控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：共3课时
一、教学目标
1. 了解简单的被控对象的基本特性。
2. 能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图。
3. 形成初步的控制系统设计的方案。
4. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；学会调试运行，提出改进方案。
二、教学重点
设计一个控制系统应明确的问题；对控制系统的基本要求；控制系统设计的思想方法。
三、教学难点
设计一个控制系统应明确的问题的分析；控制系统设计思想方法。
四、教学方法
讨论法、案例教学法、模型教学法、实践教学法。
五、设计思想
1.教材分析
本节教材由“1.控制系统的设计一般思路”、“2.控制系统的设计与实施案例”2小节组成。
教材先对控制系统的设计一般思路作了一般介绍，然后通过开环控制系统和简单闭环控制系统的三个案例的分析（电吹风控制系统的设计、抽水马桶自动控制系统的设计、自动升旗简易控制系统的设计），对这一中心内容进行了深入的阐释。
教材这样的结构说明，在这一节的教学中，要让学生在针对实际问题进行控制设计的实践中去领会控制系统设计的一般方法。
突出主要问题：进行控制系统设计时，最主要的是明确控制对象，明确控制目的，分析控制对象的特性，确定被控量和控制量，分析主要的干扰因素，构思设计方案。
(1)从流程的角度看，上述各项的次序也是控制系统设计的基本步骤。
(2)通过列举一些实例，引导学生思考上述基本步骤。从而理解相关的主要问题。
2.学情分析
学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验和生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。
课时安排
本节总计3课时。
第1课时，讲授控制系统设计的一般思路，分析开环、闭环控制的案例。
第2课时加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。
第3课时，评价和总结。
六、教学准备
为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一只。自动升旗简易控制装置模型。
七、教学过程
第1课时:
引入新课：
要设计一种自动开关的节能灯控制系统，如何展开我们的设计思路？需要从哪些方面着手考虑问题呢？
先让学生自由讨论、发表看法，教师再依据学生的回答给予引导、点拨，再引导学生去归纳这个具体问题中所包含的一般原理。
提问：
被控对象是什么？
控制的目的是什么？
这种灯用在什么地方？环境怎样？
这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？
有什么其他因素会干扰灯的正常工作？
依据你的判断，能提出一种设计方案吗？
1.控制系统设计的一般思路：
针对教材中两个关于开环、闭环控制系统设计的案例，要引导学生去应用控制系统设计的一般原理去认真分析。为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一只。
案例：电吹风风速控制
（1）被控对象是什么？
（2）控制目的是什么？
（3）被控量是什么？控制量是什么？
（4）需要哪些零部件组成控制系统？
（5）有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作？影响的程度有多大？
（6）你认为，控制系统各部件的设计还与什么有关?
（还与结构设计有关）
开环控制系统的设计：明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量，即可考虑控制系统的方案；
【演示试验】电吹风控制系统的设计（图：教材中的电吹风图片）
设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡、热风挡）输出不同种类的风。
设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。
电吹风分控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。
方案构思：
选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。
设定风的挡位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。
试验过程：
1.画出电吹风的电路设计图；
2.选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程；
3.知识延伸：如果设定了热风挡之后又需要分强风挡和弱风挡如何进行设计。
案例：抽水马桶
观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。提出下列问题：
（1）被控对象是什么？
（2）控制目的是什么？
（3）被控量是什么？控制量是什么？
（4）为什么采用闭环控制方式？
（5）被控量与控制量之间是如何实现反馈的？
（6）如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？
⑵ 闭环控制系统：不同闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求不一样。
① 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
② 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。
③ 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设计要求：
1、当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立即进水。
2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立即停止进水。
3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析：
1.从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
2.被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。
3.主要干扰因素水水箱的流水量。
方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位的控制过程：
拨动冲水旋扭，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
课堂小结：
一、控制系统设计的一般思路??
