資源簡介

技術與設計2 第四單元 控制與設計 第二節 控制系統的工作過程與方式
第四單元 控制與設計
第二節 控制系統的工作過程與方式
一、教學內容分析：
《控制系統的工作過程與方式》選自普通高中課程標準實驗教科書《通用技術-技術與設計 2 》的第四單元第二節（江蘇教育出版社）。
《控制系統的工作過程與方式》這節的內容是有關“控制系統的工作過程與方式”的學習和掌握，包含“控制系統”、“開環控制”和“閉環控制”等三個內容。
生活中不乏簡單控制系統的應用，人們對此往往象看待日出日落一類自然景色般的習以為常。本部分內容的學習，正是要引導學生，從技術的角度、用控制的思維看周圍的存在，分析其道理。
本課教學內容，從學生生活經驗出發，從實例分析入手，歸納出對控制系統的一般認識，以及根據控制系統方式分類的開環控制系統和閉環控制系統兩類，并側重對開環控制系統的工作過程、方框圖、重要參數進行分析。
二、教學對象分析：
學生在前面的學習中已經學習和分析了控制在生活生產中的應用，獲得了有關控制及其應用的初步感性認識和體驗，但是對控制的基本工作方式和工作機理還缺乏了解，他們對進一步了解控制系統的知識是有探究的欲望的。本節課的教學除了繼續加深對技術與設計的知識深度和技能程度外，更是培養技術思想和方法的很好的平臺和載體。因此，應多貼近學生生活經驗出發，從實例分析入手，逐步歸納出對控制系統的一般認識，并能對開環控制系統的工作過程、方框圖進行分析。
三、目標：
1.知識與技能：
1.分析典型案例，熟悉簡單的開環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
2.熟悉閉環控制系統的基本組成，能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖。
3.理解閉環控制系統中的控制器、執行器的作用。
2.過程與方法：
鼓勵學生自主探究和合作交流，引導學生自主觀察、總結，在與他人的交流中豐富自己的思維方式，獲得不同的體驗和不同的發展。注意引導學生體會控制系統的工作過程和方式，特別是理解閉環控制的工作過程以及其構成的作用。
3.情感態度價值觀：
提高對生活中技術問題的敏感度和引發出探究欲望，并能保持積極審慎的態度。
四、教學重難點：
1.教學重點：控制系統的構成；開環系統與閉環系統的構成與判斷。
2.教學難點：開環系統與閉環系統的構成與判斷。
五、教學概述：
本章的教學結合具體的教學內容和目標我們采用“案例情景—機理分析—總結歸納－認識提升”的模式展開。在教學中把知識點的教與學置于具體的案例情景當中，通過豐富而貼近生活的案例使學生從生活體驗到理性分析的思維升華過程。同時關注學生能否用不同的語言表達、交流自己的體驗和想法。通過富有吸引力的現實生活中的問題，使學生回想和體會控制系統的工作過程，激發學生的好奇心和主動學習的欲望。讓學生本著“回想—分析—聯想—猜想”的思維過程，對教學內容進行步步展開，使學生親歷自主探索和思維升華的過程。
在重要的“問題分析”環節上立足于“控制系統設計的目的性”，讓學生抓住問題的主要矛盾，“歸納總結”階段著重引導學生完善知識框架。讓學生在自主探索中經歷思維升華的過程。
2課時
六、教學器材：
多媒體課件等。
七、教學過程：
一）引入新課：
日常生活中的控制舉例：
A.拔動教室電燈開關，燈的亮與不亮與手動有關。
B.聲光感應開關，當有聲音時燈亮。
C.紅外感應出水龍頭，手靠近水龍頭出水，離開則不出水。
D.賓館自動門，當有人進入，門自動打開。
E.當手靠近自動烘手機時，機器啟動；當手離開時，機器關閉。
（是靠著紅外線感知手的靠近過程，沒有人用的時候，鼓風機和加熱電爐絲都自動切斷了電源。當手的溫度在紅外傳感器監視范圍之內的時候，烘手機就啟動。）
