2019-2020年高中通用技術 控制系統(tǒng)的設計與實施1教案 蘇教版必修2.doc

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2019-2020年高中通用技術 控制系統(tǒng)的設計與實施1教案 蘇教版必修2 教　　材：（鳳凰國標教材）普通高中課程標準實驗教科書 通用技術（必修2） 文檔內容：控制系統(tǒng)的設計與實施 章　　節(jié)：第四單元 控制與設計 第四節(jié) 控制系統(tǒng)的設計與實施 課 時：共3課時 一、教學目標 1. 了解簡單的被控對象的基本特性。 2. 能確定被控量、控制量，畫出控制系統(tǒng)的方框圖。 3. 形成初步的控制系統(tǒng)設計的方案。 4. 能根據開環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法，制作一個控制裝置；學會調試運行，提出改進方案。 二、教學重點 設計一個控制系統(tǒng)應明確的問題；對控制系統(tǒng)的基本要求；控制系統(tǒng)設計的思想方法。 三、教學難點 設計一個控制系統(tǒng)應明確的問題的分析；控制系統(tǒng)設計思想方法。 四、教學方法 討論法、案例教學法、模型教學法、實踐教學法。 五、設計思想 1.教材分析 本節(jié)教材由“1.控制系統(tǒng)的設計一般思路”、“2.控制系統(tǒng)的設計與實施案例”2小節(jié)組成。 教材先對控制系統(tǒng)的設計一般思路作了一般介紹，然后通過開環(huán)控制系統(tǒng)和簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的三個案例的分析（電吹風控制系統(tǒng)的設計、抽水馬桶自動控制系統(tǒng)的設計、自動升旗簡易控制系統(tǒng)的設計），對這一中心內容進行了深入的闡釋。 教材這樣的結構說明，在這一節(jié)的教學中，要讓學生在針對實際問題進行控制設計的實踐中去領會控制系統(tǒng)設計的一般方法。 突出主要問題：進行控制系統(tǒng)設計時，最主要的是明確控制對象，明確控制目的，分析控制對象的特性，確定被控量和控制量，分析主要的干擾因素，構思設計方案。 (1)從流程的角度看，上述各項的次序也是控制系統(tǒng)設計的基本步驟。 (2)通過列舉一些實例，引導學生思考上述基本步驟。從而理解相關的主要問題。 2.學情分析 學生對一些產品有一定的使用經驗，這些經驗有成功的，也有失敗的，通過控制系統(tǒng)的分析與設計，使學生對一定的實踐經驗和生活經歷，上升到一定的理論認識，對失敗的使用經驗，能從控制與設計的角度重新的認識。 課時安排 本節(jié)總計3課時。 第1課時，講授控制系統(tǒng)設計的一般思路，分析開環(huán)、閉環(huán)控制的案例。 第2課時加2個課外課時，實施控制系統(tǒng)設計的實踐。 第3課時，評價和總結。 六、教學準備 為配合課堂教學，應準備下列模型和教具：一只電吹風，抽水馬桶可透視模型。演示溫度計一只。自動升旗簡易控制裝置模型。 七、教學過程 第1課時: 引入新課： 要設計一種自動開關的節(jié)能燈控制系統(tǒng)，如何展開我們的設計思路？需要從哪些方面著手考慮問題呢？ 先讓學生自由討論、發(fā)表看法，教師再依據學生的回答給予引導、點撥，再引導學生去歸納這個具體問題中所包含的一般原理。 提問： 被控對象是什么？ 控制的目的是什么？ 這種燈用在什么地方？環(huán)境怎樣？ 這樣的燈應如何工作？被控量和控制量分別是什么？ 有什么其他因素會干擾燈的正常工作？ 依據你的判斷，能提出一種設計方案嗎？ 1.控制系統(tǒng)設計的一般思路： 控制系統(tǒng)設計 明確控制的目的 確定被控量、控制量 分析被控對象 的主要特性 控制系統(tǒng)的調試 運行和評價 分析主要的干擾因素 控制系統(tǒng)方案的選擇 系統(tǒng)的成本分析 …… 實施控制系統(tǒng)所需的設備、元件等 針對教材中兩個關于開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的案例，要引導學生去應用控制系統(tǒng)設計的一般原理去認真分析。為配合課堂教學，應準備下列模型和教具：一只電吹風，抽水馬桶可透視模型。演示溫度計一只。 案例：電吹風風速控制 （1）被控對象是什么？ （2）控制目的是什么？ （3）被控量是什么？控制量是什么？ （4）需要哪些零部件組成控制系統(tǒng)？ （5）有哪些干擾因素會影響到控制系統(tǒng)的工作？影響的程度有多大？ （6）你認為，控制系統(tǒng)各部件的設計還與什么有關? （還與結構設計有關） 1 開環(huán)控制系統(tǒng)的設計：明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量，即可考慮控制系統(tǒng)的方案； 【演示試驗】電吹風控制系統(tǒng)的設計（圖：教材中的電吹風圖片） 設計要求：電吹風能根據不同的擋位（如冷風擋、熱風擋）輸出不同種類的風。 