4、黑箱方法教学设计第一课时

专题八

控制与设计

一、教学目标

1. 知识与技能目标

（1）理解控制的含义。

（2）理解生活中的控制现象，明确其控制对象，控制目的及控制手段。

（3）理解控制在生产和生活中的应用。

2. 过程与方法目标

通过生活中典型案例的分析，学习控制的方法。

3. 情感态度和价值观目标

对控制技术产生强烈的兴趣和好奇心，并把它转化为对后续知识学习的动力。

二、教学重点

理解控制的含义。

三、教学难点

理解生活中的控制现象，明确其控制对象、控制目的及控制手段；分析案例的控制过程与结果、体会控制技术应用的广泛性、重要性。

四、教学方法

教授、任务驱动、小组合作。

五、设计思想

1. 教材分析

本节是“控制与设计”第一节的内容，本节内容是要让学生对控制与控制技术有一个初步的感性的认识，知道控制技术应用的广泛性，对控制技术产生强烈的兴趣，为后面进一步学习控制系统方面的知识打下基础及提供学习动力。本节教学重点为理解控制的含义及控制在生产和生活中的应用。从学生熟悉的生活事例入手，运用案例分析方法，由浅入深在展开控制的概念。通过大禹治水、射手射击等控制的事例，说明人们要实现自己的意愿或目的，就要通过一定的控制手段。通过控制在人们日常生活和生产中运用的实例分析，进一步明确控制应用的广泛和重要。

2. 教学思路

首先从介绍古代各种控制装置入手，使学生对控制技术产生强烈的兴趣和好奇心，建立关于控制的初步认识和感性经验，通过“讨论交流”活动强化，形成关于对控制的现象基本认识，同时认识到控制及控制技术应用的广泛性以及学习控制与设计的意义。最后通过对控制装置（学生作品）的直接接触，加深对控制技术对认识和理解。

4. 学情分析

学生知道控制技术在生活和生产中的有着广泛的应用；对神奇的控制技术将会有强烈的兴趣和好奇心；对控制现象的理解还很模糊；不了解控制技术的内在工作原理，觉得控制技术很神秘很复杂。

六、教学准备

1.相关学科知识：本单元要求学生具有初中物理学科电学基础知识。

2.教学器材和材料：多媒体设备、古代水车图片和学生作品实物（雨雾天自动关窗系统）。

七、教学过程

知识框架

控制与设计

控制的含义

控制的含义

控制的应用

控制的手段

开环控制系统的基本组成和工作过程

简单控制系统的分析

闭环控制系统的基本组成和工作过程

控制系统的方框图

控制系统的干扰因素

简单控制系统的设计

功能模拟方法和思维方法

控制系统的设计方案

复习要点

1．理解控制对象、控制目的和控制手段。了解控制在生产过程中对压力、温度、水位、光照、流量的控制；了解生活中电冰箱、洗衣机、空调机等现代化生活用品的控制技术，会分析典型的案例。

2．了解手动控制和自动控制的区别，了解机械控制、气动控制、液压控制、电子控制的区别．熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。

3．能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，能确定系统的各个环节(被控对象、执行器、控制器、反馈环节)；能确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反馈量、偏差量；能用箭头表示信息在系统中流动和传递的方向。理解其中的控制器、执行器、比较环节和反馈环节的作用。

4．能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素．并能分析尽可能避开或抑制干扰因素对控制系统影响的办法。能用功能模拟方法、黑箱方法对简单控制系统的组成方框及其作用进行分析。

5．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，并形成初步的控制设计的方案。

6．能根据开环控制系统的设计方案，制作一个控制装置，学会调试运行，提出改进方案。

重点提示

1．控制的实现需要通过一定的手段．从控制过程中人工干预的情形区分，控制可分为人工控制和自动控制。按照控制中执行部件的不同，控制可分为机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。控制方式也可能是综合的。

2．控制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成为闭环控制系统。

与开环控制系统框图不同，闭环控制系统中信息流经一个闭合环路，将输出信号反传给比较环节，我们把这种做法称做反馈。没有反馈也就没有闭环，没有反馈的控制系统即为开环控制系统。