師生歸納、抽象以上活動的特征：
一個輸入信號（如手拔開關）對應著一個輸出信號（如燈亮或不亮）。
這些控制是怎樣實現這個功能的呢？或者說，它們工作過程是怎樣的呢？這個知識我們這節課就要學到。今天我們來學習第二節：控制系統的工作過程與方式
二）新課教學：
一、控制系統
1、什么是控制系統：
要想進一步了解控制，我們首先需要分析
控制的對象是什么
控制要達到什么目的
采取什么控制手段
然后，控制的實現又是通過哪些具體的環節呢？
【案例分析】教室電燈的開關控制、自行車速度的控制、電風扇風速的控制
控制事例 控制的對象 控制的目的 控制的手段
電燈的開關控制 電燈 電燈的開關 撥動開關
自行車速度的控制 自行車 速度的調節 改變踩動腳蹬的力氣
電風扇扇葉轉速快慢的控制 電風扇 調節速度 換檔
分析教室電燈的開關控制、自行車速度的控制的實現過程、電風扇風速的控制過程。（畫出控制過程方框圖）
自行車行駛的速度控制是通過腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條、飛輪等部件來實現。
電風扇的風速控制是通過改變電機的轉速來實現的。
【總結】
一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出。
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節構成一個系統，我們稱之為控制系統。
控制系統的輸入輸出之間有一定的對應關系。
【馬上行動】（課文p102）指出表中所列事例是否屬于控制系統，如果是控制系統，請指出系統的輸入、輸出分別是什么？（一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出。）
是否屬于控制系統 輸入 輸出
電飯煲 是 做飯指令（電信號） 鍋內的溫度
脫粒機 是 啟動指令（電信號） 脫粒的量
紅外線自動水龍頭 是 人手的紅外信號 出水和不出水
控制系統一般分為開環控制系統（open loop control system）和閉環控制系統（closed loop control system）。
2、開環控制：
【閱讀課本】普通游泳池注水控制系統控制過程
游泳池注水控制系統中，如果進水管單位時間的水流量一定，那么游泳池水位的高低與進水的時間一一對應。我們可以利用定時器來控制進水閥門的開啟與關閉。
設定注水 游泳池的水位
的時間 （輸出）
(輸入)
為了分析控制系統的方便，我們可以使用方框來表示系統的環節，用單向箭頭（單向信號線）來表示系統信號傳遞的方向。這樣畫出的控制系統的方框圖可以表示系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關系。
定時器對輸入的注水時間進行處理并發出控制命令，控制進水閥門往游泳池里面的注水量。
注：在把游泳池注水控制系統進行分解的時候，分析的時候要注意措詞，使學生對“控制”，“執行”，“被控”，“控制量”這樣一些名詞提前有所感知。
【案例分析】自動門的控制系統：
自動門系統由四個子系統組成：傳感器、控制器、執行器（電動機）、被控對象（門）。
當有人到達門前某一距離時，傳感器感知，發出“有人”的信號，控制器接到傳感器傳來的信號后，經變換放大后傳給執行器（電動機），電動機根據傳來的開門信號轉動，門（被控對象）被打開，控制器保持開門信號延時設定的時間后，自動發出關門信號，電動機反轉，門重新關閉。與人類比，傳感器相當于眼睛，判斷有沒有人要通過；控制器相當于人腦，根據眼睛傳來的信號下達指令；執行器相當于人手，把門打開。
自動門的工作原理可以用下面的方框圖來描述：
紅外裝置是否檢測到人 門的開啟或關閉