?????? 系统要达到的目标？
?????? 控制的对象？
?????? 被控对象的特性？
?????? 被控量和控制量？
?????? 外界的主要干扰因素？
?????? 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？
?????? 设备和元件？
1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定
2.找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素
3.要确定控制量和被控量
4.执行器和检测装置的选择: 一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件
总之，控制系统设计需满足的基本条件:
能达到控制的目的
采用易于实现的方式
降低控制成本
减少对环境的负面影响
教学资料：
1.控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。
2.控制的分类：
（1）从控制过程中人工干预的情形来分：人工控制、自动控制；
（2）按照执行部件的不同来分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
3.控制系统：
（1）控制系统的含义：任何一个控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统。
（2）控制系统的分类：由于控制的方式不同，自动控制又有：开环控制系统和闭环控制系统之分。
4.开环控制系统：
（1）开环控制系统含义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
（2）控制系统方框图：在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线表示系统信号传递的方向，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。
（3）开环控制系统的方框图：
5.闭环控制系统：
（1）闭环控制系统含义：我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
（2）闭环控制系统方框图：
6.干扰因素：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
7.反馈的涵义：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。
8.开环控制系统与闭环控制系统的比较：
① 开环控制系统：控制精度相对比较低，结构简单，适用与控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场合。
② 闭环控制系统：控制精度高，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高，适用与要求高精度和高可靠性的场合。
9.不同闭环控制系统设计的基本要求：
① 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
② 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。
③ 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
第2课时：自动升旗简易控制装置的设计与实施。
加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。
事实上，这个案例是在教材P112案例所述一般原理基础上，一个具体实施案例。我们不妨进一步向学生提出：除了教材上这样的控制方案，你们还能提出与教材不同的控制方案吗？这样的问题对学生来说是具有挑战性的。
一个值得注意的问题：自动控制一定是闭环控制吗？闭环控制一定是自动控制吗？
闹钟自动控制系统就不是闭环控制系统。
闭环控制系统设计的基本要求
系统必须是稳定性的；（抗干扰性）
达到所需的控制精度；
各个环节的设计科学合理。
自动升旗简易控制装置的设计与实施。
（1）明确设计的要求，明确控制系统设计所要达到的目标。
（2）提出多个设计方案，进行分析、权衡、比较，确定一个相对较好方案。
（3）动手安装、调试升旗控制系统
（4）撰写试验报告，自我评价和小结
1.自动升旗简易装置的设计
设计要求：
(1)在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端；
(2)选择恰当的控制方案实现控制；
(3)选用成本低、易于获取的元件、设备和材料制作模型。
设计分析：
(1)采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）
开环控制系统的方框图：
(2)这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同组成；
(3)计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案，例如，采用机械定时器和电动机实现，采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带可调速电路的电动机实现，采用音频信号、触发电路和电动机实现。
(4)采用任何一种方案实现，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。
设计准备：
机械定时器（或电子定时器、自制电子定时器、CD唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源。
设计方案A：
1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。
机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。
方案B：
采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。
电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。
方案C：
1.采用成品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。
4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。（自动升旗简易控制装置电路图）
方案D：
1.采用CD 唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源串联在电路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
作业：
1.以前学校的大门是对开的，现在很多学校的门都改为电动门，但是这种门操作过于呆板，大门在关闭过程中有人通过时，容易夹伤行人，请同学们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的设计，并能够提出改进方案。
2.有位科学家，为了促使迷上电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”女儿必须骑上自行车不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框土，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。
3.设计并制作水车控制装置的模型。利用流动的水冲击水车，以控制不同的机械装置而产生动作。
第3课时：
自动升旗简易控制装置的设计与实施评价和总结。
（1）方案实施：
自动升旗简易控制装置的设计与实施。
（2）交流与评价：
①撰写试验报告，自我评价和小结；
②小组自评；
③展示成果，学生将本组的作品展示给全班同学，其他同学可以提出自己的改进意见。
作业：
1.在宾馆的房间天花板上都有一个自动灭火装置，当室内烟雾的浓度过高时，该装置会自动喷水，起到降温灭火的作用，请你根据这一装置，设计自动灭火装置的模型。
2.请对太阳能热水器进行分析：
（1）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低是，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，并说明其工作过程。
