1、控制系统设计的一般思路教案1

高中通用技术

苏教2003课标版

必修2《技术与设计2》

第四单元

控制与设计 第四节

控制系统的设计与实施 4.4.1控制系统设计的一般思路

“自动浇花控制系统的设计及实施”教学设计

主讲人：福建省漳浦第一中学

通用技术学科 游颖慧

一、教材分析

本课选自通用技术苏教版2003课标版必修《技术与设计2》第四单元“控制与设计”第四节“控制系统的设计与实施”，这节是全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。这一节教材分为两个部分，分别是控制系统设计的一般思路和控制系统的设计与实施，前者是后者的基础。本课主要从设计的一般思路入手，在结合教材内容和学生生活经验的基础上，教师提出了学生较为熟悉的自动浇花控制系统设计案例，并借助这一案例贯穿整堂课的教学，通过对自动浇花控制系统的设计分析，引导学生思考实现合理的控制设计要考虑的因素，使学生学会分析问题，在实践中逐渐领会控制系统设计的一般过程与方法。

二、教学目标

（一）知识与技能：

1、理解控制系统设计的一般思路。

2、能根据控制系统设计分析方法确定自动浇花系统各组成部件并画出控制系统方框图，形成系统设计方案。

（二）过程与方法：

通过技术试验及试验分析、讨论等方法综合运用设计的一般过程、一般原则等相关理论知识，指导自动浇花系统的设计、实施、评价与改良等过程。

（三）情感、态度与价值观：

1、通过对自动浇花控制系统的设计与实施的分析探讨，提高分析问题能力，培养主动参与意识，感受自动控制系统在日常生活中的实际意义。

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2、

培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。

三、教学重点与难点

（一）教学重点：

1、运用控制系统设计分析方法确定浇花自动控制系统各组成部件，形成初步的设计方案。

2、能画出系统控制的方框图，掌握闭环控制系统的特点。

（二）教学难点：

1、系统线路的实现。

2、如何设定检测装置与被控量之间的关系。

3、综合运用设计的一般原则等知识优化试验方案。

四、学情分析

本课的教学对象是高二年级学生，他们对控制系统理论知识已经有了基本了解，对系统设计的各环节以及模型或原型制作的基本方法有所熟悉，虽具有一定的实践生活经历，但对控制系统设计中涉及的具体技术和电子、电路控制专业知识的掌握还有所欠缺，以及较少的控制系统设计经验，都将给自动浇花控制系统的设计和实施带来一定的困难。

五、教法与学法分析

（一）教法：将通过问题引导学生进行试验设计与探究，逐步形成自己的试验设计方案。

（二）学法：学生进行“问题式学习”，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，通过亲身体会控制系统的设计过程，体验成就感。

六、教学过程设计

本课将分为以下七个教学环节：

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（一）导入环节，提出问题

创设情境：由教室里的盆栽联系到现代生活中不少人都喜爱养花，但盆花浇水量是否能做到适时适量是养花成败的关键，好不容易种植几个月的花草，因为阶段性太忙或者放假、出差、旅游等原因无暇顾及，可能就导致种植成果功亏一篑。不种植吧，室内没有绿色的衬托，感觉没有生机。因此，若有一个自动浇花“神器”就可以免除爱花之人的后顾之忧。

导入主题：如何借助所学知识实现

“懒人式”自动浇花？

【设计意图】采用问题式情境导入，吸引学生兴趣，并引发学生思考。

（二）探究环节

1、教师采用问题式引导，学生进行头脑风暴，讨论自动浇花方案。

学生结合已有的理论知识与生活实际，可能会提出以下方案：

方案1：采用矿泉水瓶和两根吸管制作自动浇花装置。

方案2：采用懒人花盆，即花盆外再套一个蓄水塑料盆。

……

方案1图

方案2图

2、教师帮助学生分析简易装置“自动”浇花设计方案的优缺点：

如设计方案1（用矿泉水瓶进行辅助浇花）与方案2（多套一个蓄水盆），都能达到延长土壤湿度的目的，且设备材料就地取材易于获取，可行性高。但都存在浇灌的蓄水量过少、浇灌的水量没有根据植物生长的需要较为精确地进行供给等问题，只能适用于短期自动浇灌，蓄水量需要依靠人工控制，如果遇3