體熱輻射發出的信號： （輸出）
（輸入）
在上面的例子中，信息總是自輸入端單向傳至輸出端，不存在信息逆向流動，象這樣的控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響的控制系統成為開環控制系統。
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。
開環控制系統的方框圖：
利用前面的案例和普通游泳池注水控制系統控制過程分別引出名詞：
輸入量：控制系統的給定量。
控制器：對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件。
執行器：直接對被控對象進行控制的裝置或元件。
控制量：執行器的輸出信號。
被控對象：控制系統中所要求控制的裝置或生產過程。
輸出量（被控量）：控制系統中所要控制的量，也是控制系統的輸出信號。
控制量與被控量的區別:
控制量:執行器的輸出信號。
被控量:控制系統的輸出信號。
開環控制系統特征：
系統的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞，輸出量不對控制產生任何影響。
馬上行動：列舉你所知道的開環控制系統。
（紅綠燈定時控制系統、防盜報警系統、火災報警系統、音樂噴泉控制系統、鬧鐘定時控制系統、聲控燈、自動烘手機、自動水龍頭、洗衣機、電風扇的風速控制、直流電動機和數控機床等。）
案例分析：水泵抽水控制系統（104）
這是一個開環控制系統，在這個控制系統中，水泵是否排出水受電源開或關的控制，而且信號的傳遞是單向的。
馬上行動：
1)用方框圖說明下列開環控制系統的工作過程。
（1）普通家用電飯煲的煮飯控制。
普愛通電飯鍋的控制中，加熱過程的控制是一個以溫度為變量、按時間順序變化的時序控制，因而，它是一個開環自動控制系統。控制的對象是電飯鍋內的內鍋，輸出量是內鍋溫度按時間變化的規律。輸入量是“做飯指令”，這個指令的核心是：內鍋溫度低于限制溫度（103℃），電熱盤工作；內鍋溫度達到限制溫度，電熱盤停止工作；內鍋溫度達到限制溫度，電熱盤停止工作；內鍋溫度下降到保溫點（65℃）時，實施保溫控制。在具體操作上是由按鈕實施。系統的執行器是電熱盤。
（2）公共汽車車門的開關控制系統。
輸入量為開關信號，輸出量為車門的開與關，控制量為氣動活塞的行程。
2)列舉你所了解的開環控制系統的例子，說明其控制工作過程，并畫出方框圖。
電視機和遙控器構成了一個開環控制系統。接通電源，打開電視機的開關，將遙控器的前端對準電視機上的紅外檢測裝置，通過按按鈕，可以選擇頻道節目。
小試驗：
制作一紙猴，拉動背后的線（輸入），紙猴的動作表情發生變化（輸出） 觀察、體驗輸出信號與輸入信號之間對應關系。
1)說明試驗的基本步驟
2)指導學生觀察拉動線繩，紙猴表情的變化（圖略）。
探究：
1）
（1）酒店自動叫醒報務控制系統的工作過程，畫出方框圖。
（2）當系統自身計時出現誤差時，叫醒報務時間是否準確？也就是系統能否修正這一誤差？
是一個開環系統，所以如果系統自身時間計時有誤，系統不能自動調整過來，叫醒時間也就要出差錯。
2）火災自動報警系統由火災探測器、現場報警部件、報警控制器組成。火災探測器包括感煙探測器和感溫探測器，現場報警器包括警鈴、訊響鈴、報警門燈等，報警控制器按顯示方式分為數碼顯示和液晶顯示兩種不同的類型。
3、閉環控制：
進水管的水壓會在注水過程中發生變化，比如水壓會變小，此時若還使用前一種注水系統，會導致什么問題？
（學生活動）設定的時間到了，游泳池的水還沒有達到預期的水位。
（引導分析）
如何解決這一問題？
設計該控制系統的目的：在存在干擾因素的情況下，如何克服干擾，達到預期目標。
