第四单元《控制与设计》第二节---控制系统的工作过程与方式

技术与设计2 第四单元 控制与设计 第二节 控制系统的工作过程与方式
第四单元 控制与设计
第二节 控制系统的工作过程与方式
一、教学内容分析：
《控制系统的工作过程与方式》选自普通高中课程标准实验教科书《通用技术-技术与设计 2 》的第四单元第二节（江苏教育出版社）。
《控制系统的工作过程与方式》这节的内容是有关“控制系统的工作过程与方式”的学习和掌握，包含“控制系统”、“开环控制”和“闭环控制”等三个内容。
生活中不乏简单控制系统的应用，人们对此往往象看待日出日落一类自然景色般的习以为常。本部分内容的学习，正是要引导学生，从技术的角度、用控制的思维看周围的存在，分析其道理。
本课教学内容，从学生生活经验出发，从实例分析入手，归纳出对控制系统的一般认识，以及根据控制系统方式分类的开环控制系统和闭环控制系统两类，并侧重对开环控制系统的工作过程、方框图、重要参数进行分析。
二、教学对象分析：
学生在前面的学习中已经学习和分析了控制在生活生产中的应用，获得了有关控制及其应用的初步感性认识和体验，但是对控制的基本工作方式和工作机理还缺乏了解，他们对进一步了解控制系统的知识是有探究的欲望的。本节课的教学除了继续加深对技术与设计的知识深度和技能程度外，更是培养技术思想和方法的很好的平台和载体。因此，应多贴近学生生活经验出发，从实例分析入手，逐步归纳出对控制系统的一般认识，并能对开环控制系统的工作过程、方框图进行分析。
三、目标：
1.知识与技能：
1.分析典型案例，熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
2.熟悉闭环控制系统的基本组成，能画出一个简单的闭环控制系统的方框图。
3.理解闭环控制系统中的控制器、执行器的作用。
2.过程与方法：
鼓励学生自主探究和合作交流，引导学生自主观察、总结，在与他人的交流中丰富自己的思维方式，获得不同的体验和不同的发展。注意引导学生体会控制系统的工作过程和方式，特别是理解闭环控制的工作过程以及其构成的作用。
3.情感态度价值观：
提高对生活中技术问题的敏感度和引发出探究欲望，并能保持积极审慎的态度。
四、教学重难点：
1.教学重点：控制系统的构成；开环系统与闭环系统的构成与判断。
2.教学难点：开环系统与闭环系统的构成与判断。
五、教学概述：
本章的教学结合具体的教学内容和目标我们采用“案例情景—机理分析—总结归纳－认识提升”的模式展开。在教学中把知识点的教与学置于具体的案例情景当中，通过丰富而贴近生活的案例使学生从生活体验到理性分析的思维升华过程。同时关注学生能否用不同的语言表达、交流自己的体验和想法。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。让学生本着“回想—分析—联想—猜想”的思维过程，对教学内容进行步步展开，使学生亲历自主探索和思维升华的过程。
在重要的“问题分析”环节上立足于“控制系统设计的目的性”，让学生抓住问题的主要矛盾，“归纳总结”阶段着重引导学生完善知识框架。让学生在自主探索中经历思维升华的过程。
2课时
六、教学器材：
多媒体课件等。
七、教学过程：
一）引入新课：
日常生活中的控制举例：
A.拔动教室电灯开关，灯的亮与不亮与手动有关。
B.声光感应开关，当有声音时灯亮。
C.红外感应出水龙头，手靠近水龙头出水，离开则不出水。
D.宾馆自动门，当有人进入，门自动打开。
E.当手靠近自动烘手机时，机器启动；当手离开时，机器关闭。
（是靠着红外线感知手的靠近过程，没有人用的时候，鼓风机和加热电炉丝都自动切断了电源。当手的温度在红外传感器监视范围之内的时候，烘手机就启动。）
师生归纳、抽象以上活动的特征：
一个输入信号（如手拔开关）对应着一个输出信号（如灯亮或不亮）。
这些控制是怎样实现这个功能的呢？或者说，它们工作过程是怎样的呢？这个知识我们这节课就要学到。今天我们来学习第二节：控制系统的工作过程与方式
二）新课教学：
一、控制系统
1、什么是控制系统：
要想进一步了解控制，我们首先需要分析
控制的对象是什么
控制要达到什么目的
采取什么控制手段
然后，控制的实现又是通过哪些具体的环节呢？
【案例分析】教室电灯的开关控制、自行车速度的控制、电风扇风速的控制
控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段
电灯的开关控制 电灯 电灯的开关 拨动开关
自行车速度的控制 自行车 速度的调节 改变踩动脚蹬的力气
电风扇扇叶转速快慢的控制 电风扇 调节速度 换档
分析教室电灯的开关控制、自行车速度的控制的实现过程、电风扇风速的控制过程。（画出控制过程方框图）
自行车行驶的速度控制是通过脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条、飞轮等部件来实现。
