控制系统的设计与实施

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）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：共3课时作 者：根据南京五中刘建明教学设计改编一、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、教学重点设计一个控制系统应明确的问题；对控制系统的基本要求；控制系统设计的思想方法。三、教学难点设计一个控制系统应明确的问题的分析；控制系统设计思想方法。四、教学方法讨论法、案例教学法、模型教学法、实践教学法。五、设计思想1.教材分析本节教材由“1.控制系统的设计一般思路”、“2.控制系统的设计与实施案例”2小节组成。教材先对控制系统的设计一般思路作了一般介绍，然后通过开环控制系统和简单闭环控制系统的三个案例的分析（电吹风控制系统的设计、抽水马桶自动控制系统的设计、自动升旗简易控制系统的设计），对这一中心内容进行了深入的阐释。教材这样的结构说明，在这一节的教学中，要让学生在针对实际问题进行控制设计的实践中去领会控制系统设计的一般方法。突出主要问题：进行控制系统设计时，最主要的是明确控制对象，明确控制目的，分析控制对象的特性，确定被控量和控制量，分析主要的干扰因素，构思设计方案。(1)从流程的角度看，上述各项的次序也是控制系统设计的基本步骤。(2)通过列举一些实例，引导学生思考上述基本步骤。从而理解相关的主要问题。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和生活经历，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。课时安排本节总计3课时。第1课时，讲授控制系统设计的一般思路，分析开环、闭环控制的案例。第2课时加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。第3课时，评价和总结。六、教学准备为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一只。自动升旗简易控制装置模型。七、教学过程第1课时:引入新课：要设计一种自动开关的节能灯控制系统，如何展开我们的设计思路？需要从哪些方面着手考虑问题呢？先让学生自由讨论、发表看法，教师再依据学生的回答给予引导、点拨，再引导学生去归纳这个具体问题中所包含的一般原理。提问：被控对象是什么？控制的目的是什么？这种灯用在什么地方？环境怎样？这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？有什么其他因素会干扰灯的正常工作？依据你的判断，能提出一种设计方案吗？1.控制系统设计的一般思路：控制系统设计明确控制的目的确定被控量、控制量分析被控对象的主要特性控制系统的调试 运行和评价分析主要的干扰因素控制系统方案的选择系统的成本分析实施控制系统所需的设备、元件等针对教材中两个关于开环、闭环控制系统设计的案例，要引导学生去应用控制系统设计的一般原理去认真分析。为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一只。案例：电吹风风速控制（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？（6）你认为，控制系统各部件的设计还与什么有关?（还与结构设计有关） 开环控制系统的设计：明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量，即可考虑控制系统的方案；【演示试验】电吹风控制系统的设计（图：教材中的电吹风图片）设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡、热风挡）输出不同种类的风。设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。电吹风分控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。方案构思：选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。设定风的挡位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。电机、风扇、电热丝设定电吹风的挡位（输入）风的速度和温度（输出）试验过程：1.画出电吹风的电路设计图；2.选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程；3.知识延伸：如果设定了热风挡之后又需要分强风挡和弱风挡如何进行设计。案例：抽水马桶观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。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？（6）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？ 闭环控制系统：不同闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求不一样。 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统设计要求：1、当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立即进水。2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立即停止进水。3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。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。方案构思：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：拨动冲水旋扭，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。给定水位杠杆比较进水阀门水箱进水量水位检测装置课堂小结：一、控制系统设计的一般思路 系统要达到的目标？ 控制的对象？ 被控对象的特性？ 被控量和控制量？ 外界的主要干扰因素？ 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？ 设备和元件？1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定2.找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素3.要确定控制量和被控量4.执行器和检测装置的选择: 一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件总之，控制系统设计需满足的基本条件:能达到控制的目的采用易于实现的方式降低控制成本减少对环境的负面影响教学资料：1.控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。2.控制的分类：（1）从控制过程中人工干预的情形来分：人工控制、自动控制；（2）按照执行部件的不同来分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。3.控制系统：（1）控制系统的含义：任何一个控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统。 （2）控制系统的分类：由于控制的方式不同，自动控制又有：开环控制系统和闭环控制系统之分。