设计与技术2 第四单元第二节控制系统的工作过程与方式教学设计

第四单元 控制与设计
第二节 控制系统的工作过程与方式
青岛崂山一中 吴杰
【教学目标】
知识与技能
熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程
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
理解闭环控制系统中的控制器、执行器的作用
初步理解开环与闭环系统的区别
过程与方法
经历“回想—分析—联想—猜想”的思维过程，与同学和老师充分沟通和交流，将前面所学的结构、流程、系统与控制的基本知识应用于具体问题的分析，发展创新精神。
情感态度与价值观
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。
【教学内容分析】
本节是在学生初步了解控制的手段及应用后，来进一步探讨什么是“控制系统”，以及控制系统的构成，工作过程与方式，并熟悉两种重要的控制系统：开环控制系统与闭环控制系统，熟悉他们的组成和工作的各个环节。
【教学策略】
结合我们的教学目标和内容，站在“系统设计”的角度上，我们采用“情景引入---问题分析---归纳总结”的模式，采用绘制“知识结构脑图”的方法。
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。
　利用2个课时来分段完成
【教学过程】
1、回顾引入
事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用控制的手段来实现。
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
（学生活动）
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
2、分析上述控制案例的环节，得出控制系统的概念。
任何控制的实现，所通过的若干环节构成了一个系统，称为控制系统。
控制系统的输出与输入有一定的对应关系。
（学生活动）
与老师一同分析得出控制系统的定义并分析
电饭煲、脱粒机、红外线自动水龙头这三个事例
是否属于控制系统 输入 输出
电饭煲 是 做饭/保温 相应的温度
脱粒机 是 接通电源的电信号 脱粒的量
红外线自动水龙头 是 红外装置检测人手信号 出水量
3、引入开环控制系统的定义
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。
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。
（学生活动）
深入注水系统控制内部，来理清关系，划分相关的部分。
并参照该例子完成103页“自动门控制系统”方框图
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。
4、抽象出开环控制系统的方框图
（学生活动）
理解开环控制系统的特征。
P112页“水泵抽水控制系统”
5、利用游泳池注水问题引入闭环控制系统
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就有底气了。
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。
6、引入闭环控制系统的定义，并抽象出闭环控制系统的方框图
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。
我们把这种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。
（学生活动）
闭环控制系统的方框图：
7、初步从三个方面对比分析开环和闭环两种控制系统的特点
①系统的组成和控制的过程
②成本
③控制的精度和抗干扰能力
8、举例分析生活中的控制系统
要求：判断出属于哪种控制系统，并以方框图的方式给出分析
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：
这样处理也是可以被接受的
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：
9、思考题
希罗的自动门和家用压力锅的压力控制系统
1）阅读107页“希罗的自动门”，
2）家用压力锅的压力控制系统
在这个控制中，“重锤”具有多种功能。它既是检测装置、比较装置，还是控制装置。具体控制过程如下：重锤感受锅内压力，并与自身的重量（忽略作用在重锤上因上下面积不同而产生的大气压力的差）进行比较，当这个压力差大于0时，重锤被抬起，打开出汽孔，减小锅内压力，重锤回落，锅内压力上升。如此反复进行，以保持锅内压力恒定。
这个控制的执行器应该是“出汽孔”，控制作用量（控制量）是出汽量。
这个控制系统的参考方框图如下：
10、学生归纳、整理
课后思考：105页“自动叫醒服务系统”
107页“粮库温度和湿度控制系统”
七、教学反思
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。
　　
控制量
输出量
被控对象
执行器
控制器
输入量
输入量:
接通电源
控制器:
电机
执行器:
水泵
被控对象:
水管
控制量:
水流量
输出量:
水管排出水
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
给定的水位
○
X
比较器
控制器
进水阀门
水流量
游泳池
游泳池的水位
检测装置
-
+
给定水位
给定量
○
X
比较器
控制器
进水阀门
执行器
水流量
控制量
游泳池
被控对象
游泳池的水位
被控量
检测装置
-
+
输入转速
脚踏板
传动装置
缝纫机
输出转速
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
-
+
有无声音
声-电传感器
延时开关
走道灯
灯亮/灭
输出亮/灭时序
设定好亮/灭时序
时序控制装置
红绿灯
门开/关
火点燃/熄灭
祭坛
重锤及传动装置
庙门
○
X
重锤
出气孔
压力锅
锅内压力
重锤
-
+
重锤重量