电风扇的风速控制是通过改变电机的转速来实现的。
【总结】
一般的控制过程都有一个输入和一个输出。
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。
控制系统的输入输出之间有一定的对应关系。
【马上行动】（课文p102）指出表中所列事例是否属于控制系统，如果是控制系统，请指出系统的输入、输出分别是什么？（一般的控制过程都有一个输入和一个输出。）
是否属于控制系统 输入 输出
电饭煲 是 做饭指令（电信号） 锅内的温度
脱粒机 是 启动指令（电信号） 脱粒的量
红外线自动水龙头 是 人手的红外信号 出水和不出水
控制系统一般分为开环控制系统（open loop control system）和闭环控制系统（closed loop control system）。
2、开环控制：
【阅读课本】普通游泳池注水控制系统控制过程
游泳池注水控制系统中，如果进水管单位时间的水流量一定，那么游泳池水位的高低与进水的时间一一对应。我们可以利用定时器来控制进水阀门的开启与关闭。
设定注水 游泳池的水位
的时间 （输出）
(输入)
为了分析控制系统的方便，我们可以使用方框来表示系统的环节，用单向箭头（单向信号线）来表示系统信号传递的方向。这样画出的控制系统的方框图可以表示系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。
定时器对输入的注水时间进行处理并发出控制命令，控制进水阀门往游泳池里面的注水量。
注：在把游泳池注水控制系统进行分解的时候，分析的时候要注意措词，使学生对“控制”，“执行”，“被控”，“控制量”这样一些名词提前有所感知。
【案例分析】自动门的控制系统：
自动门系统由四个子系统组成：传感器、控制器、执行器（电动机）、被控对象（门）。
当有人到达门前某一距离时，传感器感知，发出“有人”的信号，控制器接到传感器传来的信号后，经变换放大后传给执行器（电动机），电动机根据传来的开门信号转动，门（被控对象）被打开，控制器保持开门信号延时设定的时间后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。与人类比，传感器相当于眼睛，判断有没有人要通过；控制器相当于人脑，根据眼睛传来的信号下达指令；执行器相当于人手，把门打开。
自动门的工作原理可以用下面的方框图来描述：
红外装置是否检测到人 门的开启或关闭
体热辐射发出的信号： （输出）
（输入）
在上面的例子中，信息总是自输入端单向传至输出端，不存在信息逆向流动，象这样的控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统成为开环控制系统。
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。
开环控制系统的方框图：
利用前面的案例和普通游泳池注水控制系统控制过程分别引出名词：
输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要求控制的装置或生产过程。
输出量（被控量）：控制系统中所要控制的量，也是控制系统的输出信号。
控制量与被控量的区别:
控制量:执行器的输出信号。
被控量:控制系统的输出信号。
开环控制系统特征：
系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递，输出量不对控制产生任何影响。
马上行动：列举你所知道的开环控制系统。
（红绿灯定时控制系统、防盗报警系统、火灾报警系统、音乐喷泉控制系统、闹钟定时控制系统、声控灯、自动烘手机、自动水龙头、洗衣机、电风扇的风速控制、直流电动机和数控机床等。）
案例分析：水泵抽水控制系统（104）
这是一个开环控制系统，在这个控制系统中，水泵是否排出水受电源开或关的控制，而且信号的传递是单向的。
马上行动：
1)用方框图说明下列开环控制系统的工作过程。
（1）普通家用电饭煲的煮饭控制。
普爱通电饭锅的控制中，加热过程的控制是一个以温度为变量、按时间顺序变化的时序控制，因而，它是一个开环自动控制系统。控制的对象是电饭锅内的内锅，输出量是内锅温度按时间变化的规律。输入量是“做饭指令”，这个指令的核心是：内锅温度低于限制温度（103℃），电热盘工作；内锅温度达到限制温度，电热盘停止工作；内锅温度达到限制温度，电热盘停止工作；内锅温度下降到保温点（65℃）时，实施保温控制。在具体操作上是由按钮实施。系统的执行器是电热盘。
（2）公共汽车车门的开关控制系统。
输入量为开关信号，输出量为车门的开与关，控制量为气动活塞的行程。
2)列举你所了解的开环控制系统的例子，说明其控制工作过程，并画出方框图。
电视机和遥控器构成了一个开环控制系统。接通电源，打开电视机的开关，将遥控器的前端对准电视机上的红外检测装置，通过按按钮，可以选择频道节目。
