糊空調更能善解人意，它能測出房間的大小，室內外溫度、濕度的變化，決定工作的停啟時間，使室內保持舒適的溫度，而且它的耗電量更低。另外還有能根據地面灰塵多少而自動確定吸力大小的模糊吸塵器，能根據米量和水量自動確定煮飯的功率和時間的模潮電飯煲等，能根據洗碗槽內裝有多少碗碟和油污程度自動確定洗滌水量和時間的模糊洗碗機等。
討論、思考、形成小論文。
每位同學組織一篇小作文，可以從不同的方面進行展開。
完成后，與同學們進行討論、分享。
課后作業
1.很多停車場都設有汽車道閘裝置，常見的有取卡進場、刷卡進場和車牌自動識別進場三種模式，請揣述這三種進場模式的工作流程，畫出它們的控制框圖，并說明它們的控制類型。

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