資源簡(jiǎn)介

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施
一、教學(xué)內(nèi)容分析：
本節(jié)要求學(xué)生親歷一個(gè)完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模型制作過程。對(duì)于控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)不要求學(xué)生能形成詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，只需形成初步方案，重要的是讓學(xué)生親歷設(shè)計(jì)的過程。知道怎樣通過分析被控對(duì)象的基本特征，確定被控量、控制量、從而形成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。
二、學(xué)生對(duì)象分析：
學(xué)生已經(jīng)具備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，但是具體技術(shù)和專業(yè)知識(shí)（電子、電路及機(jī)械控制的知識(shí)）比較欠缺，給控制的設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。
三、教學(xué)目標(biāo)：
1.知識(shí)與技能：
（1） 了解簡(jiǎn)單被控制對(duì)象的基本特征。畫出系統(tǒng)方框圖，形成初步設(shè)計(jì)方案
（2） 能設(shè)計(jì)制作一個(gè)控制方法，能進(jìn)行模擬控制并調(diào)試。
2、過程與方法：
通過案例式的探討和實(shí)踐改良的技術(shù)活動(dòng)，提高分析能力，培養(yǎng)探究精神。學(xué)習(xí)權(quán)衡的思想。
3、情感態(tài)度價(jià)值觀：
（1） 通過對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施的分析，體會(huì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人性化的設(shè)計(jì)思想。
（2) 培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，進(jìn)而樹立“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。
（3) 通過多種形式的教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)課的興趣。
四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn)：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宏觀思想。
難點(diǎn)：分析被控對(duì)象的基本特征，確定被控量、控制量、從而形成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。
五、課時(shí)安排：
1課時(shí)
六、教學(xué)用具：
多媒體課件、相關(guān)視頻
七、教學(xué)方法：
結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情，本節(jié)課主要采用小組學(xué)習(xí)、問題研討、案例分析、馬上行動(dòng)、走進(jìn)生活等方式來實(shí)現(xiàn)本課的教學(xué)目標(biāo)。
八、教學(xué)進(jìn)程
1、復(fù)習(xí)
開環(huán)與閉環(huán)控制的框圖
開環(huán)與閉環(huán)控制的適用范圍
2、開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
案例：自動(dòng)回收晾衣架的設(shè)計(jì)：
設(shè)計(jì)要求：
當(dāng)下雨時(shí)能自動(dòng)回收的晾衣架。
設(shè)計(jì)分析：
被控對(duì)象：
被控量（輸出量）：
控制量：
主要的干擾因素：
根據(jù)控制精度選擇開環(huán)控制系統(tǒng)
畫出控制系統(tǒng)框圖
確定自動(dòng)回收晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。
2、 閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在人類的諸多發(fā)明中，有樣?xùn)|西雖然科技含量不是最高的但是缺少最受歡迎的發(fā)明之一——馬桶。小馬桶改變了大世界。如果沒有馬桶，現(xiàn)代人的生活將會(huì)無法想象。難怪有人說，今天，人們可以不要電視、電冰箱、電腦或汽車，但卻離不開馬桶。馬桶的發(fā)展史，就是人類社會(huì)文明、干凈和有秩序的歷史。
第一個(gè)現(xiàn)代意義的馬桶是英國(guó)貴族約翰·哈靈頓發(fā)明的，他于1597年設(shè)計(jì)出了使用水沖的馬桶，并將這種新發(fā)明安裝在了伊麗莎白女王的宮廷里。1775年，英國(guó)的鐘表師卡明斯又對(duì)哈林頓馬桶的儲(chǔ)水器進(jìn)行了改進(jìn)，使水箱里的水每次用完后，能自動(dòng)關(guān)住閥門，還能讓水自動(dòng)灌滿水箱。不過那時(shí)馬桶的材料通常是木料的，中國(guó)瓷器進(jìn)入歐洲后，為馬桶工藝發(fā)展揭開了新的一頁。陶瓷馬桶既結(jié)實(shí)又不會(huì)漏水，不會(huì)殘存病菌，而且易于清潔，同時(shí)有很長(zhǎng)的使用壽命，可謂馬桶發(fā)展史上的一次飛躍。
那么抽水馬桶的水箱水位自動(dòng)控制是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
案例分析：抽水馬桶的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：
當(dāng)水箱中的水位低于某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即進(jìn)水；當(dāng)水箱的水位達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口停止進(jìn)水。
設(shè)計(jì)分析
被控對(duì)象是抽水馬桶的水箱，
被控量是抽水馬桶水箱的水位的高度，
控制量是進(jìn)水管的水流量
主要干擾因素是水箱的出水流量
方案構(gòu)思：根據(jù)控制精度選擇閉環(huán)控制
用浮球作為整個(gè)控制系統(tǒng)的檢測(cè)裝置。當(dāng)水位低于水箱的給定水位時(shí)，浮球在下打開進(jìn)水閥門，進(jìn)水口進(jìn)水，水箱的水位逐漸升高。當(dāng)水箱的水位達(dá)到給定水位的時(shí)候，進(jìn)水閥們關(guān)閉。
控制系統(tǒng)的示意圖：
討論：在上述案例中，如果要節(jié)約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設(shè)計(jì)哪幾種方案？
對(duì)于簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)有如下的要求：
① 必須是穩(wěn)定的。一是工作時(shí)要穩(wěn)定，二是干擾出現(xiàn)時(shí)要穩(wěn)定，這個(gè)穩(wěn)定是通過調(diào)節(jié)而出現(xiàn)的穩(wěn)定。
② 控制精度要符合要求。統(tǒng)的輸出值與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)。
③ 好的抗干擾性能。
④ 幾項(xiàng)要求有時(shí)產(chǎn)生矛盾，要平衡有側(cè)重點(diǎn)的解決。
播放視頻升國(guó)旗引出國(guó)旗升降自動(dòng)控制系統(tǒng)
