第四单元《控制与设计》第四节《控制系统的设计与实施》
文档属性
| 名称 | 第四单元《控制与设计》第四节《控制系统的设计与实施》 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 435.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版 | ||
| 科目 | 通用技术 | ||
| 更新时间 | 2009-05-14 23:52:00 | ||
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文档简介
技术与设计2 第四单元 控制与设计 第四节 控制系统的设计与实施
第四单元 控制与设计
第四节 控制系统的设计与实施
一、教学内容分析：
本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。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。
结构是设计的基础，流程是设计的方法，系统是设计的保障，控制是设计的关键。
本节可以说是这单元的“收口”部分，让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并最终会设计。
本节课可使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，以电加热器的设计为例，实现发热、包层、控制、定时、过热保护等，这电加热器，大部分的学生都有一定的使用各损坏加热器的经验，作起来有一定的实践性。
二、教学对象分析：
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。
三、目标：
1.知识与技能：
1）了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，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。
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。学习权衡的思想。
3.情感态度价值观：
（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。
（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。
四、教学重难点：
1.教学重点：
（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。
（2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。
2.教学难点：
闭环系统的设计。被控量和控制量的确定。
3.关键：
案例分析与方框图的绘制。
五、教学策略：
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。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。
（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。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。
六、教学资源准备：
以学生动手做与设计方框图为主，制作电吹风控制系统的视频，课件容纳一些视频和例子说明及方框图的展示。
七、教法设计
（1）通过教师的引导和实例，探究控制系统设计与实施的含义。
（2）通过体验活动，结合学生生活经验，归纳总结控制系统设计与实施的方法。
（3）讲解设计的一般思路，要有所侧重，从众多的因素中选出重点的，不必面面俱到。
（4）通过实践改造活动，让学生感受和领悟，创新的设计思想，并引导学生思考实现合理的设计与控制还要考虑的因素。
八、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，亲身体会这种控制实施方法，体验成就感！
九、教学过程：
复习引入：
提问设计的一般思路。
引出控制也需要设计。
第四节 控制系统的设计与实施
新课教学：
1、控制系统设计的一般思路:
我们知道在设计的一般过程中，首先要发现和明确问题，那么在对控制系统进行设计时我们要明确那些问题呢？
1）要设计好一个控制系统，需要做到：
（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）如何选择设备和元件。
注意在选择元器件时要优先考虑标准件的使用。
在以上问题都确定后：
（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。
2）开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计：
被控对象——电风扇，
被控制量——电风扇输出的风速，
控制量——电机的转速。
设计的目的有：
一是有定时关闭电风扇。
二是有不同的风速。
三是又定时，又有不同的风速。
案例分析：电吹风控制系统的设计（要先介绍一下电吹风的工作原理）
请同学快速阅读书中案例《电吹风控制系统的设计》，与学生一起分析，这个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？经济实用？安全教育与设计。
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；
（可以选择熨斗，电加热棒，电褥子等进行分析，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。）
这个案例是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。
3）闭环控制系统的设计
对于简单的闭环控制系统有如下的要求：
(1)必须是稳定的。一是工作时要稳定，二是干扰出现时要稳定，这个稳定是通过调节而出现的稳定。(2)控制精度要符合要求,即系统的输出值与给定值之差应控制在允许的范围之内。
(3)有较好的抗干扰性能。
(4)几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。
设计目的与节水：
设计项目：
设计要求：
设计分析：
被控量，控制量，干扰量。分析设计思路。
绘制方框图：
知识与技能：
让学生了解在设计的一般思路，应注意目的，控制量与被控量干扰因素。选择输入与输出的关系检测，执行器，检测器的选择。
让学生自行画出与设计方框图。
