4.3简单控制系统的设计教案-高中通用技术粤科版必修技术与设计2

通用技术必修技术与设计2第四章控制及其设计第三节简单控制系统的设计教学背景党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。教学目标：能进行简单的控制系统的设计，并制作一个简单的控制装置、能够对设计方案进行优化。能正确阅读所设计的项目电路图、元件图，并形成良好的设计习惯。经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。教材分析本节内容是对本章知识的具体应用，要求学生掌握控制系统设计的基本流程。然后利用前面所学知识根据实际需要设计一个简单的控制系统，在理论的指导下进行实例设计。要求学生熟悉所用到的材料的属性和常用工具的使用方法。学生情况由于学生对电子电路比较陌生，不太了解电子元器件的特性，对于电子电路图和电路的焊接也不熟悉，因此需要教师在实践活动开始前，先进行相关知识的讲解。学情分析:学生在前面的学习中已经了解了控制的应用，初步认识了开环控制系统和闭环控制系统。但是学生仍缺乏从技术上辨析开环控制系统和闭环控制系统的能力。对一个具体控制案例，很难准确判定控制器执行器和被控对象等环节。教学重难点:重点:制订设计项目的方案。难点:根据制定的方案，进行项目的实施。教学策略:本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。教学准备:展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。教学过程:情景导入:老师：本节课我们学习通用技术必修技术与设计2第四章控制及其设计第三节简单控制系统的设计。饮水机是人们日常生活中常见的设备，一般的饮水机设计筒洁、操作简单，实用性高。但有些饮水机的设计没有考虑到儿童在使用时，可能会误操作将热水阀门打开而导致被烫伤的情况。某公司的饮水机设计师为了解决这个问题，为饮水机多加了一个开关，这个开关称为热水锁，在取热水时，必须先按热水锁，然后再打开热水网，饮水机才能出热水。关闭热水网后，热水锁自动复位，下一次取水重复上述动作。由于增加了取热水的操作环节，大大降低了由于儿童误操作造成的伤害。可见，一个简单的控制，也可解决很多实际问题。导学思考观察身边的事物，你能设计一个简单的控制系统，从而改善系统的功能吗?一、控制系统设计概论控制系统设计是工程设计的一个特例，所以我们前面学习的设计基本原则仍然适用。第一步，确定控制目的。如速度控制系统是为了达到理想的速度，温度控制系统是为了获得合适的温度等。第二步，确定系统的被控量，即控制系统要控制什么。一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量。如速度控制系统的被控量是速度，温度控制系统的被控量是温度。但有些控制系统的控制目的与系统的被控量可能不同，如为了控制某种化学反应的反应速度，我们可能控制的是反应时的温度；为了减少（控制）高速公路上的交通事故，我们可能控制的是公路上的车速。所以，在明确控制目的的同时，要认真分析为达到控制目的,我们实际需要控制什么量，就是被控量的确定。第三步，明确系统各项指标。如控制的精度要求、控制的适应性要求（涉及是自动控制还是手动控制）及系统的造价等。第四步，根据前面的要求和参数，确定控制系统的结构。我们可以根据需要选择开环或闭环控制系统。执行器的选择与被控对象有关，如对电机进行速度控制的系统，由于被控对象就是电机，所以执行器可以是继电器，如在温度控制系统中，产生温度的部件可能是电热丝、灯泡甚至燃气装置。这些都可以作为产生热量的被控对象，对应的执行器可以是继电器或燃气控制阀等。第五步，建立系统各环节的模型。大型、复杂的控制系统分析和仿真都依赖于模型的建立，对于简单的控制系统可直接通过实验检验系统的性能。第六步，确定待调参数。