3．在控制系统中，除输入量(给定值)以外，引起被控量(输出量)变化的各种因素称为干扰因素。一个控制系统的干扰因素往往不止一个，所有控制系统在工作运行过程中都会受到干扰。因此设计一个控制系统，必须学会分析这个控制系统可能有哪些干扰因素，以及这些干扰因素是如何影响系统正常运行的。从而尽可能避开或抑制干扰因素对控制系统的影响。如果一个控制系统能够很好地避开或抑制干扰，我们就认为这个控制系统有较好的抗干扰性。

4．对于控制系统的设计方案的形成．还必须分析并明确以下一些具体的问题。

(1)分析被控对象的基本特性。了解被控对象在正常的工作状态下，其输出量与输入量之间的关系，分析控制系统有哪些干扰因素，输出与干扰因素有何关系。

(2)分析被控量与控制量。如以分析声控灯系统为例，声音是输入信号，被控对象是灯泡，被控量是灯的亮灭，控制量是电流。

(3)确定控制系统的构成方案。在以上分析的基础上，根据被控对象的基本特性；根据控制精度、抗干扰性、经济性等方面，确定控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统。

(4)绘制控制系统的框图。按确定的设计方案绘制控制系统的框图，框图内容的表达要求完整。

例题解析

【例1】普通家用调光台灯的灯光亮度控制属于(

)

A．自动控制

B．电子控制

Ｃ．机械控制

D．气动控制

答案：B

（分析）

本题考查“控制的手段与方法”。所谓自动控制和手动控制是以控制过程中人工干预的不同情形来区分的。家用调光台灯的灯光亮度的调整一般是用转动开关旋钮来实现的，故属于手动控制。若按照控制系统执行部件的不同来区分，控制又可分为机械控制、气动控制、电子控制等，家用调光台灯灯光亮度的调整是通过改变电子元件来实现的，故属于电子控制。

【例2】下列关于控制系统工作过程的说法，正确的是(

)

A．信息只能从输入端传至输出端

B．信息只能从输出端传至输入端

C．开环控制系统的信息只能从输入端传至输出端

D．闭环控制系统的信息只能从输出端传至输入端

答案：C

（分析）本题考查控制系统的工作过程与方式。控制系统在l_作过程中，若从信息的传输过程分析归类．可以把控制系统分成开环控制系统和闭环控制系统两类。开环控制系统的结构和原理比较简单，信息只从输入端传至输出端，仅有一条路径。它的缺点是控制的精确度不高。闭环控制系统的结构和原理比较复杂，信息流经的路径有两条，一条是输入端传至输出端，另一条是将输出端信息反传到输入端的比较环节。它的优点是有较高的控制精度和较强的抗干扰性能。

【例3】

自动门的工作过程为：当门口没有人时，门是关闭的；当有人来到门口时．门自动打开；当人离开门口一段时间后，门又自动关闭。请根据上述的功能要求完成以下设计内容：

(1)确定自动门的技术要求。

(2)如何实现自动门的打开和闭合。(提示：可以参照教科书97页的齿轮齿条结构)

[提示](1)自动门的技术要求可设计为当人距离门1m(也可其他值)时，门自动打开；在无人走动的情况下门打开延迟l0s(也可其他值)后，门自动关闭；门开启的宽度应为两门的宽度之和。

(2)自动门打开和闭合可选择电动机(转动变移动结构)来实现，工作原理为电动机正转门打开；电动机反转门闭合。装置结构可采用齿轮齿条结构。门开启和闭合的行程还必须有行程开关控制。

（分析）本题考查控制系统方案的设计。、设计一个控制系统需要确定其技术要求，自动门的技术要求一般是指当人离门为多少距离时门自动打开：门打开延迟多少时间后自动关闭；门开启的宽度为多大。根据门的结构和重量确定采用执行装置的类型。

【例4】声控灯适用于多种场合，如在公共楼道里安装声控灯既方便，又安全。它与普通的电灯控制电路相比，去掉了手动开关，而增设了声传感器、控制器和电子开关。其中声传感器的灵敏度可调整。以适应不同场合使用的需要。请根据声控灯的功能分析：

(1)声控灯控制系统的输入和输出是什么?两者的关系怎样?

(2)声控灯控制系统的被控量和控制量是什么?

(3)声控灯控制系统为什么可以采用开环控制系统?