3.设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。
八、教学反思
学生要对生活中的一些系统进行分析，思考，并能收集一些设备的工作原理，只有在掌握了大量的系统的工作原理，占有大量的资料的前提下，才能对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。
通过一些具体的生活实例导入有关控制的设计方法，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，由易到难，在学生自己设计的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的，符合新课程理念的要求。以贴近学生生活实际的典型案例为载体，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识，体现老师的引导作用。以学生为主体，让学生进行设计，改进身边的一些控制系统，理论与实践相结合，以问题为引领，在‘师生互动’的课程理念的设计上都有较好的亮点，还应注意及时反馈。
控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：第1课时
一、教学目标
1.知识与技能：
了解简单的被控制对象的基本特征，画出系统方框图，形成初步设计方案
2.过程与方法：
通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。
3.情感、态度与价值观：
（1）通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。
（2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。
二、教学重点
设计一个控制系统应明确的问题，对控制系统的基本要求。
三、教学难点
设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。
四、教学方法
讲授、讨论、小组合作。
五、设计思想
1. 教材分析
本节是前几节知识的总结与应用。控制系统设计的一般思路是这一节的重点，也是难点。在设计中，只有对系统的组成部分及其相互关系分析清楚了，才能进行设计。对于学生的设计，因为是必修课的最后一个设计，要求学生一定要按设计的一般过程进行，设计课题不必复杂，但一定要让学生能够完成。
本节课内容为本单元的第四节。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。
本节分别通过开环控制系统和简单的闭环控制系统的设计案例，使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，通过自动升旗控制装置的设计，强化学生对设计的多方案的理解。控制系统的设计是本单元教学内容的综合和总结，也是控制思想方法的集中体现。这一节的教学不仅需要学生对开环控制系统和闭环控制系统的工作过程和工作原理有较好的了解，还需要熟悉控制系统的组成和各环节的作用。
2. 学情分析
学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验和生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。
3. 策略
提出一个生活中时常会遇到的问题，在学习和阅读了相关内容后针对这一问题的设计要求进行具体设计并制作成模型，在学生自己设计和制作的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的。
本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下：
（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。
（2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。
（3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。
（4）老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进行设计。
六、教学准备
电吹风、电风扇等实物，课件。
七、教学过程
教学环节
师生活动
设计意图
导入
在日常生活中，控制具有十分重要的实践意义，我们今天从实际应用出发，进行几个简单的控制系统设计。现在我们首先了解一下控制系统设计的一般思路。
引出新知，激发学生的学习兴趣。
新课讲授
一、控制系统的设计要明确的问题??
??????◇系统要达到的目标
??????◇控制的对象是什么
??????◇被控对象的特性
??????◇确定被控量和控制量
??????◇找出控制系统的干扰因素，分清主次，找出最大的干扰因素
??????◇采用什么方案既达到目的、又经济、易于实现。选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定
??????◇选择设备和元件。执行器和检测装置的选择: 一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件
二、控制系统设计需满足的基本条件:
◇能达到控制的目的
◇采用易于实现的方式
◇降低控制成本
◇减少对环境的负面影响
三、开环控制系统的设计
案例：电吹风档位控制设计
师生共同分析：该控制系统要达到的目的是什么？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？被控量的控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？是否经济实用？如何实现安全设计？
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设计要求：电吹风能根据不同档位输出不同种类的风.
设计分析：被控对象——电吹风；
被控量——风的速度和温度；
控制量——电机的电压；
干扰因素——房间温度、电源电压的波动……
工作过程：
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讨论：
1. 熨斗、电加热棒、电褥子等电器的控制过程分析，安全性分析。
2. 普通电风扇定时控制系统的设计?。
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四、闭环控制系统的设计
案例：抽水马桶水位自动控制
设计要求：当水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
设计分析：
根据设计要求，选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系，主要干扰因素是水箱的出水流量。
方案构思：
采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。
控制系统方框图：略
控制过程：转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
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直接引入题目，便于学生积极思考。
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通过富有吸引力的现实生活中的问题，使学生回想和体会控制系统的工作过程，激发学生的好奇心和主动学习的欲望。
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这些设备，学生有一些使用的经验，拿出来加以分析，还可以增加学生的安全意识。
小结
1.?控制系统设计的一般思路
2. 控制系统设计需满足的基本条件
3. 画出该控制系统的方框图
巩固本节课内容
八、板书设计：
九、教学反思
引导学生对生活中熟悉的简单控制系统进行分析、思考，并收集一些设备的工作原理。教师要掌握大量的简单控制系统的工作原理，要占有大量的资料，才能指导学生对控制系统进行正确分析、画出方框图，才能对实现简单设计。
控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：第1课时
一、教学目标
1.了解简单的被控对象的基本特性。
2.能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图。