不管是对模型进行仿真还是进行系统实际实验，我们都要找出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时观察、调整的对象，通过对它们的调整，使系统达到最住的性能。第七步，测试系统的性能。如果通过调节待调参数使系统达到了期望的性能，设计工作就结束；否则，就要修改设计，包括改进系统结构甚至放宽指标要求等。图429描述了控制系统设计的基本流程。二、设计实例1.明确设计目的一个实用的LED数码显示器通常由多位数码管组成，如图431，但该设计只使用一个数码管，通过适当的设计，完成09的显示。2.确定被控量及设计指标我们采用LED作为发光元件，显示的数宇是以光的形式展现，所以该设计的被控量就是LED数码管各段的亮度，且只有亮、灭两种状态.3.确定系统结构通过上述步骤，我们就可以根据具体的要求来确定控制系统的结构。怎控制LED数码管8个段的亮、灭是该设计的关键。控制系统有开环和闭环、手动和自动等形式，你决定采取哪种形式呢?讨论1.你能写出几种实现方案?2.你的方案与其他同学的方案相比有哪些优点和缺点?3.你的方案可行吗?（如材料是否容易得到、加工是否容易、造价是否合理等）4.选挥实现方法。让LED数码管显示特定数码最简单的方法就是采用机械开关进行手动控制。假设我们要显示数字“3”，且采用图430所示的共阳极数码管，由数码管各段的排列分布可知，显示“3”应使A、B、C、D、G段发光，所以开关与LED数码管的连接如图42所示。实践1.自己动手设计连接能里示其他教字的控制电路。2.如果采用共阴极数码管，图432成怎群修改?3.根据图432，完成表44。表44数码显示控制系统系就名称系统名称控制器控制量被控对象被控量控制类型控制方式数码显示5.部件模型及主要参数的确定对一个复杂的控制系统，在确定了系统结构后，先要对系统中的各部分建立对应的数学模型，然后进行一些理论分析和仿真。当系统较为简单时，我们可以先通过简单的运算，得到一些必要的参数，然后用实验的方法调试，校正系统的工作状态，直到满意为止。对于本设计，需要确定的参数是供电电源的电压和电阻的阻值及功率。对于红色LED数码管，正常发光的电压一股为1.82V，工作电流可取10mA左右，所以电源电压要大于2V，这里我们用较为常见的9V层叠电池。确定好供电电压后，就要计算电阻R的阻值和功率。由于LED数码管的工作电压和电流的限制，我们不能把9V的电源直接接到LED数码管两端，这样会造成流过LED数码管的电流过大而使其损坏。6.验证、完成你的设计确定了设计方案，并按选定的控制方法验证了各部分的工作后，就可以将它们组装起来。在《普通高中教科书通用技术必修技术与设计1》中，我们学习了各种设计和交流的方法，应尽可能做到:(1)用计算机绘制名部分的原理图及安装图。(2)设计系统制作的工作流程。(3)完成整个设计。7.评估你的设计完成设计后，为了测试系统设计是否达到预期目的，还需要从以下几个方面进行评估:(1)系统是否安全，可靠?能否按设计的要求工作?(2)其他同学对你的设计有什么看法?(3)整个系统的造价是多少?(4)如果有更多的时间，你会对其做哪些改进?(5)为你的设计写一份使用说明书。8.优化你的设计上面的设计对我们学习、理解LED数码管的工作原理和工作方式很有意义，但由于一次连线只能显示一个数字，实际的应用价值有限。我们怎样将它做得更实用、更智能呢?这就要用到电了技术的一些知识，图433是采用4511专用集成电路控制1位数码管的原理图，这个电路可以通过四个开关的组合来控制数码管的显示，是不是比起前面的设计灵活性高了很多?探究1.图433的数码管为什么不像图432那样只在公共端接一个电阻，而是在每一段都接有一个电阻?2.图433的数码管是共阳极还是共阴极的?如果我们想使设计更具实用性、智能化，就要采用单片机进行设计。图434给出了采用AT89C51单片机控制的2位数码管显示电路，由于单片机可以通过软件编程控制数码管的显示，所以可以实现如电了钟、计算器、计数器等很多实用的功能，感兴