小试验：
制作一纸猴，拉动背后的线（输入），纸猴的动作表情发生变化（输出） 观察、体验输出信号与输入信号之间对应关系。
1)说明试验的基本步骤
2)指导学生观察拉动线绳，纸猴表情的变化（图略）。
探究：
1）
（1）酒店自动叫醒报务控制系统的工作过程，画出方框图。
（2）当系统自身计时出现误差时，叫醒报务时间是否准确？也就是系统能否修正这一误差？
是一个开环系统，所以如果系统自身时间计时有误，系统不能自动调整过来，叫醒时间也就要出差错。
2）火灾自动报警系统由火灾探测器、现场报警部件、报警控制器组成。火灾探测器包括感烟探测器和感温探测器，现场报警器包括警铃、讯响铃、报警门灯等，报警控制器按显示方式分为数码显示和液晶显示两种不同的类型。
3、闭环控制：
进水管的水压会在注水过程中发生变化，比如水压会变小，此时若还使用前一种注水系统，会导致什么问题？
（学生活动）设定的时间到了，游泳池的水还没有达到预期的水位。
（引导分析）
如何解决这一问题？
设计该控制系统的目的：在存在干扰因素的情况下，如何克服干扰，达到预期目标。
在存在干扰的情况下，我们可以想办法消除掉它对被控对象的影响，使事态的发展回归正途。
我们可以借鉴如下的例子：
我们来分析一下人拿杯子这个动作完成的过程。人在打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下，杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会命令自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示。
人就是通过这个过程来完成拿杯子这个动作的。
在这个例子中，
①杯子的位置作为人控制手要达到的位置（给定量），
②人眼一方面感知该控制系统输出量即人手的位置命令另一方面得出它与给定量之间的差距，大脑相当于控制器，
③人手兼职执行机构和被控对象双重角色。
显然该系统具备较高的控制精度且抗干扰能力强，其原因就在于它将给定量与所检测的被控量进行比较，也就是说我们如果增加检测和比较环节，就能解决干扰的问题，做到高精度的控制。
在进行完这种思考后，我们回过头来解决注水的问题：
例如：游泳池注水控制系统。将输入由设定注水时间改为设定游泳池水位
把输入量设定为“预期中的游泳池的水位”，增加一个检测游泳池水位的装置，把测量到的游泳池当前水位返回到该控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），来与输入量相减，当实际水位比设定水位低时，控制器控制进水阀门继续注水；当实际水位达到设定水位时，控制器发出信号关闭进水阀门。
经过改进后的游泳池注水系统，增加了输出端到输入端的信息传递，即把输出量返回到输入端与给定值进行比较，构成了一条闭合回路。
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。
闭环控制系统方框图：
特点：在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。信号传递是闭合回路。
让学生观察并解释闭环控制系统与开环控制系统的区别？然后教师归纳总结。
开环控制系统与闭环控制系统的区别:
开环控制系统 闭环控制系统
区别 信号传递是单向的 信号传递是闭合回路
马上行动P106：
判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图：
控制系统 是否属于闭环控制系统 方框图
缝纫机的缝纫速度控制系统
电冰箱的温度控制系统
走道路灯的声光控制系统
交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统
对一种自动装置的设计和分析，通常都是从输入量给定开始，到输出量稳定为止来分析其工作过程的，一般不把人作为环节加入其中。
家用缝纫机的缝纫速度控制系统：
其参考框图如下：
2）电冰箱的温度控制系统
其参考框图如下：
3）走道路灯的声光控制系统
白天或夜晚光线较亮时，声控部分不起作用。当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成电路通断的自动开关控制。其参考框图如下：
4）交通路口红绿灯自动控制（根据车流量大小改变红绿灯时间）系统
目前所用的交通路口的红绿灯控制系统一般都是按给定的时序来控制的，因此应该是开环控制系统。对车流量因素的考虑，是在调查统计的基础上在设计给定时序时体现的。其参考框图如下：
【阅读】开环控制系统经典应用案例分析：“希罗的自动门”控制的工作过程分析说明
1 、画出“希罗的自动门”控制方框图
2 、分析一个开环控制系统工作过程
抽水马桶水箱控制系统的分析,并画出方框图.