3.形成初步的控制系统设计的方案。
4.能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；学会调试运行，提出改进方案。
二、教学重点
1.运用控制系统设计分析方法确定控制系统各部件，形成初步的设计方案。
2.确定被控量和控制量并能画出控制系统的方框图。
三、教学难点
被控量和控制量的确定。
四、教学方法
讲授、讨论、小组合作。
五、设计思想
1.教材分析
本节课内容为本单元的第四节，是前几节知识的总结与应用。可通过教师的引导和实例，结合学生生活经验，探究控制系统设计与实施的含义，归纳总结控制系统设计与实施的方法。通过设计实践活动，让学生感受和领悟，引导学生思考实现合理的控制设计要考虑的因素。
2.学情分析
学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。
学法设计：
引导学生进行“问题式学习”，通过尝试——发现，探索——研究的过程来掌握本节课的知识，在老师的帮助下，把生活中的经验逐步与控制系统联系起来，通过动手实践、改造，亲身体会控制系统的实施方法，体验成就感。
教学策略：
提出一个生活中时常会遇到的问题，在学习和阅读了相关内容后针对这一问题的设计要求进行具体设计并制作成模型，在学生自己设计和制作的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的。
（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。
（2）根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。
（3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。
（4）老师起到引导的作用，把课堂交给学生。让学生进行设计。
六、教学准备
电吹风等实物，课件、方框图。
七、教学过程
引入：
（一）问题的提出
程同学家的住房面积比较小，卫生间和客厅紧密相连，家里来客人时，使用卫生间厕所马桶时所发出的声音和气味常常使人很尴尬。程同学想如果在马桶内安装一个抽气机，将马桶内的气体直接抽到水箱内的水中，通过水的过滤，消除臭气。这样，由于马桶内的空气流向发生变化，如厕时马桶内发出的声音也可得到控制。
要实现这个想法，抽气机的控制系统部分如何设计呢？
新课：
（二）控制系统设计的一般思路：
1.要设计好一个控制系统，需要：
（1）明确这个系统要达到的目的是什么？
（2）所要控制的对象是什么？
（3)被控对象有哪些重要特征？被控量和控制量分别是什么？
被控对象的特征往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式。
（4)外界的主要干扰因素有哪些？
一个控制系统中可能同时存在若干个干扰因素，需要分清主次，找出对系统影响最大的干扰因素。
（5)选择怎样的设计方案既能达到目的，又经济、又易于实现。
为达到实现控制的目的，应采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等。
（6）选择控制系统的设备和元件。
注意在选择元器件时要优先考虑标准件的使用。
2.在以上问题都确定后，再考虑：
（1）要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现所要最终达到的目的。
（2）画出控制方框流程图。
（3）画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸，撰写设计说明书等。
（三）开环控制系统的设计案例分析
◇ 案例分析1（教师引导）：
电吹风控制系统的设计（先介绍一下电吹风的工作原理）。阅读书中“开环系统的设计”，从“电吹风控制系统的设计”体会开环控制系统设计的一般过程。
设计要求：
电吹风能根据不同档位输出不同种类的风。
设计分析：
被控对象——电吹风；
被控量——风的速度和温度；
控制量——电机的电压；
干扰因素——房间温度、电源电压的波动；
工作过程：
这个开环控制系统设计的案例，用以说明开环控制系统设计的过程与方法，体现控制系统设计的一般思路。
◇ 案例分析2（分组讨论）：
电风扇风速控制设计。
1.电风扇风速控制这个系统要达到的目的是什么？
2.控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？
3.需要哪些零部件组成控制系统？被控量的控制量分别是什么？
4.外界的干扰因素是什么？影响的程度有多大？
5.怎样做到经济实用？设计更安全？
6.你认为该控制系统各部件的设计还与什么有关?
◇ 案例分析3：
抽水马桶水位自动控制
设计要求：当水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
设计分析：根据设计要求，选择闭环控制系统。被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系，主要干扰因素是水箱的出水流量。
方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。
控制系统方框图：略
控制过程：转动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
（四）“马桶内抽气控制系统”的方案设计
设计要求：
抽气机能根据不同的档位（如电风扇的风速控制器）改变抽风量的大小。
提问：
针对“马桶内抽气系统”，是选择开环控制系统还是闭环控制系统？
教师总结：采用开环控制系统实现马桶内抽气。同学们在学习控制系统设计之初，要从尝试进行简单的开环控制系统的设计做起。
1.明确马桶内抽气系统的设计要求、被控对象、被控量和控制量。
2.阅读书中119页“开环系统的设计”，从“电吹风控制系统的设计”体会开环控制系统设计的一般过程。
设计分析：
抽气机控制系统的的被控对象是抽气机装置，被控对象是抽气量的大小，控制量是电机的电压，干扰因素是电源电压的波动。
抽气机控制的工作过程：抽气机是通过电动机带动真空泵将气体从马桶内抽到水箱之中的。
分组讨论：
1.设计“马桶内抽气控制系统”，画出流程方框图。
2.共同讨论设计还存在哪些问题，如何改进。
方案构思：
设定抽气机的挡位就设定了电动机电压，接通电源后，电动机带动真空泵，将马桶内的气体抽到水箱中，输出的就是预设定抽气大小的量。
（五）作业：马桶内抽气装置的模型制作
1.确定了抽气机控制系统的设计方案后，画出必要的电气线路图。
2.选择适当型号的元件和配件，进行组装。（老师提供相应的配件和原材料，学生现场制作）
3.进行调试，测试能否实现设计目标，提出改进意见。
八、教学反思
尝试引导学生进行“问题式学习”的过程来掌握本节课的知识，在老师的帮助下，把生活中的经验逐步与控制系统联系起来，通过动手实践、改造，亲身体会这种控制实施方法，体验成就感。
控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：第2～3课时
一、教学目标
1. 了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，采用逆推法画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。
2. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案
二、教学重点
设计一个控制系统应明确的问题，对控制系统的基本要求。
三、教学难点
设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。
四、教学方法
讲授、讨论、小组合作。
五、设计思想
1. 教材分析
本节要求学生亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程。对于控制系统方案的设计不要求学生能形成详细的设计方案，只需形成初步方案，重要的是让学生亲历设计的过程，知道怎样通过分析被控对象的基本特性，确定被控量、控制量，从而形成控制系统的设计框图，对于开环控制系统和闭环控制系统的制作和实施，课标有着不同层次的要求，对于开环要求能制作一个完整的简单的控制装置，对于闭环控制系统，只要求学生根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
本课要解决的重点是：亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程.