4.开环控制系统：（1）开环控制系统含义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。（2）控制系统方框图：在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线表示系统信号传递的方向，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。（3）开环控制系统的方框图：控制器执行器被控对象控制量输入量输出量5.闭环控制系统：（1）闭环控制系统含义：我们把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称为闭环控制系统。（2）闭环控制系统方框图：控制器执行器被控对象控制量输入量输出量检测装置6.干扰因素：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。7.反馈的涵义：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。8.开环控制系统与闭环控制系统的比较： 开环控制系统：控制精度相对比较低，结构简单，适用与控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场合。 闭环控制系统：控制精度高，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高，适用与要求高精度和高可靠性的场合。9.不同闭环控制系统设计的基本要求： 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。第2课时：自动升旗简易控制装置的设计与实施。加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。事实上，这个案例是在教材P112案例所述一般原理基础上，一个具体实施案例。我们不妨进一步向学生提出：除了教材上这样的控制方案，你们还能提出与教材不同的控制方案吗？这样的问题对学生来说是具有挑战性的。一个值得注意的问题：自动控制一定是闭环控制吗？闭环控制一定是自动控制吗？闹钟自动控制系统就不是闭环控制系统。闭环控制系统设计的基本要求系统必须是稳定性的；（抗干扰性）达到所需的控制精度；各个环节的设计科学合理。自动升旗简易控制装置的设计与实施。（1）明确设计的要求，明确控制系统设计所要达到的目标。（2）提出多个设计方案，进行分析、权衡、比较，确定一个相对较好方案。（3）动手安装、调试升旗控制系统（4）撰写试验报告，自我评价和小结1.自动升旗简易装置的设计设计要求：(1)在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端；(2)选择恰当的控制方案实现控制；(3)选用成本低、易于获取的元件、设备和材料制作模型。设计分析：(1)采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或速度）开环控制系统的方框图：定时装置电动机滑轮、国旗定时时间升旗速度(2)这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同组成；(3)计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案，例如，采用机械定时器和电动机实现，采用成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带可调速电路的电动机实现，采用音频信号、触发电路和电动机实现。(4)采用任何一种方案实现，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。设计准备：机械定时器（或电子定时器、自制电子定时器、CD唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源。设计方案A：1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。5.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。方案B：采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。方案C：1.采用成品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。（自动升旗简易控制装置电路图）方案D：1.采用CD 唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。3.从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源串联在电路中。4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。作业：1.以前学校的大门是对开的，现在很多学校的门都改为电动门，但是这种门操作过于呆板，大门在关闭过程中有人通过时，容易夹伤行人，请同学们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的设计，并能够提出改进方案。2.有位科学家，为了促使迷上电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”女儿必须骑上自行车不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车发电电视机”这一过程的方框土，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。3.设计并制作水车控制装置的模型。利用流动的水冲击水车，以控制不同的机械装置而产生动作。第3课时：自动升旗简易控制装置的设计与实施评价和总结。（1）方案实施：自动升旗简易控制装置的设计与实施。（2）交流与评价：撰写试验报告，自我评价和小结；小组自评；展示成果，学生将本组的作品展示给全班同学，其他同学可以提出自己的改进意见。作业：1.在宾馆的房间天花板上都有一个自动灭火装置，当室内烟雾的浓度过高时，该装置会自动喷水，起到降温灭火的作用，请你根据这一装置，设计自动灭火装置的模型。2.请对太阳能热水器进行分析：（1）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低是，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，并说明其工作过程。3.设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。八、教学反思学生要对生活中的一些系统进行分析，思考，并能收集一些设备的工作原理，只有在掌握了大量的系统的工作原理，占有大量的资料的前提下，才能对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。通过一些具体的生活实例导入有关控制的设计方法，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，由易到难，在学生自己设计的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的，符合新课程理念的要求。以贴近学生生活实际的典型案例为载体，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识，体现老师的引导作用。以学生为主体，让学生进行设计，改进身边的一些控制系统，理论与实践相结合，以问题为引领，在师生互动的课程理念的设计上都有较好的亮点，还应注意及时反馈。