这个案例是闭环控制系统设计的实例，用以说明闭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。
讨论：在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变化的，即：冲水量=水箱的横截面积×设定高度 因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横截面积和设定高度入手。具体方案可以有：
1）将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀。
2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用。
3）控制进水阀开启的时间，使其在水未放完之前关闭出水阀。这相当于改变设定高度。
4）在水箱中放置1~2块砖头，以减少水箱的实际蓄水量。
5）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。
【课外拓展】
为了加深学生对知识的记忆、理解，鼓励学生全面的、辨证的分析问题。对生活中的一些个系统进行分析，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，对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。
2、控制系统的设计与实施案例
好，我们了解了控制系统设计的一般思路，下面我们一起来分析和了解控制系统的设计与实施案例。
播放“香港回归升旗视频”
引导学生，如果我们学校的升旗也设计成这样那该多好。
阅读书中案例《自动升旗简易控制装置的设计》
各方案的特点：
方案A：在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高，但升旗和唱国歌的启动需要人工同步，定时装置的精度不高，容易产生不协调现象。
方案B：此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精度较高。
方案C：可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的知识，比较费时，课时难以保证。
方案D:升旗和唱国歌同步启动，由于CD唱机比较普遍，器材准备较其它方案容易。
因此：方案D实现较容易。
其实，对升旗来说，可以采用人工控制。
课堂小结:
1、控制系统设计的一般思路。
2、控制系统的设计与实施案例。
练习:
1.水车
2.晾衣控制装置
章节练习：
1.该套装置中，综合运用了机械能转化为电能及稳压等技术原理，运用了蓄能、系统、稳压和控制等多种技术。其简要过程可以用方框图表示如下：
2.（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有冷水管和热水管，使用时，通常采用不断调节热水管和冷水管的流量实现温度控制。
（2）这是一个闭环控制系统，其中有一个感温元件不断测量出水管内的水温，当水温低于某值时，便切换到电加热器加热的状态。
一般来说，宾馆供应的热水温度要比较高，使客人有调节的余地，因此它必须保证热水高于一定的温度。其方法是设计一个闭环温度控制系统，使供应的热水不低于某一温度。
控制系统的工作过程大致如下：测温装置测量储水箱热水的温度，当水温低于某一给定温度时，控制装置将输出一个信号去接通加热装置，使之给水箱加热；当温度高于给定温度时，控制装置就会切断加热器电源，停止加热。
这一过程的的方框图可以表示如下：
脚踏运动
自行车轮
摩擦轮
传动机构
发电机
蓄能稳压装置
电视机
热水箱
输出温度
加热装置
控制装置
给定温度
测温装置
第四单元 控制与设计
第四节 控制系统的设计与实施
一、教学内容分析：
本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。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。
结构是设计的基础，流程是设计的方法，系统是设计的保障，控制是设计的关键。
本节可以说是这单元的“收口”部分，让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并最终会设计。
本节课可使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，以电加热器的设计为例，实现发热、包层、控制、定时、过热保护等，这电加热器，大部分的学生都有一定的使用各损坏加热器的经验，作起来有一定的实践性。
二、教学对象分析：
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。
三、目标：
1.知识与技能：
1）了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，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。
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。学习权衡的思想。
3.情感态度价值观：
（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。
（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。
四、教学重难点：
1.教学重点：
（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。
（2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。
2.教学难点：
闭环系统的设计。被控量和控制量的确定。
3.关键：
案例分析与方框图的绘制。
五、教学策略：
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。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。
（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。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。
六、教学资源准备：
以学生动手做与设计方框图为主，制作电吹风控制系统的视频，课件容纳一些视频和例子说明及方框图的展示。
七、教法设计
（1）通过教师的引导和实例，探究控制系统设计与实施的含义。
（2）通过体验活动，结合学生生活经验，归纳总结控制系统设计与实施的方法。