2. 学情分析
（1）学生已经使用过设计的技术语言对设计的过程和方案进行描述；
（2）经历了几个设计和制作的全过程，熟悉设计过程中的各个环节以及模型或原型制作的基本方法和手段；
（3）设计制作中具体技术和专业知识（如电子、电路及机械控制知识等）有所欠缺，给控制的设计和实施带来了一定的困难；
3. 教学策略分析
本次控制系统设计将采用开放式的设计，在提出设计命题后，不给出一个确定的系统设计方案，而是引导学生提出自己的想法，激发学生发现问题和勇于创新的激情。本次设计将按设计的各环节按层次提供了一些在系统设计时可能会碰到的技术问题，让学生自己分析、选择认为合理的设计方案，以合作学习的方式，完成设计和制作。学生通过从明确问题、制定方案设计、制作、测试评估和优化全过程的参与，初步学会控制设计的基本方法，加深对前述课程内容的理解，以达到提高技术素养的目的。
六、教学资源准备
多媒体设备、相关图片资料、技术试验工具、材料等
七、教学过程
序号
教学步骤
教师活动
学生活动
一
问题的提出
问题：在海南处于热带地区，多雨,天气无常，而人们工作繁忙，时常无暇顾及雨水对家具、家电等物品的损害，造成经济损失。能否设计一个雨天自动关窗系统？这样，人们工作在外，就不用担心雨水飘进家里了。
设计项目：雨天自动关窗系统
明确设计任务
激发学习兴趣
二
方案的设计
1.明确控制的目的
提问：该控制系统控制的目的是什么？
思考，回答：
根据是否下雨控制窗户的开和关
2.分析被控对象的主要特性，确定被控量、控制量
提问：
（1）该控制系统被控对象是什么？被控量是什么？
（2）窗户的开关通常有哪几种方式？采用哪种开关方式，怎样控制比较合理？
回答：被控对象是窗户，被控量是窗户的开与关
引导学生分析被控对象，确定控制方式和控制量：
电机的转动
3.采用逆推法引导学生画出控制框图
教师：窗户由什么来开、关的？
?
教师：电动机由谁来控制它运转？
?
教师：控制电路如何知道何时让电动机运转？
?
教师：用怎样的装置感知有光线否呢？
教师：现在我们大家把刚才我们分析的思路用方框图整理出来：
?
学生：电动机
?