設計分析：電吹風控制系統(tǒng)的被控對象是電吹風裝置，被控量是風的速度和溫度，控制量是電機電壓，干擾因素是房間溫度、電源電壓的波動等。 電吹風分控制工作過程：電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。 方案構思： 選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實現電吹風的控制要求。 設定風的擋位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。 電機、風扇、電熱絲 設定電吹風的擋位 （輸入） 風的速度和溫度 （輸出） 試驗過程： 1.畫出電吹風的電路設計圖； 2.選擇擋位打開開關演示電吹風的工作過程； 3.知識延伸：如果設定了熱風擋之后又需要分強風擋和弱風擋如何進行設計。 案例：抽水馬桶 觀察模型的演示，閱讀教材，陳述其工作過程。提出下列問題： （1）被控對象是什么？ （2）控制目的是什么？ （3）被控量是什么？控制量是什么？ （4）為什么采用閉環(huán)控制方式？ （5）被控量與控制量之間是如何實現反饋的？ （6）如果要節(jié)約用水，減少水箱每次沖水量，你能設計哪幾種方案？ ⑵ 閉環(huán)控制系統(tǒng)：不同閉環(huán)控制系統(tǒng)用于實現不同的控制目的，要求不一樣。 ① 一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。 ② 控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內。 ③ 閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。 案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)的設計 設計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng) 設計要求： 1、當水箱中的水位低與某一指定的高度時，進水口立即進水。 2.當水箱中的水位高與某一指定的高度時，進水口立即停止進水。 3.控制系統(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別的要求。 設計分析： 1.從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2.被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈曲線關系。 3.主要干擾因素水水箱的流水量。 方案構思：采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱中的水位低與某一指定的高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱中的水位高與某一指定的高度時，水位差為零，進水閥關閉。 水箱水位的控制過程： 撥動沖水旋扭，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。 給定水位 杠桿比較 進水閥門 水箱 進水量 水位 檢測裝置 ＋ － 課堂小結： 一、控制系統(tǒng)設計的一般思路 系統(tǒng)要達到的目標？ 控制的對象？ 被控對象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干擾因素？ 怎樣的方案既達到目的、又經濟、易于實現？ 設備和元件？ 1.選擇開環(huán)還是閉環(huán)要根據控制系統(tǒng)的精度要求和條件的可行性而定 2.找出控制系統(tǒng)的干擾因素，并分清主次，找出最大的干擾因素 3.要確定控制量和被控量 4.執(zhí)行器和檢測裝置的選擇: 一是要根據控制量和被控量的需求，二是根據控制條件 總之，控制系統(tǒng)設計需滿足的基本條件: 能達到控制的目的 采用易于實現的方式 降低控制成本 減少對環(huán)境的負面影響 教學資料： 1.控制的含義：人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發(fā)展。 2.控制的分類： （1）從控制過程中人工干預的情形來分：人工控制、自動控制； （2）按照執(zhí)行部件的不同來分：機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。 3.控制系統(tǒng)： （1）控制系統(tǒng)的含義：任何一個控制的實現，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就構成了一個系統(tǒng)。 （2）控制系統(tǒng)的分類：由于控制的方式不同，自動控制又有：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分。 4.