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
第三節 簡單控制系統的設計
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：
能進行簡單的控制系統的設計，并制作一個簡單的控制裝置、能夠對設計方案進行優化。
能正確閱讀所設計的項目電路圖、元件圖，并形成良好的設計習慣。
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
本節內容是對本章知識的具體應用，要求學生掌握控制系統設計的基本流程。然后利用前面所學知識根據實際需要設計一個簡單的控制系統，在理論的指導下進行實例設計。要求學生熟悉所用到的材料的屬性和常用工具的使用方法。
學生情況
由于學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，先進行相關知識的講解。
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:制訂設計項目的方案。
難點:根據制定的方案，進行項目的實施。
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
第三節 簡單控制系統的設計。
飲水機是人們日常生活中常見的設備，一般的飲水機設計筒潔、操作簡單，實用性高。但有些飲水機的設計沒有考慮到兒童在使用時，可能會誤操作將熱水閥門打開而導致被燙傷的情況。
某公司的飲水機設計師為了解決這個問題，為飲水機多加了一個開關，這個開關稱為熱水鎖，在取熱水時，必須先按熱水鎖，然后再打開熱水網，飲水機才能出熱水。關閉熱水網后，熱水鎖自動復位，下一次取水重復上述動作。由于增加了取熱水的操作環節，大大降低了由于兒童誤操作造成的傷害。可見，一個簡單的控制，也可解決很多實際問題。
導學思考
觀察身邊的事物，你能設計一個簡單的控制系統，從而改善系統的功能嗎
一、控制系統設計概論
控制系統設計是工程設計的一個特例，所以我們前面學習的設計基本原則仍然適用。
第一步，確定控制目的。如速度控制系統是為了達到理想的速度，溫度控制系統是為了獲得合適的溫度等。
第二步，確定系統的被控量，即控制系統要控制什么。一般情況下，系統的控制目的就是系統的被控量。如速度控制系統的被控量是速度，溫度控制系統的被控量是溫度。但有些控制系統的控制目的與系統的被控量可能不同，如為了控制某種化學反應的反應速度，我們可能控制的是反應時的溫度；為了減少（控制）高速公路上的交通事故，我們可能控制的是公路上的車速。所以，在明確控制目的的同時，要認真分析為達到控制目的,我們實際需要控制什么量，就是被控量的確定。
第三步，明確系統各項指標。如控制的精度要求、控制的適應性要求（涉及是自動控制還是手動控制）及系統的造價等。
第四步，根據前面的要求和參數，確定控制系統的結構。我們可以根據需要選擇開環或閉環控制系統。執行器的選擇與被控對象有關，如對電機進行速度控制的系統，由于被控對象就是電機，所以執行器可以是繼電器，如在溫度控制系統中，產生溫度的部件可能是電熱絲、燈泡甚至燃氣裝置。這些都可以作為產生熱量的被控對象，對應的執行器可以是繼電器或燃氣控制閥等。
第五步，建立系統各環節的模型。大型、復雜的控制系統分析和仿真都依賴于模型的建立，對于簡單的控制系統可直接通過實驗檢驗系統的性能。
第六步，確定待調參數。不管是對模型進行仿真還是進行系統實際實驗，我們都要找出最能影響系統性能的一些參數作為仿真或實驗時觀察、調整的對象，通過對它們的調整，使系統達到最住的性能。
第七步，測試系統的性能。如果通過調節待調參數使系統達到了期望的性能，設計工作就結束；否則，就要修改設計，包括改進系統結構甚至放寬指標要求等。圖4-29描述了控制系統設計的基本流程。
二、設計實例
1.明確設計目的
一個實用的LED數碼顯示器通常由多位數碼管組成，如圖4-31，但該設計只使用一個數碼管，通過適當的設計，完成0- 9的顯示。
2.確定被控量及設計指標
我們采用LED作為發光元件，顯示的數宇是以光的形式展現，所以該設計的被控量就是LED數碼管各段的亮度，且只有亮、滅兩種狀態.