学生：控制电路，由它来控制电动机的正转反转 学生：由一个能感知是否有雨的传感器送信号给控制电路
学生：……（湿度传感器）
三
方案的实施
结构安装
提供方案实施中的技术问题的多种解决方案让学生自己分析选择：
（1）窗户的运动方式：平移、转动
（2）电机与窗户连接方式：
a.齿轮与齿条连接
b.共轴连接
c.滑轮绳子连接
（3）湿度检测电路：
湿敏电阻、自制湿度传感器
分组讨论：
根据提供的技术资料，分析并选择认为合理的设计方案
四
方案的调试评估和改进
1.控制调试
（1）??????? 调试机械联接是否稳固
（2）??????? 调试窗户移动（开关）是否到位
（3）??????? 调试湿度检测是否灵敏
2.评估自己的方案
3.优化改进自己的方案
（1）如何增加湿度检测的灵敏度和准确度
（2）如何实现自动控制和人式控制两种方式并存，使控制有更大的适应性
（3）如何克服窗户移动距离可能存在的误差
调试，分析出现问题的原因，并改进
反思自己的设计，进一步优化自己的方案
五
小结
1.引导学生归纳总结控制系统设计的一般步骤
2.设计方案实施的主要步骤
3.对方案实施的调试评估
归纳、总结，把实践经验进一步提升
八、教学反思
这是“控制与设计”专题的最后一个教学内容——简单控制系统的设计及系统的调试。这一课题的教学以具体设计任务为载体，让学生体验控制系统设计和实现的过程，使课堂还给学生，给课堂以生气和活力。
本课程的教学设计以设计制作“下雨时自动关窗装置”为载体来展开的，课程的导入和每一个设计步骤都是围绕这个设计任务来展开的。内容具体，目标明确，学生有兴趣，课堂也很活跃。这一课没有使用教材的推荐载体，而是根据本地条件选择的载体。本次是采用两节课连上的方式进行的，在教师的引导下学生下基本能够完成任务，效果很好。
控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：第2～3课时
一、教学目标
1.知识与技能
理解控制系统设计的一般思路。
2.过程与方法
（1）能根据控制系统设计分析方法确定控制系统各部件并画出方框图，形成初步的设计方案；
（2）能根据设计方案初步选择控制系统所用元器件；
（3）能综合运用设计的一般原则等知识指导实施与评价过程。
3.情感态度与价值观
形成运用设计的一般过程和设计的一般原则分析问题解决问题，培养具体问题具体分析的正确情感和态度。
二、教学重点
理解控制系统设计的一般思路；运用控制系统设计分析方法确定控制系统各部件，形成初步的设计方案。
三、教学难点
运用控制系统设计分析方法确定控制系统各部件，形成初步的设计方案；综合运用设计的一般原则等知识指导实施与评价过程。
四、教学方法
讲授、讨论、小组合作。
五、设计思想
在本节教学中，将采用教师引导启发和学生合作学习相结合的教学模式。以任务驱动的方式，引导学生运用所学知识进行控制系统的设计。
六、教学资源
电热箱控制系统设计所需部分元器件，评价表格等。
七、教学过程
环节
教师活动
学生活动及预期效果
设计思路
提
出
问
题
1.引入
消毒碗柜利用红外线高温消毒的特点，将洗净的碗、筷、杯、盘放入其中加热、烘干，达到预定的时间之后便自动断电。
2.提出问题
设计项目：电热恒温箱
设计要求：
（1）箱内温度恒定在60度左右；
（2）能自动控制；
（3）安全、节能、低成本。
认识消毒碗柜热消毒原理。
提出具体设计项目，明确设计目标。
进行对比，让学生对后面提出的电热箱设计有初步的认识。
设
计
分
析
1.设计的总体思路
设计的一般过程：发现问题与明确问题——制定设计方案——制作模型或原型——测试、评估、优化——编写使用说明书。
2.控制系统设计分析
（1）控制系统的结构：
呈现开环及闭环控制系统的框图,分析控制系统固有特性和内在规律。
（2）确定控制系统各部件
A.确定控制对象：电热箱
B.确定执行器：加热器
（执行器由被控量来选择，若被控量是温度，执行器可以是加热器（加热）或压缩机（制冷），若被控量是流量，执行器就是阀门。对于运动，通常采用电动机（直线运动）等。）
C.确定控制器
控制器的选择与控制量、被控量、执行器都有关系
控制量：热量
根据焦尔定律：
Q＝0.24I2Rt＝0.24(U2/R)t
控制手段：
①通过调压器改变电压来调整;
②通过可控硅或晶闸管改变电流调整; ③改变加热器电阻的方法调整温度；④可以通过开关时通时断控制时间来调整。
3、控制方式
（1）干扰因素分析
A.电源电压的稳定性
B.电热箱箱体与环境的对流速度(密封性、环境温度)
（2）控制方式的选择：闭环控制系统
（选择原则：被控量是否存在量上的误差）
（3）检测装置的确定
由被控量来选择，温度传感器
重温设计的一般过程。