(4)画出声控灯开环控制系统的框图。

[提示]

(1)声控灯控制系统的输入量是声响；输出量是灯泡中的电流。两者的关系是声强达到某给定值时灯亮：声强达不到某给定值时灯灭。

(2)声控灯控制系统的被控量是灯的亮、灭，控制量是电流。

(3)声控灯控制系统只有灯亮与灯灭两种运行状态，不需要对输出量的误差进行控制，因此，可以采用开环控制系统。

(4)声控灯开环控制系统的框图如图所示：

输入

（声音信号）

传感器

控制器

开关（执行器）

电流

输出

灯泡（被控对象）

（灯的亮灭）

（分析）本题考查控制系统方案的设计，考查的知识点较多。声控灯是一个典型的控制系统案例，控制系统的输入量就是控制系统的给定量，它可以是设定的参数，如时间、温度等；也可以是输入的信号，如声音、光照等。输出量(即被控量)是指控制系统所要控制的量，如水位、流量等。控制量是指执行器的输出

量，如电动机的转速、阀门的开度等。控制系统的控制方式(开环或闭环)是由控制系统是否需要反馈环节来决定的。

自主练习

一、基本题

1．家用空调温度自动控制系统是闭环控制，其中反馈环节的作用是(

)

A．减少输入量

B．增加输入量

C．稳定输入量

D．稳定输出量

2．家用电视机最容易受到的影响(即干扰因素)是(

)

A．环境温度

B．环境湿度

C．风的强度

D．电磁干扰

3．在下面4个控制系统中，属于闭环控制系统的是(

)

A．电风扇的定时控制系统

B．公共楼道路灯延时控制系统

Ｃ．棚室温度恒定控制系统

D．商店自动门控制系统

4．不同的传感器输入的信号是不相同的，传感器输出的信号经控制器驱动继电器工作，则(

) A．控制器转换输出的应是温度信号

B．控制器转换输出的应是声音信号

Ｃ．控制器转换输出的应是亮度信号

D．控制器转换输出的应是电流信号

5．普通家用电饭锅的保温控制(用双金属片开关控温)系统为(

)

A．机械控制的闭环控制系统

B．电子控制的闭环控制系统

Ｃ．机械控制的开环控制系统

D．电子控制的开环控制系统

6．家用冰箱的温控系统采用闭环控制．为了进一步提高其抗干扰的性能．设计中采取的措施是(

) A．增加反馈环节

B．提高压缩机的制冷量

C．提高箱体的隔热性能

D．说明书上建议用户将冰箱远离其他家用电器放置

7．如图所示，有这样一个“黑箱”，其输人、输出关系的数据见下表，则“黑箱”内部可能是

(

)

A．交流变压器

B电源稳压器

C日光灯整流器

D．电阻分压器

输入（直流电压/V）

输出（直流电压/V）

8．分析题

公共楼道中使用声控灯控制后，在白天有人通过时灯泡也会点亮。为了克服这一缺点．小黄同学设计一个方案，其控制系统方框图如下，6 5 4 3 2 18 15 12 9 6

输入

黑箱

输出

请分析该方案的控制过程。

输入

（光、声信号）

传感器

控制器

电控开关

电流

灯泡

输出

（灯的亮、灭）

9．作品评价题

简易调光台灯的设计方案是：在照明电路中灯泡与可变电阻串联．通过调节可变电阻的大小来实现灯泡亮度的调节。请你分析评价该设计方案的优缺点。

二、拓展题

10．把在体育课上练习投篮看成一个控制系统，则下列判断错误的是(

) A．控制系统的控制器是人的大脑

B．控制系统的反馈环节是人的眼睛

C．控制系统的执行器是人的手

D．控制系统的被控量是篮球

11．比较闭环控制系统和开环控制系统，下列判断错误的是(

) A．开环控制系统的控制精度较低

B．开环控制系统无反馈环节

Ｃ．闭环控制系统的抗干扰能力强

D．闭环控制系统和开环控制系统都有比较器

12．为了降低家用抽水马桶水箱水位的高度，可采取的措施是(

)

A．增大进水流量

B．减少进水流量

Ｃ．调节降低浮球的位置

D．调节升高浮球的位置

13．关于干扰因素对控制系统的作用．下列说法正确的是(

) A．干扰因素仅作用在被控量上

B．干扰因素不会作用于开环控制系统

Ｃ．干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上

D．干扰因素是不可以利用的

14．在闭环控制系统的调试过程中，当输出量达到设计要求并稳定后(

) A．比较器求出的偏差值等于零

B．比较器求出的偏差值大于零

C．比较器求出的偏差值小于零

D．比较器求出的偏差值大于或小于零

15．分析题

如果人从自动门前经过而不进门，自动门也会自动打开。这个干扰作用于控制系统的哪个环节?你有什么改进的方法?