到喜阴植物（如绿萝），在夏季大概三、四天花盆里的水就用完了，若出差时间较长，则这些植物就有枯萎的危险。

3、提出问题：能否运用所学的自动控制知识设计一个能在较长的一段时间内（如15天）进行自动浇花，实现真正意义上的自动化控制系统，以减少养花之人的后顾之忧？

【设计意图】头脑风暴，教师引导学生积极思考解决问题的方法。

（三）自学环节

学生认真阅读课本P118控制系统设计的一般思路，并结合“技术与设计1”模块中设计的一般过程（即发现问题与明确问题——制定设计方案——制作模型或原型——测试、评估、优化——编写使用说明书），初步了解进行控制系统设计与实施的一般过程和方法。

【设计意图】培养学生自学及综合运用前面所学知识解决问题的能力。

（四）自动浇花控制系统方案设计环节

1、教师引导学生分析：该控制系统要达到的目的是什么？并采用逆推法，让学生明确：控制量和被控量分别是什么?被控对象、执行对象、控制对象分别是什么？外界的干扰因素是什么？如何实现安全设计？然后画出系统控制框图。

（1）设计要求：能根据花盆水位的高低或土壤湿度的变化进行自动浇水。（设计过程之——发现问题与明确问题）

（2）教师通过一组“快速问答”引导学生明确各组件在控制系统中所承担的功能及系统受到的干扰因素：

教师：由什么来给花盆的蓄水量或土壤的湿度补充水分呢？

学生：水泵。

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教师：由谁指挥水泵工作？

学生：继电器。

教师：又由谁通知继电器该开始工作了？

学生：湿度传感器。

教师：湿度传感器的数据从何而来呢？

学生：由土壤湿度检测器采集回来的。

教师：会影响该自动浇花系统的外界干扰因素有哪些？

学生：空气中的湿度与室温。

将以上分析通过课件展示进行小结：

控制量——给定的土壤湿度或预设的花盆水位；

被控量——进水量；

被控对象——水泵；

执行对象——继电器；

控制对象——湿度传感器；

外界干扰因素——室中的湿度、温度等。

2、师生共同把以上分析的思路用方框图整理出来：（设计过程之——制定设计方案）

3、教师介绍自动浇花控制系统所需电路元件的功能。

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主要元件有：

（1）土壤湿度检测器：采集具体的湿度数据。

（2）湿度传感器：可把测量到的温度，按一定的规律变换成电信号输出。该湿度传感器有VCC接口是外接电源正极；GND接口为接地或接电源负极；DO为小板数字量输出接口（0/1）；AO为小板模拟量输出接口，本次试验采用数字信号控制故该接口无使用。该传感器的湿度感应灵敏度还可通过电位器调节，湿度检测精度为5%。

（3）继电器(Relay)：在电路中的作用起调节、保护等作用。在通电工作时是通过较小的电流作为信号去控制较大的电流供电，即小电流起控制作用、大电流是为工作电路提供的。该继电器的COM接口为公共端连接电源的正极，另有NO（normal open）接口和NC（normal close）接口： NO接口为常开触点，继电器不通电时，这端和COM端是断开的，不连通。通电后，和COM端连通，负载工作；NC接口为常闭触点，继电器不通电时，这端和COM公共端是连通的，触点是闭合的，开关是关闭的。通电后，和COM端断开，负载不工作。因为本试验是需要测试达到预定湿度时，水泵就停止工作，所以要选择哪个进行连接呢？应是NC接口。

（4）水泵：实现抽水功能。

（5）电池盒、电池。

（6）导线（含杜邦线）。

【设计意图】教师通过对电子元件的介绍，让学生对实际线路的实现更加明确。

（五）方案的实施环节

1、试验要求 6

（1）学生可3-4人为一个小组合作讨论。

（2）教师提供电路元件设备图：土壤湿度传感器、湿度传感器、继电器、水泵、电源、开关、若干电线，请学生进行实物图的线路连接。

2、试验实施（设计过程之——设计线路图模拟模型制作）

（1）学生根据教师提供的设备图，尝试进行实物图的线路连接。

（2）教师选择具有代表性的学生连线图进行分析。

（3）展示具体线路图：

（4）根据连线示意图教师展示事先制作好的自动浇花控制系统模型。

3、试验测试与记录（设计过程之——系统测试）

（1）检测干燥的沙土和湿润的沙土的系统工作情况，测试湿度检测是否灵敏，并做如下记录：（教师将邀请学生进行测试体验）

（2）因为土壤的干湿度用本试验的湿度传感器无法检测出具体的数值，试验结果若要量化体现，则可采用花盆水位进行试验较为明显。而水位的高低与花盆、湿度检测器所处的位置有关，以下是根据试验所用的花盆和盆栽将湿度检测器底部固定在距离花盆底部5.5cm处，试验所得的数据：

