1、控制系统设计的一般思路教学设计与反思

控制系统的设计与实施

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）

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．知识与技能：

理解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，能确定输入量、输出量，画出控制系统的方框图；

形成初步的控制系统设计的方案。

2．过程与方法：

通过新闻案例认识技术设计的重要意义，回顾相关知识，结合案例讨论分析，学习控制系统设计的一般思路。

教师对简单开环控制系统和闭环控制系统的设计案例分析，引导学生学习控制系统的适用范围及优缺点，启发设计简单控制系统的思路。

3．情感、态度与价值观：

以新闻案例导入，激励学生学习技术，引导学生对控制系统的设计产生浓厚兴趣。

培养认真严谨的态度，树立“以人为本”的设计理念。

二、教学重点

1．了解简单的被控制对象的基本特征，确定被控量、控制量，画出系统方框图。

2．形成初步的控制系统设计的方案。

3．理解控制系统设计的一般思路；

三、教学难点

从控制角度分析问题，综合运用设计的理论知识指导实践活动。

四、教学方法

案例教学法、讨论法、小组合作。

五、设计思想

1．教材分析

本节是前几节知识的总结与应用。控制系统设计的一般思路是这一节的重点，也是难点。在设计中，对控制系统的组成部分及其关系弄清楚了，才能进行设计活动。

本节分别通过开环控制系统和简单的闭环控制系统的设计案例，使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤。控制系统的设计是本单元教学内容的综合和总结，也是控制思想方法的集中体现。

2．学情分析

在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制，具备了一定的基础知识，经历过几个设计过程，熟悉了设计过程中的各个环节。但是，有必要从控制系统的角度重新认识设计，提高对技术理解的深度。在了解控制系统设计的一般思路过程中，需要培养学生综合运用的能力，让学生体会技术的综合性，理解结构是设计的基础，流程是设计的方法，系统是设计的保障，控制是设计的关键。

六、教学准备

多媒体设备、课件、相关学案资料。

七、教学过程

1．新闻材料引入新课：

结合下面材料，从技术角度思考，你如何理解什么是技术，什么是控制？

新闻材料：中兴通讯遭遇史上最严厉制裁：美东时间4月16日，美国商务部宣布，将禁止美国公司向中兴通讯销售零部件、商品、软件和技术 7 年，直到 2025年3月13日。

理由是，中国厂商中兴违反了美国限制向伊朗出售美国技术的制裁条款。

学生从技术的视角了解事件，认识技术对国家的意义。理解为什么要设计创新,激发学习兴趣。

学生回顾学过的设计专题：结构、流程、系统、控制与设计的关系。理解控制系统的设计内涵。

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。

2．控制系统的设计，应注意哪些问题：

学生先讨论、发表看法，教师再依据学生的回答给予引导点拨，然后归纳要点。

马上行动：填写控制系统方框图。

开环系统方框图

输入量

控制量

输出量

闭环系统方框图

给定量

系统要达到的目标？ 控制的对象、被控量和控制量？

外界的主要干扰因素？ 如何选设备和元件？

方案怎样既达到目的、又经济易于实现？

3．控制系统设计的一般思路

比较器

？

控制器

执行器

被控对象

？

分析被控对象的主要特征

控制系统的方案选择

明确控制的目的

确定被控量、控制量

分析主要的控制系统的设计

控制系统调试、运行和评价

系统成本分析

实施控制系统所需的设备、元件等

干扰因素

。。。。。。

控制系统的设计思路：明确控制目的—→了解被控对象的基本特性—→分析被控量和控制量—→确定执行器和控制器—→确定控制类型—→选择元器件—→制作、安装、调试、优化、评价。

强调设计的一般过程是进行设计应遵循的科学步骤。

理解控制系统各变量之间的内在规律，以此确定控制系统各部件。

4．开环控制系统的设计。

开环控制系统的设计比较简单。

明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量，然后就可考虑具体控制系统的方案。

案例分析：电吹风控制系统的设计

（1）被控对象是什么？

（2）控制目的是什么？

（3）被控量是什么？控制量是什么？

（4）需要哪些零部件组成控制系统？

（5）有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作？影响的程度有多大？

想一想：在电风扇的设计思路的基础上，构思你的控制系统设计。

控制系统的设计

设计要求：

设计分析：

被控对象是

，输入是

，输出是

。

5．闭环控制系统的设计

闭环控制系统基本要求：正常稳定、控制精度、抗干扰性能。

案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统

提出下列问题：

（1）被控对象是什么？

（2）控制目的是什么？

（3）被控量是什么？控制量是什么？

（4）为什么采用闭环控制方式？

（5）被控量与控制量之间是如何实现反馈的？

设计要求：

水位较低——进水口立即进水。

水位达到——进水口停止进水。

设计分析：

（1）从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。

（2）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（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。

（3）主要干扰因素水水箱的流水量。

给定水位

杠杆

_ 浮球

进水阀门

进水量

水箱

水箱水位

方案的构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进水阀关闭。

水箱水位的控制过程：

转动冲水旋钮，出水阀打开，水箱冲水。水位下降，进水阀打开，水箱进水。

直到指定水位时，进水阀关闭。

小组讨论：在案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？

6．课堂小结：控制系统设计的一般思路。

课后任务：结合课本的练习，构思设计一个简单的控制系统。