16．分析题

若抽水马桶的进水阀门漏水，会产生什么情况?对系统构件有何影响?

17分析题

在养鸡场给鸡饮水如采用放在地上的普通水槽，容易被鸡踩翻和污染，不能保证水槽中的水量。为此赵明同学设计了一个挂在空中的鸡用饮水器方案，图为其结构原理示意图。设饮水盘中的虚线为设计水位，当饮水盘水位下降到一定值时，饮水盘重量减轻，弹簧使水阀控制杆向上运动，将出水阀打开，水从进水管流入饮水盘，当水位达到设计高度后，饮水盘重量增加，对拉簧的拉力增加，使水阀控制杆向下运动，关闭水阀。因此，饮水盘中的水位能自动维持在设计高度上。该控制系统中：

(1)弹簧的作用是什么? (2)画出自动饮水机的控制系统框图。

18．评价题

家用电饭锅因使用方便而被广泛使用。请根据你的使用体验，对家用普通电饭锅的安全性、控制精度(从饭的口感判断)、适应性(能否做

其他烹饪)作出评价，并提出改进建议。

专题八

控制与设计

l D

2 D

3 C

4 D

5 A

6．C

7 D

10 D

11 D

12 C

13 C

14 A 8. 普通声控灯在白天有人通过楼道时灯泡也会点亮，这是不必要的．．为了克服这一缺点，在声控系统中增加了光控环节，光控开关受光信号控制，在白天光线强时，光传感器将接受的信号传送给光控制器．光控制器输出控制信号将光控开关打开，

这样白天灯泡就不会点亮了。

9简易调光台灯可实现亮度调节的功能，工作原理和制作工艺简单，工作过程是通过调节可变电阻的大小米改变灯泡两端的电压，从而使灯泡亮度变化，这是它的优点。但由于灯泡与可变电阻串联．可变电阻器也要消耗电能．且体积较大，调节操作不方便，安全性差．因此，日前市场上的调光灯普遍使用电子元件实现调压。

15．如果自动门设计的技术要求是人离门lm的距离内门自动开启，则人从自动门lm前经过并不进门，自动门也会自动打开。原因是传感器无法确定人走的方向，这个干扰因素作用于控制系统的输人环节．即传感器上。改进的方法是在自动门的两侧加上护栏(抗干扰措施)，使近门的区域内人不能横向通过；在自动门前设置台阶。

16. 若抽水马桶的进水阀门漏水，实际水位将超过设定值，该系统对这个水位的误差值是不能控制的．只有将水箱的水放去井排除进水阀的故障，才能使水位重新回到设定值。当水箱水位升高以后，浮球受到的浮力增加，浮球有往上移动的趋势，对系统中连杆机构的作用力增加，对阀门的压力增加，构件有被弯曲和损坏的可能。为了防止这种现象和水溢出水箱，在抽水马桶的水箱中应装有防溢出水管道。

17．(1)弹簧有两个作用，一是检测水位的变化，二是控制水阀的开和关。

(2)控制系统的框图如下：

给定水位

+ 输入

水位差

弹簧控制

_

反馈

水阀

饮水盘

实际水位

输出

弹簧检测

18、对家用普通电饭锅的可靠性、控制精度、适应性作出的评价如下：(1)家用普通电饭锅的可靠性较高，使用安全。在控制电路中均装有热熔断器，当出现意外时，热熔断器会自动切断电源，起到保护作用。

(2)家用普通电饭锅的控制精度主要决定于磁性温控元件和双金属片温控元件的性能。控制精度能满足使用的需求，米饭口感好。

(3)家用普通电饭锅只能用来煮饭，没有煮粥的功能．适应性一般。