開環(huán)控制系統(tǒng)： （1）開環(huán)控制系統(tǒng)含義：控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）控制系統(tǒng)方框圖：在控制系統(tǒng)中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號線表示系統(tǒng)信號傳遞的方向，它表示了系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關系。 （3）開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖： 控制器 執(zhí)行器 被控對象 控制量 輸入量 輸出量 5.閉環(huán)控制系統(tǒng)： （1）閉環(huán)控制系統(tǒng)含義：我們把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖： 控制器 執(zhí)行器 被控對象 控制量 輸入量 輸出量 檢測裝置 ＋ － 6.干擾因素：在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。 7.反饋的涵義：控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回輸入端與輸入量進行比較的過程。 8.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較： ① 開環(huán)控制系統(tǒng)：控制精度相對比較低，結構簡單，適用與控制精度要求不高而系統(tǒng)本身元件又比較穩(wěn)定的場合。 ② 閉環(huán)控制系統(tǒng)：控制精度高，結構相對復雜，構成控制系統(tǒng)的成本較高，適用與要求高精度和高可靠性的場合。 9.不同閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本要求： ① 一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。 ② 控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定量之差應控制在允許的范圍之內。 ③ 閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。 第2課時：自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。 加2個課外課時，實施控制系統(tǒng)設計的實踐。 事實上，這個案例是在教材P112案例所述一般原理基礎上，一個具體實施案例。我們不妨進一步向學生提出：除了教材上這樣的控制方案，你們還能提出與教材不同的控制方案嗎？這樣的問題對學生來說是具有挑戰(zhàn)性的。 一個值得注意的問題：自動控制一定是閉環(huán)控制嗎？閉環(huán)控制一定是自動控制嗎？ 鬧鐘自動控制系統(tǒng)就不是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)設計的基本要求 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定性的；（抗干擾性） 達到所需的控制精度； 各個環(huán)節(jié)的設計科學合理。 自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。 （1）明確設計的要求，明確控制系統(tǒng)設計所要達到的目標。 （2）提出多個設計方案，進行分析、權衡、比較，確定一個相對較好方案。 （3）動手安裝、調試升旗控制系統(tǒng) （4）撰寫試驗報告，自我評價和小結 1.自動升旗簡易裝置的設計 設計要求： (1)在國歌播放的時間內，控制國旗勻速上升到旗桿的頂端； (2)選擇恰當的控制方案實現控制； (3)選用成本低、易于獲取的元件、設備和材料制作模型。 設計分析： (1)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，被控對象是國旗，被控量是上升的速度，控制量是電動機的轉動與停止（或速度） 開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖： 定時裝置 電動機 滑輪、國旗 定時時間 升旗速度 (2)這一開環(huán)控制系統(tǒng)由計時裝置和控制升旗的裝置共同組成； (3)計時裝置和控制升旗裝置的實現可以有多種方案，例如，采用機械定時器和電動機實現，采用成品電子定時器和電動機實現，采用自制電子定時器和帶可調速電路的電動機實現，采用音頻信號、觸發(fā)電路和電動機實現。 (4)采用任何一種方案實現，都要經過若干次調試，直到符合設計要求為止。 設計準備： 機械定時器（或電子定時器、自制電子定時器、CD唱機），旗桿，滑輪，卷筒，變速齒輪箱，電動機調速器，直流電源。 設計方案A： 1.采用機械定時器、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現。其中機械定時器相當于電動機的開關。 2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。 3.