在存在干擾的情況下，我們可以想辦法消除掉它對被控對象的影響，使事態的發展回歸正途。
我們可以借鑒如下的例子：
我們來分析一下人拿杯子這個動作完成的過程。人在打算拿桌子上的杯子時，首先要看一下，杯子的位置與自己手的距離有多少，然后人的大腦會命令自己的手做出動作，向減少這個距離的方向移動，同時不斷的觀察兩者之間的距離還有多少，直到人的手碰到了杯子，大腦就命令手停止運動，杯子也就拿到了。這個過程可以用下邊的圖來表示。
人就是通過這個過程來完成拿杯子這個動作的。
在這個例子中，
①杯子的位置作為人控制手要達到的位置（給定量），
②人眼一方面感知該控制系統輸出量即人手的位置命令另一方面得出它與給定量之間的差距，大腦相當于控制器，
③人手兼職執行機構和被控對象雙重角色。
顯然該系統具備較高的控制精度且抗干擾能力強，其原因就在于它將給定量與所檢測的被控量進行比較，也就是說我們如果增加檢測和比較環節，就能解決干擾的問題，做到高精度的控制。
在進行完這種思考后，我們回過頭來解決注水的問題：
例如：游泳池注水控制系統。將輸入由設定注水時間改為設定游泳池水位
把輸入量設定為“預期中的游泳池的水位”，增加一個檢測游泳池水位的裝置，把測量到的游泳池當前水位返回到該控制系統的輸入端，通過一個具有計算功能的裝置（比較器），來與輸入量相減，當實際水位比設定水位低時，控制器控制進水閥門繼續注水；當實際水位達到設定水位時，控制器發出信號關閉進水閥門。
經過改進后的游泳池注水系統，增加了輸出端到輸入端的信息傳遞，即把輸出量返回到輸入端與給定值進行比較，構成了一條閉合回路。
我們把系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。
閉環控制系統方框圖：
特點：在系統的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環節，它們形成了一條閉合回路，反饋環節使得輸出量的改變對控制的過程產生直接影響。信號傳遞是閉合回路。
讓學生觀察并解釋閉環控制系統與開環控制系統的區別？然后教師歸納總結。
開環控制系統與閉環控制系統的區別:
開環控制系統 閉環控制系統
區別 信號傳遞是單向的 信號傳遞是閉合回路
馬上行動P106：
判斷下列控制系統是否屬于閉環控制系統，畫出方框圖：
控制系統 是否屬于閉環控制系統 方框圖
縫紉機的縫紉速度控制系統
電冰箱的溫度控制系統
走道路燈的聲光控制系統
交通路口紅綠燈自動控制（根據車流量大小改變紅綠燈時間）系統
對一種自動裝置的設計和分析，通常都是從輸入量給定開始，到輸出量穩定為止來分析其工作過程的，一般不把人作為環節加入其中。
家用縫紉機的縫紉速度控制系統：
其參考框圖如下：
2）電冰箱的溫度控制系統
其參考框圖如下：
3）走道路燈的聲光控制系統
白天或夜晚光線較亮時，聲控部分不起作用。當光線較暗時，負載電路的通斷受控于聲控部分。電路是否接通，取決于聲音信號的強度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮白熾燈，并開始延時，延時時間到，開關自動關斷，等待下一次聲音信號觸發。這樣，通過對環境聲光信號的檢測與處理，完成電路通斷的自動開關控制。其參考框圖如下：
4）交通路口紅綠燈自動控制（根據車流量大小改變紅綠燈時間）系統
目前所用的交通路口的紅綠燈控制系統一般都是按給定的時序來控制的，因此應該是開環控制系統。對車流量因素的考慮，是在調查統計的基礎上在設計給定時序時體現的。其參考框圖如下：
【閱讀】開環控制系統經典應用案例分析：“希羅的自動門”控制的工作過程分析說明
1 、畫出“希羅的自動門”控制方框圖
2 、分析一個開環控制系統工作過程
抽水馬桶水箱控制系統的分析,并畫出方框圖.