水位高度（cm）

沙土的类别

干沙土

湿沙土

水泵是否抽水

是

否

水泵是否抽水

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低于8.1 达到8.1 是

否

4、试验操作须知：（设计过程之——试验操作说明）

（1）电源提供的工作电压不宜过高，一般为6V，供电电池最好使用普通的碳性电池（如三圈电池），不建议用碱性电池（如南孚电池），因为碱性电池的电量是碳性电池的3-5倍，碱电电流比碳电大。过高的工作电压或过大的工作电流，会使线路发热过快，容易烧毁各电子元件。

（2）在测试干、湿沙土试验时要注意，水管位置的固定，避免水管回流，引入泥沙，造成水泵损坏。

（3）在测试水位时要兼顾盆栽花盆的大小，要找准土壤检测器的相对位置。

5、引导学生进行：试验结果分析与评价（设计过程之——系统评估）

该系统更能根据植物生长的需要，及时补充花盆蓄水量和土壤湿度，达到自动控制浇花的目的，降低人工管理的成本。但该自动控制系统有没有哪些不足呢？我们可以从设计的一般原则对其进行评价，然后优化我们的设计方案。

教师提供《自动浇花控制系统评价表》，师生共同打分，最后形成评价雷达图。以下为评价结果：

自动浇花控制系统评价表

评价项目

创新

实用

经济

美观

道德

技术规范

可持续发展

评价分数

（每项满分5分）

3 4 4 3 5 4 5 8

教师：根据大家的评价结果？我们能不能对这个自动控制系统进行优化升级呢？

【设计意图】通过让学生动手连图，及对系统模型的测试与评价，使学生能更进一步融入到系统实现的过程中。

（六）试验系统优化、创新拓展环节（设计过程之——系统优化）

1、根据分组学生的讨论结果，教师帮助总结以下优化改进的方案：

（1）湿度传感器再增加湿度显示和设置功能，增强系统实用性。

（2）可再加入土壤湿度数据推送到手机APP或PC端功能，让花儿的主人可以随时了解花儿的生长情况。

（3）电池可改为太阳能电池，可实现户外充电功能。

（4）自动蓄水灌。

……

以上优化方案，可作为课外拓展内容，教师对有实现优化方案的学生将给予适当的奖励。

2、教师总结：浇花系统性能的好坏固然很重要，但“巧妇难为无米之炊”，浇花的水源如何能自动保证呢？提出问题：如何实现储水罐自动蓄水？天然的水源就是雨水，如果把蓄水罐直接放在户外，是可以直接收集到雨水，但户外有很多不可预估的因素，如蓄水罐的瓶口大，但水分也容易蒸发；掉下来的树叶及户外的杂物也可能落入蓄水罐中堵住水泵，使水泵无法抽水……这些问题该如何解决呢？接下来教师将引导学生思考如何进行雨水收集器的设计？

教师展示自己事先设计好的雨水收集装置：利用漏斗和废弃的水管的组合，在水管的四周打孔，然后把水管插入漏斗的斗颈内，并放入一些大石子。涉及的原理：利用漏斗的入水口面积大、出水口面积小，达到减少水分的流失能收9

集充足雨水的目的。在漏斗中加入水管是为了防止杂物掉入储水罐造成水泵堵塞，加入石头是为了防止水管的进水小孔被堵住。

3、此外，储水罐中多余的雨水也可以另做他用？

如经过净化后作为生活用水。

【设计意图】通过对系统功能的优化与拓展，在完善系统功能的同时，培养学生全面考虑问题的思维。

（七）本课知识小结

引导学生归纳总结：

1、控制系统设计的一般思路：

2、控制系统设计的一般步骤：

【设计意图】通过课堂小结使学生进一步明确本节课的教学要点。

七、课后教学反思

本课程的教学以设计与实现“自动浇花控制系统”为载体，课程的导入和每一个设计步骤都是围绕这个设计任务来展开的。内容具体，目标明确，与学生实际贴近，学生也感兴趣。由电路自动控制的浇花系统，进行土壤湿度及花盆水位的检测能很好地验证该系统的可行性，对学生提升动手能力和培养设计思维有很大的帮助。但在教学过程中，发现学生对自动控制系统设计的理论知10

识掌握还不够扎实，分析问题的能力也有待提高，这些问题教师应在之后的教学中进行强化补足。此外，本课教学中提出的“浇花系统”优化方案，由于课时的原因无法在课堂中一一实现，教师应鼓励学生课后继续探究，可以从网上查找相关知识并动手实现，多鼓励学生敢于探索和创新。

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