2021年高中通用技术 控制系统的设计与实施3教案 苏教版必修

2021年高中通用技术控制系统的设计与实施3教案苏教版必修2
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
（被控对象） （被控量） （控制量） （输入量） （输出量）
（主要元件） （工作原理） （装置结构） （装置作用）
（控制方式） （干扰量） 设定电吹风的档位 （输入）
电机、风扇、电热丝
风的速度和温度 （输出）
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。