資源簡介

第四節 控制系統的設計與實施 教案
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
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。
本節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，并學會設計，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、教學目標：
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。
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：
（1）設計一個控制系統應明確的問題的分析，控制系統設計的思想方法。
（2）閉環系統的設計，以及被控量和控制量的確定。
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、教學對象：高二學生
七、教學課時：2課時
八、教學過程：
導入：
在日常生活中，控制具有十分重要的實踐意義，我們今天從實際應用出發，進行幾個簡單的控制系統設計。現在我們首先了解一下控制系統設計的一般思路。
新課講授：
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？
（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）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。
總之：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。
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？
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。
在進行閉環控制系統設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合
具體問題全面解決或有側重地解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計。
設計目的:節約用水
設計要求：
當水箱中的水位低于某一指定高度時，進水口立即進水。
當水箱中的水位達到某一指定高度時，進水口停止進水。
設計分析：
從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
控制對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
主要的干擾因素是水箱的出水流量。
水箱水位的控制過程：
撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
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？
(1)在水箱中放置1~2塊磚頭，以減少水箱的實際蓄水量。
(2)設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。
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。
閱讀書中案例《自動升旗簡易控制裝置的設計》
設計分析：
采用開環控制系統，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動或停止（或速度）。
定時時間→ 定時裝置 → 電動機 → 滑輪、國旗 → 升旗速度
各方案的特點：
方案A：在控制上采用機械裝置，升旗和唱國歌的啟動需要人工同步，定時裝置的精度略低，容易產生不協調現象，但只要細心操作是可以滿足要求的。
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。不需要外加定時器，而用音頻信號直接控制電動機，減少了時間上的誤差。
因此：方案D實現較容易。
其實，對升旗來說，還可以采用人工控制。
課堂小結：
通過本節課的學習，我們了解了控制系統設計的一般思路，了解被控對象的基本特性，確定相關的量，會畫方框圖。能夠設計出簡單的開環或閉環控制系統，學會調試運行，并提出改進方案。
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1控制系統的設計與實施 學案
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
一、學習目標
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。
二、目標導學
1、控制系統設計的一般思路: 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？（4）外界的主要干擾因素有哪些？等等
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。
3、閉環控制系統的設計，基本要求：
（1）、閉環控制系統必須是穩定的；（2）、系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；（3）、要有較好的抗干擾性能。
三、課時訓練
☆必做題
1、選擇題
（1）在空調、自動升降國旗、光控路燈、音樂噴泉，這四個控制系統中．哪個一定是閉環控制系統？( ）
A．空調 B．自動升降國旗 C．光控路燈 D．音樂噴泉
（2）在自動升旗的簡易控制系統中，升旗速度是（ ）。
A、輸入量 B、控制器 C、控制量 D、輸出量
（3）在水泵抽水的控制系統中，（ ）是執行器。
A、電機 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、電吹風控制系統的被控對象 ＿ ；被控量＿ ＿＿＿；
控制量＿＿＿ ＿＿； 干擾因素＿ ＿。
3、陳好同學在體育課上練習立定投籃．投了若干次才投中。投籃過程是一個控制過程．試分析該控制過程是開環控制系統還是單閉環控制系統？畫出該控制系統的方樞圖《將各環節名稱及對應的實際名稱在相應位置標注清楚 》。

提高題
有一位科學家，為了促使迷上看電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”，女兒必須騎在車上不停地踩腳蹬，才能驅動發電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。
請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發電—電視機”這一過程的方框圖，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術與原理。
選做題
（1）一般家用太陽能熱水器溫度控制是如何實現的？
（2）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低時，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統的方框圖，說明其工作過程。
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第四節 控制系統的設計與實施
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
一、控制系統設計的一般思路
系統要達到的目標？
控制的對象？
被控對象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干擾因素？
怎樣的方案既達到目的、又經濟、易于實現？
設備和元件？
1、開環控制系統的設計
例：普通電風扇控制系統的設計
被控對象——電風扇；
被控量——電風扇輸出的風速；
控制量——電機的轉速；
例：電吹風控制系統的設計
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；
2、閉環控制系統的設計
閉環控制系統的基本要求：
1、閉環控制系統必須是穩定的；
2、系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；
3、要有較好的抗干擾性能。
例：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計
控制對象是抽水馬桶的水箱，
被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，
控制量是進水管的水流量（即進水量），
水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
水箱水位的控制過程：
撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。
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？
(1)在水箱中放置1~2塊磚頭，以減少水箱的實際蓄水量。
(2)設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。
二、控制系統的設計實施案例
升旗簡易控制裝置的設計
設計分析：
采用開環控制系統，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動或停止（或速度）。
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。
