資源簡介

技術與設計2 第四單元 控制與設計 第四節 控制系統的設計與實施
第四單元 控制與設計
第四節 控制系統的設計與實施
一、教學內容分析：
本節課內容為本節的最后一節，是本節、本章、本書的最后一個課時。在前面的學習中，學生已經了解了結構、流程、系統、控制與設計的關系。設計是技術的重要組成部分之一，而且《技術與設計2》大部分都是圍繞著設計這個主題來展開的。
結構是設計的基礎，流程是設計的方法，系統是設計的保障，控制是設計的關鍵。
本節可以說是這單元的“收口”部分，讓學生了解控制系統設計的一般思路比較關鍵，只有這部分內容理解了，才能有效的進行下一個內容——控制系統的設計與實施案例。在控制系統的設計與實施案例中，重點要讓學生會分析和選擇案例，并最終會設計。
本節課可使學生了解控制系統設計的一般思路和步驟，以電加熱器的設計為例，實現發熱、包層、控制、定時、過熱保護等，這電加熱器，大部分的學生都有一定的使用各損壞加熱器的經驗，作起來有一定的實踐性。
二、教學對象分析：
學生對一些產品有一定的使用經驗，這些經驗有成功的，也有失敗的，通過控制系統的分析與設計，使學生對一定的實踐經驗的生活經歷，上升到一定的理論認識，對失敗的使用經驗，能從控制與設計的角度重新的認識。
三、目標：
1.知識與技能：
1）了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量，畫出控制系統的方框圖，并形成初步的控制系統設計的方案。
2）能根據開環控制系統的設計方法，制作一個控制裝置；或者根據簡單閉環控制系統的方案進行模擬實施，學會調試運行提出改進方案。
2.過程與方法：
通過案例式的探討和實踐改良的技術活動，提高分析能力，培養探究精神。學習權衡的思想。
3.情感態度價值觀：
（1）通過對控制系統的設計與實施的分析，體會產品設計中人性化的設計思想。
（2) 培養認真嚴謹的態度，進而樹立“以人為本”的設計理念。
（3) 通過多種形式的教學活動，提高學生學習技術課的興趣。
四、教學重難點：
1.教學重點：
（1）控制系統設計的一般思路，了解簡單的被控對象的基本特性，確定相關的量，會畫方框圖。
（2）能根據開環控制系統的設計方法，制作一個控制裝置并學會調試運行，提出改進方案。
2.教學難點：
閉環系統的設計。被控量和控制量的確定。
3.關鍵：
案例分析與方框圖的繪制。
五、教學策略：
本節書從理論上講內容較難，學生理解起來比較困難，為了能有較好的課堂效果，設計如下：
（1）通過一些具體的生活中例子對比來導入有關控制的設計方法，從而引入課題。
（2）教師根據課本中的案例，引導學生解決問題，提高學習的自主能力。
（3）尋找一些貼近學生生活實際和典型的《電吹風》《電曖氣》（有開環與閉環兩種）等案例，利用媒體教學手段增加課堂氣氛，幫助學生在快樂、輕松的氛圍中掌握知識。抽水馬桶水箱不適合農村的學生，自動升旗控制的設計，難度相對高些，但比較實用，但要結合學生玩電動車的經驗。
（4）老師起到引導的作用，學生為主體，在學生掌握的基礎上，課堂交給學生。讓學生進行設計。設計個改進身邊的一些控制系統，從而使得學生完成本課堂的內容。
六、教學資源準備：
　 以學生動手做與設計方框圖為主，制作電吹風控制系統的視頻，課件容納一些視頻和例子說明及方框圖的展示。
七、教法設計
（1）通過教師的引導和實例，探究控制系統設計與實施的含義。
（2）通過體驗活動，結合學生生活經驗，歸納總結控制系統設計與實施的方法。
（3）講解設計的一般思路，要有所側重，從眾多的因素中選出重點的，不必面面俱到。
（4）通過實踐改造活動，讓學生感受和領悟，創新的設計思想，并引導學生思考實現合理的設計與控制還要考慮的因素。
八、學法設計
引導學生進行“問題式學習”，通過嘗試——發現，探索——研究的過程來掌握本節課的知識，在老師的幫助下，把生活中的經驗逐步與控制系統聯系起來，通過動手實踐、改造，親身體會這種控制實施方法，體驗成就感！
九、教學過程：
復習引入：
提問設計的一般思路。
引出控制也需要設計。
第四節 控制系統的設計與實施
新課教學：
1、控制系統設計的一般思路:
我們知道在設計的一般過程中，首先要發現和明確問題，那么在對控制系統進行設計時我們要明確那些問題呢？
1）要設計好一個控制系統，需要做到：
（1）明確這個系統要達到的目的是什么？
（2）所要控制的對象是什么？
（3）被控對象有哪些重要特征？被控量和控制量分別是什么？
被控對象的特征往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式。
（4）外界的主要干擾因素有哪些？
一個控制系統中可能同時存在若干個干擾因素，需要分清主次，找出對系統影響最大的干擾因素。
（5）選擇怎樣的設計方案既能達到目的，又經濟、又易于實現。
為達到實現控制的目的，應采用易于實現的控制方式，降低控制成本、減少對環境的負面影響等。
（6）如何選擇設備和元件。
注意在選擇元器件時要優先考慮標準件的使用。
在以上問題都確定后：
（1）要根據實際設計對控制精度的要求以及條件的可行性來確定是用開環控制系統還是閉環控制系統來實現所要最終達到的目的。
（2）畫出控制方框流程圖。
（3）畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統結構設計）和實施圖紙，撰寫設計說明書等。