明确控制系统设计的特殊性。把握控制系统设计分析的一般思路：确定执行器、控制器、检测装置（闭环）等。
运用所学控制理论，理解控制系统各变量之间的内在规律，以此确定控制系统各部件。
师生交互。
强调设计的一般过程是进行设计应遵循的科学步骤。
将控制系统设计方法转化为执行器、控制器、检测装置（闭环）等的选择。
使问题简化、具体、明了。助于学生的理解。
掌握控制系统的内在规律。
方
案
构
思
1. 绘制控制系统框图
分组确定这一控制系统的设计方案，画出方框图。
2. 电热箱元器件的选择
展示多种元器件，由学生选择。组成控制系统，画出电路图，并连接实物。
如果有多种设计方案，需要进行比较与权衡。
动手操作。比较、权衡，内化知识，提升能力。
通过动手动脑，将知识内化，提高学生物化能力。
为制作、安装、运行、评论等准备。
系
统
实
施
设计项目的实施
实施包括：
箱体的制作、安装与调试、运行和评价等步骤。
讨论：
1.系统实施和评价的依据是什么？
（设计的一般原则。具体内容：美观、创新、实用、经济、道德、技术规范、持续发展。）
2.在本恒温箱实施过程中，你认为主要要考虑设哪些因素？
3.一同学在箱体的正面安装一电源指灯以指示电源的通断，安装温度计以指示箱内的温度。这考虑人机关系的哪方面关系？
（信息交互——以人为本思想方法）
4.一同学为了减少电热箱与环境的对流速度，在实施过程中制作了内外两层箱体。他是基于什么问题考虑？
分组：
根据设计方案，进行组装、调试，填写评价表。
进一步明确设计的一般过程和本控制系统实施的任务。
思考、发散、运用知识解决教师提出的问题。
采用问题的方法以点带面，引导学生以设计的一般原则指导设计、实施、评价等整个过程，以期抛砖引玉。
形成技术思想方法，如以人为本、系统的分析方法等并以此运用于设计和实施中。
总
结评价
1.控制系统的设计遵循设计的一般过程，但有其特殊性。
2.控制系统的设计思路是：明确控制目的——了解被控对象的基本特性——分析被控量和控制量——确定执行器和控制器——确定控制类型——选择元器件——制作、安装、调试、优化、评价。
3.设计的一般原则是指导控制系统设计、实施的准则。
4.设计过程应综合运用技术的思想方法，力求有所创新。
梳理本课所学知识点，进一步明确控制系统的设计思路。
总结、提升，加深理解，促进学生知识内化。
八、教学反思
本课从家用消毒柜的案例引入简易温度（闭环）自动控制系统的设计思路，设计过程、设计原则运用合理，课堂语言的节奏控制良好。采用自备电子元件，组织学生分组试验，引导学生分析了闭环自动控制系统的设计思路，设计分析和设计原则，动手设计、组装和调试。
本次课采用两节课连上，教师讲课时间不多，让学生有更多动手实践的时间。
控制系统的设计与实施
教 材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书 通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章 节：第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
课 时：第2～3课时
一、教学目标
1. 了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，采用逆推法画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。
2. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；
3. 学会简单控制系统的调试运行，提出改进方案。
二、教学重点
根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置；
或者能根据简单闭环控制系统的设计方案进行实施或模拟实施。
三、教学难点
调试运行，提出改进方案。
四、教学方法
讲授、讨论、小组实践。
五、设计思想
1. 教材分析
在前3节对开环控制系统和闭环控制系统工作过程和原理介绍的基础上，本课主要使亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程。重要的是让学生亲历设计的过程，知道怎样通过分析被控对象的基本特性，确定被控量、控制量，形成控制系统的设计框图，对于开环控制系统和闭环控制系统的制作和实施，课标有着不同层次的要求，对于开环要求能制作一个完整的简单的控制装置，对于闭环控制系统。要求学生根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
2. 学情分析
学生对控制系统已经有了基本了解，对系统设计的各环节以及模型或原型制作的基本方法有所熟悉。