謝謝大家!控制系統的設計與實施 學案 （答案）
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
一、學習目標
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。
二、目標導學
1、控制系統設計的一般思路: 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？（4）外界的主要干擾因素有哪些？等等
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。
3、閉環控制系統的設計，基本要求：
（1）、閉環控制系統必須是穩定的；（2）、系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；（3）、要有較好的抗干擾性能。
三、課時訓練
☆必做題
1、選擇題
（1）在空調、自動升降國旗、光控路燈、音樂噴泉，這四個控制系統中．哪個一定是閉環控制系統？( A ）
A．空調 B．自動升降國旗 C．光控路燈 D．音樂噴泉
（2）在自動升旗的簡易控制系統中，升旗速度是（ D ）。
A、輸入量 B、控制器 C、控制量 D、輸出量
（3）在水泵抽水的控制系統中，（ B ）是執行器。
A、電機 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、電吹風控制系統的被控對象 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＿。
3、陳好同學在體育課上練習立定投籃．投了若干次才投中。投籃過程是一個控制過程．試分析該控制過程是開環控制系統還是單閉環控制系統？畫出該控制系統的方樞圖《將各環節名稱及對應的實際名稱在相應位置標注清楚 》。
閉環控制系統
系統中的相關符號，各環節名稱及對應的實際名稱、位里標注正確完整的得 1 分。給定量、“被控量”也可以分別寫成“輸入（量）、輸出（量)”, “控制量”對應的實際量也可以寫成“力、力度、動作、幅度”等能表達控球狀態的詞．“反饋環節”也可以寫成“檢測環節’、
提高題
有一位科學家，為了促使迷上看電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”，女兒必須騎在車上不停地踩腳蹬，才能驅動發電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。
請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發電—電視機”這一過程的方框圖，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術與原理。
答案：
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：
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
選做題
（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）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低時，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統的方框圖，說明其工作過程。
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：
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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2控制系統的設計與實施 練習題（答案）
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
1、選擇題
（1）在空調、自動升降國旗、光控路燈、音樂噴泉，這四個控制系統中．哪個一定是閉環控制系統？( A ）
A．空調 B．自動升降國旗 C．光控路燈 D．音樂噴泉
（2）人們通過電冰箱獲得適當的溫度，使食物能夠長期存放，分析這一現象，我們理解一個控制現象應該從（　 D　）入手
A、對象 B、目的 C、手段 D、對象、目的、手段
（3）在水泵抽水的控制系統中，（ B ）是執行器。
A、電機 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、非選擇題
1、隨著音樂起伏而變化的音樂噴泉是控制技術的一種具體應用。其工作過程是由 “聲－電轉換裝置”將起伏的音樂強度轉換為隨之而變化的電信號，這種電信號驅動電動機帶動水泵轉動。音樂聲信號強，水泵的轉速就快，噴頭的壓力就大，噴出的水柱就高。反之，噴出的水柱就低。音樂信號的強弱與噴泉水柱的高低一一對應。請回答以下問題：
（1）音樂噴泉控制系統是開環控制還是閉環控制？（2分）
開環控制系統
（2）該控制系統的輸入信號和輸出信號分別是什么？（2分）
音樂信號 噴泉水柱的高低
（3）從控制系統組成的角度，分析“聲－電轉換裝置”在此控制系統中起什么作用？（2分）
控制器
2、分析抽水馬桶的水位控制系統，請說出
（1） 該系統的控制對象是什么？被控量是什么？控制量是什么？
控制對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，
控制量是進水管的水流量（即進水量）
（2） 該系統存在哪些主要干擾因素？
主要的干擾因素是水箱的出水流量
(3) 該系統的反饋裝置是什么？
浮球
3、有一位科學家，為了促使迷上看電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”，女兒必須騎在車上不停地踩腳蹬，才能驅動發電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。
請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發電—電視機”這一過程的方框圖，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術與原理。
答案：
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：
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
4、（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）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低時，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統的方框圖，說明其工作過程。
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：
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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1控制系統的設計與實施 練習題
嘉積中學海桂學校高中技術組 翁瑜
1、選擇題
（1）在空調、自動升降國旗、光控路燈、音樂噴泉，這四個控制系統中．哪個一定是閉環控制系統？( ）
A．空調 B．自動升降國旗 C．光控路燈 D．音樂噴泉
（2）人們通過電冰箱獲得適當的溫度，使食物能夠長期存放，分析這一現象，我們理解一個控制現象應該從（　 　）入手
A、對象 B、目的 C、手段 D、對象、目的、手段
（3）在水泵抽水的控制系統中，（ ）是執行器。
A、電機 B、水泵 C、水管 D、水流量
2、非選擇題
1、隨著音樂起伏而變化的音樂噴泉是控制技術的一種具體應用。其工作過程是由 “聲－電轉換裝置”將起伏的音樂強度轉換為隨之而變化的電信號，這種電信號驅動電動機帶動水泵轉動。音樂聲信號強，水泵的轉速就快，噴頭的壓力就大，噴出的水柱就高。反之，噴出的水柱就低。音樂信號的強弱與噴泉水柱的高低一一對應。請回答以下問題：
（1）音樂噴泉控制系統是開環控制還是閉環控制？（2分）
（2）該控制系統的輸入信號和輸出信號分別是什么？（2分）
（3）從控制系統組成的角度，分析“聲－電轉換裝置”在此控制系統中起什么作用？（2分）
2、分析抽水馬桶的水位控制系統，請說出
（1） 該系統的控制對象是什么？被控量是什么？控制量是什么？
（2） 該系統存在哪些主要干擾因素？
(3) 該系統的反饋裝置是什么？
3、有一位科學家，為了促使迷上看電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”，女兒必須騎在車上不停地踩腳蹬，才能驅動發電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。
請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發電—電視機”這一過程的方框圖，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術與原理。
4、（1）一般家用太陽能熱水器溫度控制是如何實現的？
（2）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低時，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統的方框圖，說明其工作過程。
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