將機械定時器、直流電源和電動機串聯在一個回路中。 4.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動機械定時器，電動機開始轉動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。 5.為使系統(tǒng)在非正常狀態(tài)下保證旗幟的升降，還需要在電路中并聯一個手動開關，當控制系統(tǒng)出現故障時，使用手動開關直接控制電動機的轉動與停止。 機械定時器靠手動旋轉實現定時，定時的精確度略低，但只要細心操作可以滿足要求的。 方案B： 采用成品的電子定時器、直流電動機、直流電動機、直流電源、滑輪等元件實現。 用電子定時器代替機械定時器，其他步驟參照方案A。 電子定時器比機械定時器的定時精確度高，所以對操作者的要求相對低一些。 方案C： 1.采用成品的電子定時器、帶有可調速電路的電動機、直流電源、滑輪等元件實現。 2.測得國歌播放時間和旗桿長度，確定定時器的定時時間并預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。 3.將自制的電子定時器、直流電源和電動機串聯在一個回路中。其中，自制的電子定時器可根據學校實驗室現有的元件、設備和已知電路進行制作，如可用555時基電路制作定時器，通過定時器控制的繼電器來控制電動機的轉動與停止；采用TWH8752開關電路制作電動機的可調速電路。 4.在調速電路中并聯一個手動按鈕SW2，用于在出現故障時能升降旗幟。 5.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。在國歌播放的同時啟動自制的電子定時器，電動機開始轉動并帶動滑輪運動，使國旗上升。當定時器計時停止時，斷開電源使電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。（自動升旗簡易控制裝置電路圖） 方案D： 1.采用CD 唱機（含有觸發(fā)電路）、電動機、直流電源、滑輪等元件實現。 2.測得國歌播放時間和旗桿長度，預估電動機的轉速。根據時間、旗桿長度和電動的轉速，選擇滑輪的直徑。 3.從CD唱機中引出音頻信號，將CD唱機（含有觸發(fā)電路）、電動機、直流電源串聯在電路中。 4.初始狀態(tài)使國旗在旗桿底端。當啟動CD唱機播放國歌時，音頻信號觸發(fā)電路帶動電動機轉動，使滑輪運動，國旗勻速上升；當國歌播放結束、沒有音頻信號時，電動機停止轉動，此時國旗應該正好升至桿頂。如果升旗速度與國歌的播放時間之間存在誤差，則需要重新調整滑輪的直徑，直到符合要求。 5.在啟停電動機的電路中并聯一個手動按鈕SW2，用于在出現故障時能升降旗幟。 這一方案的特點是，不需要外加定時器，而用音頻信號直接控制電動機，減少了時間上的誤差。 作業(yè)： 1.以前學校的大門是對開的，現在很多學校的門都改為電動門，但是這種門操作過于呆板，大門在關閉過程中有人通過時，容易夾傷行人，請同學們就我們所學習技術與設計的知識分析電動門的設計，并能夠提出改進方案。 2.有位科學家，為了促使迷上電視的女兒堅持鍛煉，專門設計了一輛有趣的“自行車”女兒必須騎上自行車不停地踩腳蹬，才能驅動發(fā)電機給電視機供電，想偷懶就看不到電視。請你根據已學的技術與設計的知識，畫出“自行車—發(fā)電—電視機”這一過程的方框土，分析在這套裝置的設計中，綜合了哪些技術和原理。 3.設計并制作水車控制裝置的模型。利用流動的水沖擊水車，以控制不同的機械裝置而產生動作。 第3課時： 自動升旗簡易控制裝置的設計與實施評價和總結。 （1）方案實施： 自動升旗簡易控制裝置的設計與實施。 （2）交流與評價： ①撰寫試驗報告，自我評價和小結； ②小組自評； ③展示成果，學生將本組的作品展示給全班同學，其他同學可以提出自己的改進意見。 作業(yè)： 1.在賓館的房間天花板上都有一個自動滅火裝置，當室內煙霧的濃度過高時，該裝置會自動噴水，起到降溫滅火的作用，請你根據這一裝置，設計自動滅火裝置的模型。 2.請對太陽能熱水器進行分析： （1）一般家用太陽能熱水器水溫控制是如何實現的？ （2）有的賓館使用多臺熱水器串聯來集中供水，當水溫過低是，通過控制器啟動輔助電加熱開關，使水溫控制在一定范圍。請畫出這一控制系統(tǒng)的方框圖，并說明其工作過程。 3.設計并制作可伸縮的晾衣控制裝置。利用手搖裝置或電動裝置將晾衣繩連同衣物移到室外，下雨時將它整體收回到室內。 八、教學反思 學生要對生活中的一些系統(tǒng)進行分析，思考，并能收集一些設備的工作原理，只有在掌握了大量的系統(tǒng)的工作原理，占有大量的資料的前提下，才能對系統(tǒng)進行分析，畫出方框圖，才能對其設計有一定的了解。 通過一些具體的生活實例導入有關控制的設計方法，引導學生發(fā)現問題、分析問題、解決問題，由易到難，在學生自己設計的過程中達到突破難點，實現教學目標的目的，符合新課程理念的要求。以貼近學生生活實際的典型案例為載體，幫助學生在快樂、輕松的氛圍中掌握知識，體現老師的引導作用。以學生為主體，讓學生進行設計，改進身邊的一些控制系統(tǒng)，理論與實踐相結合，以問題為引領，在‘師生互動’的課程理念的設計上都有較好的亮點，還應注意及時反饋。