八、练习：
1.家用压力锅的压力控制是开环控制系统，通过高压锅盖上的安全阀和排气孔实现压力控制。
安全阀上有一个重锤，它平时压在高压锅的排气孔上。当高压锅内温度升高时，锅内气体压力增大，超过一定值，重锤被顶起，蒸汽外冒，锅内气体压力下降到安全值范围内。
2.粮库的湿度和温度自动控制，一般采用闭环控制系统，增设定时检测温度和湿度的装置，与给定的温度和湿度比较，当出现偏差时，相应调节温度和湿度。方框图如下：
3.当压力过高时，蒸汽把横杆连同重锤顶起来，使锅炉内的蒸汽通过排气孔排出，使压力降到限定值。横杆的作用：横杆使得重锤的位置可以调节，调节重锤离左端的距离就改变了限制的压力值。
九．小结：
1、什么是控制系统：
2、开环控制：
3、闭环控制：
十．教学反思
把教学的案例情景设置在学生身边经常遇到的例子，如自行车等生活常用工具和产品，根据目标对教学内容进行筛选，尽量去掉教材中易使学生厌烦的信息，留下学生能够参与和感兴趣的信息，激发学生的学习热情。如果有可能，就尽量减少教师的课堂讲解，要给学生充足的时间和空间来思考和发展，使学生有时间和空间进行自我调控、自主学习、自我分析、互相评价、促进学生学会学习。
本节课通过对开环闭环控制系统的探讨，有助于学生将日常所见控制事例上升到运用技术思想和方法理解并分析，并学会应用相应的控制方法来解决现实生活中遇到的问题。
本课从回顾控制入手来引出控制系统，从实例的分析开始，与学生共同归纳、抽象实例的特征，引出开环和闭环控制系统的相关分析。
在分析开环游泳池注水控制系统的时候，一开始先笼统的针对整个控制系统来分析，然后再深入内部具体环节和部分，这样的认识过程便于降低分析的入门难度。
在引入闭环控制系统部分，我个人认为有必要在此就引入干扰的说法，然后针对如何消除干扰的影响达到预期目标来改进控制系统，这样即便于理解也为后续课程做好铺垫。
补充内容：
鹰发现猎物后，马上用眼睛估计它与猎物相距的距离和猎物的方位，并向猎物飞行去。在飞行的过程中，鹰的眼睛不断测出自己与猎物的差距，大脑不断作出判断，通过调整翅和尾的飞行状态，以缩小差距，使自己的位置越来越接近猎物，直到捕获到它为止，这一过程就是鹰的飞行控制过程，是闭环控制过程。
行驶的速度
（输出）
脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条、飞轮
脚踩的力
（输入）
风速
（输出）
电机、扇叶
风速的挡位
（输入）
游泳池
进水阀门
进水阀门
定时器
转动
自动门
电机
控制电路
控制量
水流量
水管排出水
（输出）
被控对象:
水管
接通电源
（输入）
执行器
水泵
控制器
电机
保温限温控制装置
煮饭
（输出）
煮饭指令
（输入）
内锅
电热盘
开/关
（输出）
开关
（输入）
车门
气动活塞
电磁阀
叫醒信号
客房电话
电脑
设定叫醒时间
报警声
电信号
烟雾信号
报警部件
烟感探测器
报警控制器
杯子的位置
人眼
大脑
人手
人手的位置
人眼
人类行为控制系统举例
水流量
比较器
游泳池的水位
（输出）
+
进水电磁阀门
游泳池
控制器
给定水位
（输入）
－
检测装置
＋
－
比较器
缝纫机速度
缝纫机
传动装置
脚踩的力
输入转速
缝纫机
输出转速
设定的温度
给定量
○
X
比较器
控制电路控制器
电机-压缩器
执行器
电冰箱
被控对象
箱内的温度
被控量
感温装置
检测装置
-
+
灯亮/灭
路灯
开关
声光检测控制装置
声光信号
输出亮/灭时序
红绿灯
时序控制装置
设定好亮/灭时序
水流量
祭坛的点火或灭火
气压控制
虹吸
自动门
门开或关
给定 +
水位
水箱的水位
水流量
比较器
-
水箱
进水阀门
机械控制
浮球
比较器
设定温度、湿度
-
控制器
+
实际温度湿度
粮仓
降温除湿装置
浮球温度湿度检测装置
比较器
锅内压力
压力锅
重锤重力
重锤
出汽孔
重锤
目测位置
-
大脑判断
飞行
捕猎物
猎物位置
实际位置
+