八、練習：
1.家用壓力鍋的壓力控制是開環控制系統，通過高壓鍋蓋上的安全閥和排氣孔實現壓力控制。
安全閥上有一個重錘，它平時壓在高壓鍋的排氣孔上。當高壓鍋內溫度升高時，鍋內氣體壓力增大，超過一定值，重錘被頂起，蒸汽外冒，鍋內氣體壓力下降到安全值范圍內。
2.糧庫的濕度和溫度自動控制，一般采用閉環控制系統，增設定時檢測溫度和濕度的裝置，與給定的溫度和濕度比較，當出現偏差時，相應調節溫度和濕度。方框圖如下：
3.當壓力過高時，蒸汽把橫桿連同重錘頂起來，使鍋爐內的蒸汽通過排氣孔排出，使壓力降到限定值。橫桿的作用：橫桿使得重錘的位置可以調節，調節重錘離左端的距離就改變了限制的壓力值。
九．小結：
1、什么是控制系統：
2、開環控制：
3、閉環控制：
十．教學反思
把教學的案例情景設置在學生身邊經常遇到的例子，如自行車等生活常用工具和產品，根據目標對教學內容進行篩選，盡量去掉教材中易使學生厭煩的信息，留下學生能夠參與和感興趣的信息，激發學生的學習熱情。如果有可能，就盡量減少教師的課堂講解，要給學生充足的時間和空間來思考和發展，使學生有時間和空間進行自我調控、自主學習、自我分析、互相評價、促進學生學會學習。
本節課通過對開環閉環控制系統的探討，有助于學生將日常所見控制事例上升到運用技術思想和方法理解并分析，并學會應用相應的控制方法來解決現實生活中遇到的問題。
本課從回顧控制入手來引出控制系統，從實例的分析開始，與學生共同歸納、抽象實例的特征，引出開環和閉環控制系統的相關分析。
在分析開環游泳池注水控制系統的時候，一開始先籠統的針對整個控制系統來分析，然后再深入內部具體環節和部分，這樣的認識過程便于降低分析的入門難度。
在引入閉環控制系統部分，我個人認為有必要在此就引入干擾的說法，然后針對如何消除干擾的影響達到預期目標來改進控制系統，這樣即便于理解也為后續課程做好鋪墊。
補充內容：
鷹發現獵物后，馬上用眼睛估計它與獵物相距的距離和獵物的方位，并向獵物飛行去。在飛行的過程中，鷹的眼睛不斷測出自己與獵物的差距，大腦不斷作出判斷，通過調整翅和尾的飛行狀態，以縮小差距，使自己的位置越來越接近獵物，直到捕獲到它為止，這一過程就是鷹的飛行控制過程，是閉環控制過程。
行駛的速度
（輸出）
腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條、飛輪
腳踩的力
（輸入）
風速
（輸出）
電機、扇葉
風速的擋位
（輸入）
游泳池
進水閥門
進水閥門
定時器
轉動
自動門
電機
控制電路
控制量
水流量
水管排出水
（輸出）
被控對象:
水管
接通電源
（輸入）
執行器
水泵
控制器
電機
保溫限溫控制裝置
煮飯
（輸出）
煮飯指令
（輸入）
內鍋
電熱盤
開/關
（輸出）
開關
（輸入）
車門
氣動活塞
電磁閥
叫醒信號
客房電話
電腦
設定叫醒時間
報警聲
電信號
煙霧信號
報警部件
煙感探測器
報警控制器
杯子的位置
人眼
大腦
人手
人手的位置
人眼
人類行為控制系統舉例
水流量
比較器
游泳池的水位
（輸出）
+
進水電磁閥門
游泳池
控制器
給定水位
（輸入）
－
檢測裝置
＋
－
比較器
縫紉機速度
縫紉機
傳動裝置
腳踩的力
輸入轉速
縫紉機
輸出轉速
設定的溫度
給定量
○
X
比較器
控制電路控制器
電機-壓縮器
執行器
電冰箱
被控對象
箱內的溫度
被控量
感溫裝置
檢測裝置
-
+
燈亮/滅
路燈
開關
聲光檢測控制裝置
聲光信號
輸出亮/滅時序
紅綠燈
時序控制裝置
設定好亮/滅時序
水流量
祭壇的點火或滅火
氣壓控制
虹吸
自動門
門開或關
給定 +
水位
水箱的水位
水流量
比較器
-
水箱
進水閥門
機械控制
浮球
比較器
設定溫度、濕度
-
控制器
+
實際溫度濕度
糧倉
降溫除濕裝置
浮球溫度濕度檢測裝置
比較器
鍋內壓力
壓力鍋
重錘重力
重錘
出汽孔
重錘
目測位置
-
大腦判斷
飛行
捕獵物
獵物位置
實際位置
+

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