设计制作中具体技术和专业知识（如电子、电路及机械控制知识等）有所欠缺，给控制的设计和实施带来了一定的困难。
六、教学资源准备
多媒体课件、电饭锅若干、干簧管一只（常开）、发光二极管一只、导线若干条、微型开关二个（常开、常闭）。
七、教学过程
（一）引入：
教师与学生一起回顾开环控制和闭环控制的相关知识，为下面的新知识讲授打下伏笔。
（二）新课
◇ 设计项目一：衣柜自控灯的设计（直接引入题目，便于学生积极思考。）
设计要求：开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
1. 衣柜自控灯设计分析
自控灯的控制工作过程：灯安装在衣柜内，开门灯即亮，关门就会自动熄灭。
被控对象——灯泡
被控量——灯泡亮/灭
控制量——开关通与不通
控制方案——开环控制系统
元器件——开关、电源、灯泡……
干扰: 电压的波动
影响: 电流波动、灯光闪烁
讨论：通过改变什么，实现灯的亮与灭？
2. 方案构思：选择开环控制系统实现自控灯的控制要求。
确定了确定控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。
3. 方案的呈现：学生根据给定的材料，呈现小组方案。
4. 分组实践：根据设计方案和已给材料（各种电子开关、灯泡、双金属片等），组装衣柜自控灯模型。
5. 展示与点评：展示部分小组作品并调试。
6. 拓展与延伸
提问：这类控制设计方案，除了用在衣橱上，还可以用在哪里？
（门窗、橱柜、抽屉、保险柜……）
如果把被控对象换成电铃，那么它又可做成什么？（防盗报警控制系统）
如果把执行器开关换成声控开关的话，它又可做成什么？（声控灯）
如果把执行器开关换成光控开关的话，它又可做成什么？（光控灯）
……
◇ 设计项目二：以普通电饭锅的限温、保温控制为例，体验简单的闭环控制系统。
分组完成：
1. 观察普通电饭锅的内部结构，了解各元件的作用
2. 分别画出普通电饭锅的限温、保温控制的方框图
3. 普通电饭锅的限温、保温控制设计分析
八、教学反思
在本节课的教学中，分别以衣柜自控灯设计、普通电饭锅的限温和保温控制分析这两个设计活动为主线，让学生在针对实际问题进行控制设计的实践中去领会控制系统设计的一般方法。活动过程中，学生以小组为单位在进行设计分析时，亲身经历对多方案进行比较、权衡、选择的过程以及一个控制系统的制作、安装、调试、改进的全过程。在这样一个体验过程中，学生才可能对教学目标有一个全面理解和认识。
活动中，学生遇到一些问题，比如：在我所给的材料中，对有些材料（如开关、双金属片等）比较陌生；学生在比较权衡完毕后，还会对原来的方案进行进一步的改进；学生在对控制系统电路连接调试中灯泡不亮等等。整节课的课堂氛围好，学生兴趣高，能按时完成任务。
附：普通电饭锅控制原理资料
电饭锅是利用发热板，在铝质锅的底部煮饭。发热板内藏电热线，这电热线是由自动开关控制。
发热板的中央有一圆孔，孔内有一感温软磁，它借着弹簧向上顶贴着锅底。这是一种纯铁氧体。它在100℃或以下时，可以被永久磁铁吸引。但当升至103℃时，则失去磁性，不再受永久磁铁吸引。
当按下开关按键，开关横杆把磁铁向上顶贴着感温软磁。这时，发热线接通，开始加热。
当锅内的饭沸腾后，锅内的水就渐渐减少。当水开始蒸干，锅内的温度就由100℃上升。当升至103℃时，感温软磁就不受磁铁吸引，开关的杠杆因弹簧的弹力及本身的重力而下降，压使接触点分开，发热线就断电。同时，接通另一保温电路，保持饭的温度在70℃左右 .
普通自动恒温式电饭锅的外壳和内锅一般用冷轧钢板和薄铝板模压成型，内锅底部呈球面状，与电热盘上表面吻合，电热盘是电饭锅的核心部件，它主要由铝盘和电热管两部分组成，环形金属管状电热元件浇铸在铝盘之中便制成电热盘。
普通自动恒温电饭锅的控制主要依靠磁钢限温器和热双金属片恒温器。磁钢限温器是电饭锅的限温元件，安装在电热盘的中心处，其作用是在饭煮熟后自动断电，以免饭被煮焦。插上电源，由于双金属恒温器所控制的触点在温度低于保温温度时处于常闭状态，加热器就工作（发热），指示灯亮；按下开关按钮，磁钢限温器所控制的触点闭合，电饭锅开始煮饭，当温度达到感温磁钢的居里点温度时，紧贴锅内底的感温磁钢失去磁性，结果永磁体因自身的重量及弹簧的弹力作用自行跌落，使磁钢限温器所控制的触点自动跳开；同时因为双金属恒温器的常闭触点在高于65℃时也处于断开状态，因此加热器断电而停止工作，指示灯熄灭，表明锅内米饭已煮熟。加热器断开后，其余热足以将饭菜焖至喷香可口的程度。随着饭温的下降，当低于65℃时，双金属恒温器的常闭触点自动复位闭合，于是加热器又通电工作，锅内的饭又开始升温；但当高于65℃时，该触点又断开。如此循环，就使锅内的米饭温度始终保持在65℃上下，此时指示灯时亮时灭，以示保温。