一周一次的升旗儀式就要開始了。同學(xué)們懷著激動(dòng)的心情排著整整齊齊的隊(duì)伍。在振奮人心的《歌唱祖國(guó)》的樂曲聲中，升旗儀式正式開始。
問：從中發(fā)現(xiàn)了什么問題？
任務(wù)一：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)升降國(guó)旗的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
任務(wù)三：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)檢測(cè)的升降國(guó)旗的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路
一、明確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
二、設(shè)計(jì)分析
明確控制對(duì)象是什么？控制量？被控量？
三、方案構(gòu)思
根據(jù)控制精度選擇開或閉環(huán)控制，并畫出控制框圖
四、選擇恰當(dāng)?shù)牟牧霞捌骷谱鳌⒄{(diào)試、運(yùn)行、評(píng)價(jià)；
總結(jié)：總之，能達(dá)到控制的目的，采用易于實(shí)現(xiàn)的控制方式，降低控制成本，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響等，是我們進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的基本問題。
進(jìn)水閥門
杠桿比較
給定量
水箱的水位
水箱
浮球（反饋）(共20張PPT)
下雨的煩惱
怎么辦呢？
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施
知識(shí)回顧
被控對(duì)象
執(zhí)行器
控制器
給定量 （輸入）
控制量
被控量
（輸出）
檢測(cè)裝置
比較器
-
+
輸入量
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸出量
控制量
適用于控制精度 而系統(tǒng)元件比較 的場(chǎng)合
適用于控制精度 而系統(tǒng)的元件較 的場(chǎng)合
不高
穩(wěn)定
高
不穩(wěn)定
下雨的煩惱
設(shè)計(jì)自動(dòng)回收的晾衣架？
例1：自動(dòng)回收晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：
一旦下雨晾衣架能夠自動(dòng)回收
設(shè)計(jì)分析：
被控對(duì)象：
被控量（輸出量）：
控制量：
主要的干擾因素：
晾衣架
回收的速度
轉(zhuǎn)速
風(fēng)、雨
方案構(gòu)思：根據(jù)控制精度選擇
開環(huán)控制
輸入量
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸出量
雨水
回收的速度
感濕器
晾衣架
電機(jī)
確定自動(dòng)回收晾衣架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。
畫出工作框圖：
小馬桶改變了大世界
例2：抽水馬桶水箱水位的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：當(dāng)水箱中的水位低于某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即進(jìn)水；當(dāng)水箱的水位達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口停止進(jìn)水。
設(shè)計(jì)分析：
被控對(duì)象是
被控量(輸出量)是
控制量是
主要干擾因素是
水箱
水箱的水位
水流量
水箱的出水
方案構(gòu)思：根據(jù)控制精度選擇
閉環(huán)控制
節(jié)約用水
畫出工作框圖：
被控對(duì)象
執(zhí)行器
控制器
給定量 （輸入）
控制量
被控量
（輸出）
檢測(cè)裝置
比較器
-
+
設(shè)定水位
水箱水位
水箱
進(jìn)水閥門
杠桿系統(tǒng)
浮球
進(jìn)水量
閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求
1、一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的；
2、系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)；
3、閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能；
一周一次的升旗儀式就要開始了。同學(xué)們懷著激動(dòng)的心情排著整整齊齊的隊(duì)伍。在振奮人心的國(guó)歌聲中，升旗儀式正式開始。
發(fā)現(xiàn)了什么問題？
任務(wù)一：
請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)升降國(guó)旗的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
任務(wù)二：
請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)檢測(cè)的升降國(guó)旗的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般思路
1:明確控制系統(tǒng)
2:系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析：
3:方案構(gòu)思：根據(jù) 選擇開或閉環(huán)
控制系統(tǒng)，并畫出系統(tǒng)的工作方框圖
4:選擇恰當(dāng)?shù)牟牧霞捌骷谱鳌⒄{(diào)試、運(yùn)行、評(píng)價(jià)；
設(shè)計(jì)要求
被控對(duì)象
被控量
控制量
主要干擾因素
控制精度
課堂練習(xí)
1、設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，選擇是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)，是由以下哪項(xiàng)決定（ ）
A、控制精度的要求 B、反饋回路
C、檢測(cè)裝置 D、比較器
2、關(guān)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析中，以下說明有誤的是（ ）
A、一個(gè)控制系統(tǒng)中可能存在多個(gè)干擾因素，這些干擾要統(tǒng)一進(jìn)行克服；
B、被控量和控制量的確定是控制方案的關(guān)鍵；
C、控制量應(yīng)選擇可控制，對(duì)抑制干擾因素和保持系統(tǒng)穩(wěn)定有明顯作用的量；
D、執(zhí)行器、檢測(cè)器的選擇主要根據(jù)被控量和控制量的需求；
A
A
例：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求：
電吹風(fēng)能根據(jù)不同的檔位（冷風(fēng)檔、熱風(fēng)擋）輸出不同種類的鳳。
設(shè)計(jì)分析：
被控對(duì)象是
被控量(輸出量)是
控制量是
干擾因素是
電吹風(fēng)
電吹風(fēng)輸出的風(fēng)速和溫度
電機(jī)的轉(zhuǎn)速
房間的溫度、電源電壓的波動(dòng)等
方案構(gòu)思：根據(jù)控制精度選擇
畫出工作框圖：
開環(huán)控制
輸入量
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸出量
檔位
風(fēng)的速度和溫度
電機(jī)、阻值
電吹風(fēng)
風(fēng)扇、電熱絲
確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。

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