3.確定系統結構
通過上述步驟，我們就可以根據具體的要求來確定控制系統的結構。怎控制LED數碼管8個段的亮、滅是該設計的關鍵。控制系統有開環和閉環、手動和自動等形式，你決定采取哪種形式呢
討論
1.你能寫出幾種實現方案
2.你的方案與其他同學的方案相比有哪些優點和缺點
3.你的方案可行嗎 （如材料是否容易得到、加工是否容易、造價是否合理等 ）
4.選揮實現方法。
讓LED數碼管顯示特定數碼最簡單的方法就是采用機械開關進行手動控制。假設我們要顯示數字“3”，且采用圖4-30所示的共陽極數碼管，由數碼管各段的排列分布可知，顯示“3”應使A、B、C、D、G段發光，所以開關與LED數碼管的連接如圖4-2所示。
實踐
1.自己動手設計連接能里示其他教字的控制電路。
2.如果采用共陰極數碼管，圖4-32成怎群修改
3.根據圖4-32，完成表4-4。
表4-4數碼顯示控制系統
系就名稱
系統名稱 控制器 控制量 被控對象 被控量 控制類型 控制方式
數碼顯示
5.部件模型及主要參數的確定
對一個復雜的控制系統，在確定了系統結構后，先要對系統中的各部分建立對應的數學模型，然后進行一些理論分析和仿真。當系統較為簡單時，我們可以先通過簡單的運算，得到一些必要的參數，然后用實驗的方法調試，校正系統的工作狀態，直到滿意為止。
對于本設計，需要確定的參數是供電電源的電壓和電阻的阻值及功率。對于紅色LED數碼管，正常發光的電壓一股為1.8-2V，工作電流可取10mA左右，所以電源電壓要大于2V，這里我們用較為常見的9 V層疊電池。確定好供電電壓后，就要計算電阻R的阻值和功率。由于LED數碼管的工作電壓和電流的限制，我們不能把9V的電源直接接到LED數碼管兩端，這樣會造成流過LED數碼管的電流過大而使其損壞。
6.驗證、完成你的設計
確定了設計方案，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《普通高中教科書 通用技術 必修 技術與設計1》中，我們學習了各種設計和交流的方法，應盡可能做到:
(1)用計算機繪制名部分的原理圖及安裝圖。
(2)設計系統制作的工作流程。
(3)完成整個設計。
7.評估你的設計
完成設計后，為了測試系統設計是否達到預期目的，還需要從以下幾個方面進行評估:
(1)系統是否安全，可靠 能否按設計的要求工作
(2)其他同學對你的設計有什么看法
(3)整個系統的造價是多少
(4)如果有更多的時間，你會對其做哪些改進
(5)為你的設計寫一份使用說明書。
8.優化你的設計
上面的設計對我們學習、理解LED數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字，實際的應用價值有限。我們怎樣將它做得更實用、更智能呢 這就要用到電了技術的一些知識，圖4-33是采用4511專用集成電路控制1位數碼管的原理圖，這個電路可以通過四個開關的組合來控制數碼管的顯示，是不是比起前面的設計靈活性高了很多
探究
1.圖4-33的數碼管為什么不像圖4-32那樣只在公共端接一個電阻，而是在每一段都接有一個電阻
2.圖4-33的數碼管是共陽極還是共陰極的
如果我們想使設計更具實用性、智能化，就要采用單片機進行設計。圖4-34給出了采用AT89C51單片機控制的2位數碼管顯示電路，由于單片機可以通過軟件編程控制數碼管的顯示，所以可以實現如電了鐘、計算器、計數器等很多實用的功能，感興趣的同學可以試一試。
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.試著設計一個路燈自動開關控制系統，使路燈能夠在黑夜自動打開，在白天自動關閉。
2.給自行車設計一個里程計，寫出你希望達到的功能和合適的設計方案。
3.利用學過的控制及其設計知識，發揮自己的想象，設計一個有創意的、包含控制功能的物品。

展開更多......

收起↑