（3）讲解设计的一般思路，要有所侧重，从众多的因素中选出重点的，不必面面俱到。
（4）通过实践改造活动，让学生感受和领悟，创新的设计思想，并引导学生思考实现合理的设计与控制还要考虑的因素。
八、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，亲身体会这种控制实施方法，体验成就感！
九、教学过程：
复习引入：
提问设计的一般思路。
引出控制也需要设计。
第四节 控制系统的设计与实施
新课教学：
1、控制系统设计的一般思路:
我们知道在设计的一般过程中，首先要发现和明确问题，那么在对控制系统进行设计时我们要明确那些问题呢？
1）要设计好一个控制系统，需要做到：
（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）如何选择设备和元件。
注意在选择元器件时要优先考虑标准件的使用。
在以上问题都确定后：
（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。
2）开环控制系统的设计
电风扇控制系统的设计：
被控对象——电风扇，
被控制量——电风扇输出的风速，
控制量——电机的转速。
设计的目的有：
一是有定时关闭电风扇。
二是有不同的风速。
三是又定时，又有不同的风速。
案例分析：电吹风控制系统的设计（要先介绍一下电吹风的工作原理）
请同学快速阅读书中案例《电吹风控制系统的设计》，与学生一起分析，这个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？经济实用？安全教育与设计。
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；
（可以选择熨斗，电加热棒，电褥子等进行分析，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。）
这个案例是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。
3）闭环控制系统的设计
对于简单的闭环控制系统有如下的要求：
(1)必须是稳定的。一是工作时要稳定，二是干扰出现时要稳定，这个稳定是通过调节而出现的稳定。(2)控制精度要符合要求,即系统的输出值与给定值之差应控制在允许的范围之内。
(3)有较好的抗干扰性能。
(4)几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。
设计目的与节水：
设计项目：
设计要求：
设计分析：
被控量，控制量，干扰量。分析设计思路。
绘制方框图：
知识与技能：
让学生了解在设计的一般思路，应注意目的，控制量与被控量干扰因素。选择输入与输出的关系检测，执行器，检测器的选择。
让学生自行画出与设计方框图。
这个案例是闭环控制系统设计的实例，用以说明闭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。
讨论：在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？
水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变化的，即：冲水量=水箱的横截面积×设定高度 因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横截面积和设定高度入手。具体方案可以有：
1）将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀。
2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用。
3）控制进水阀开启的时间，使其在水未放完之前关闭出水阀。这相当于改变设定高度。
4）在水箱中放置1~2块砖头，以减少水箱的实际蓄水量。
5）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。
【课外拓展】
为了加深学生对知识的记忆、理解，鼓励学生全面的、辨证的分析问题。对生活中的一些个系统进行分析，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，对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。
2、控制系统的设计与实施案例
好，我们了解了控制系统设计的一般思路，下面我们一起来分析和了解控制系统的设计与实施案例。
播放“香港回归升旗视频”
引导学生，如果我们学校的升旗也设计成这样那该多好。
阅读书中案例《自动升旗简易控制装置的设计》
各方案的特点：
方案A：在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高，但升旗和唱国歌的启动需要人工同步，定时装置的精度不高，容易产生不协调现象。
方案B：此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精度较高。
方案C：可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的知识，比较费时，课时难以保证。
方案D:升旗和唱国歌同步启动，由于CD唱机比较普遍，器材准备较其它方案容易。
因此：方案D实现较容易。
其实，对升旗来说，可以采用人工控制。
课堂小结:
1、控制系统设计的一般思路。
2、控制系统的设计与实施案例。
练习:
1.水车
2.晾衣控制装置
章节练习：
1.该套装置中，综合运用了机械能转化为电能及稳压等技术原理，运用了蓄能、系统、稳压和控制等多种技术。其简要过程可以用方框图表示如下：
2.（1）一般家用太阳能热水器温度控制是如何实现的？
家用太阳能热水器通常都是在出水的地方装有冷水管和热水管，使用时，通常采用不断调节热水管和冷水管的流量实现温度控制。
（2）这是一个闭环控制系统，其中有一个感温元件不断测量出水管内的水温，当水温低于某值时，便切换到电加热器加热的状态。
一般来说，宾馆供应的热水温度要比较高，使客人有调节的余地，因此它必须保证热水高于一定的温度。其方法是设计一个闭环温度控制系统，使供应的热水不低于某一温度。
控制系统的工作过程大致如下：测温装置测量储水箱热水的温度，当水温低于某一给定温度时，控制装置将输出一个信号去接通加热装置，使之给水箱加热；当温度高于给定温度时，控制装置就会切断加热器电源，停止加热。
这一过程的的方框图可以表示如下：
脚踏运动
自行车轮
摩擦轮
传动机构
发电机
蓄能稳压装置
电视机
热水箱
输出温度
加热装置
控制装置
给定温度
测温装置