2）開環控制系統的設計
電風扇控制系統的設計：
被控對象——電風扇，
被控制量——電風扇輸出的風速，
控制量——電機的轉速。
設計的目的有：
一是有定時關閉電風扇。
二是有不同的風速。
三是又定時，又有不同的風速。
案例分析：電吹風控制系統的設計（要先介紹一下電吹風的工作原理）
請同學快速閱讀書中案例《電吹風控制系統的設計》，與學生一起分析，這個系統要達到的目的是什么？控制的對象是什么？被控對象有哪些特性？被控量的控制量分別是什么？外界的干擾因素是什么？經濟實用？安全教育與設計。
被控對象——電吹風；
被控量——風的速度和溫度；
控制量——電機的電壓；
干擾因素——房間溫度、電源電壓的波動；
（可以選擇熨斗，電加熱棒，電褥子等進行分析，這些設備，學生有一些使用的經驗，拿出來加以分析，還可以增加學生的安全意識。）
這個案例是開環控制系統設計的案例，用以說明開環控制系統設計的過程與方法，體現控制系統設計的一般思路。
3）閉環控制系統的設計
對于簡單的閉環控制系統有如下的要求：
(1)必須是穩定的。一是工作時要穩定，二是干擾出現時要穩定，這個穩定是通過調節而出現的穩定。(2)控制精度要符合要求,即系統的輸出值與給定值之差應控制在允許的范圍之內。
(3)有較好的抗干擾性能。
(4)幾項要求有時產生矛盾，要平衡有側重點的解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計。
設計目的與節水：
設計項目：
設計要求：
設計分析：
被控量，控制量，干擾量。分析設計思路。
繪制方框圖：
知識與技能：
讓學生了解在設計的一般思路，應注意目的，控制量與被控量干擾因素。選擇輸入與輸出的關系檢測，執行器，檢測器的選擇。
讓學生自行畫出與設計方框圖。
這個案例是閉環控制系統設計的實例，用以說明閉環控制系統設計的過程與方法，體現控制系統設計的一般思路。
討論：在上述案例中，如果要節約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設計哪幾種方案？
水箱一次的沖水量實際上是隨水箱的橫截面積和水位設定高度而變化的，即：沖水量=水箱的橫截面積×設定高度 因此，要減少每次沖水量，應該從減少水箱橫截面積和設定高度入手。具體方案可以有：
1）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關閉進水閥。
2）在水箱中放入比水重的物體，起到減小水箱平均截面積的作用。
3）控制進水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關閉出水閥。這相當于改變設定高度。
4）在水箱中放置1~2塊磚頭，以減少水箱的實際蓄水量。
5）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。
【課外拓展】
為了加深學生對知識的記憶、理解，鼓勵學生全面的、辨證的分析問題。對生活中的一些個系統進行分析，思考，并能收集一些設備的工作原理，只有在掌握了大量的系統的工作原理，占有大量的資料的前提下，對系統進行分析，畫出方框圖，才能對其設計有一定的了解。
2、控制系統的設計與實施案例
好，我們了解了控制系統設計的一般思路，下面我們一起來分析和了解控制系統的設計與實施案例。
播放“香港回歸升旗視頻”
引導學生，如果我們學校的升旗也設計成這樣那該多好。
閱讀書中案例《自動升旗簡易控制裝置的設計》
各方案的特點：
方案A：在控制上采用機械裝置，對電子知識要求不高，但升旗和唱國歌的啟動需要人工同步，定時裝置的精度不高，容易產生不協調現象。
方案B：此方案同樣有啟動不容易同步的問題，但定時器的精度較高。
方案C：可以增加學生的知識面，但需要補充電子線路的知識，比較費時，課時難以保證。
方案D:升旗和唱國歌同步啟動，由于CD唱機比較普遍，器材準備較其它方案容易。
因此：方案D實現較容易。
其實，對升旗來說，可以采用人工控制。
課堂小結:
1、控制系統設計的一般思路。
2、控制系統的設計與實施案例。
練習:
1.水車
2.晾衣控制裝置
章節練習：
1.該套裝置中，綜合運用了機械能轉化為電能及穩壓等技術原理，運用了蓄能、系統、穩壓和控制等多種技術。其簡要過程可以用方框圖表示如下：
2.（1）一般家用太陽能熱水器溫度控制是如何實現的？
家用太陽能熱水器通常都是在出水的地方裝有冷水管和熱水管，使用時，通常采用不斷調節熱水管和冷水管的流量實現溫度控制。
（2）這是一個閉環控制系統，其中有一個感溫元件不斷測量出水管內的水溫，當水溫低于某值時，便切換到電加熱器加熱的狀態。
一般來說，賓館供應的熱水溫度要比較高，使客人有調節的余地，因此它必須保證熱水高于一定的溫度。其方法是設計一個閉環溫度控制系統，使供應的熱水不低于某一溫度。
控制系統的工作過程大致如下：測溫裝置測量儲水箱熱水的溫度，當水溫低于某一給定溫度時，控制裝置將輸出一個信號去接通加熱裝置，使之給水箱加熱；當溫度高于給定溫度時，控制裝置就會切斷加熱器電源，停止加熱。
這一過程的的方框圖可以表示如下：
腳踏運動
自行車輪
摩擦輪
傳動機構
發電機
蓄能穩壓裝置
電視機
熱水箱
輸出溫度
加熱裝置
控制裝置
給定溫度
測溫裝置

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