第四章 控制與設(shè)計

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1、 第四章 控制與設(shè)計 【教學(xué)時段】 下期 【教學(xué)對象】高中二年級 【學(xué)情分析】 學(xué)生對我校的授課模式比較熟悉，對本課程的重視水準(zhǔn)不夠，學(xué)習(xí)積極性較低。所以，在上課過程中老師應(yīng)注意多用一些生活中常見的案例，調(diào)動學(xué)生對控制及其設(shè)計的學(xué)習(xí)欲望，引起他們的重視，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。以此最終能夠讓他們用上所學(xué)的知識對案例實行測試、分析。 【教材分析】 本堂課是《技術(shù)與設(shè)計2》里面比較難于理解的內(nèi)容，“控制與設(shè)計”強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度理解控制素統(tǒng)的組成、工作過程等問題。對控制系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、傳感機(jī)構(gòu)和被控對象等環(huán)節(jié)只限于定于一般性的理解，不去探討其內(nèi)部的工作過程

2、。通過控制的理論知識學(xué)習(xí)，達(dá)到能夠分析生活中常見的控制，最終能夠設(shè)計出自己想要做出的控制模型。 【教學(xué)設(shè)想】 第一節(jié)課理解什么是控制，并建立開環(huán)、閉環(huán)、手動、自動控制的分類概念；第二節(jié)課對具體的控制系統(tǒng)實行進(jìn)一步的分析，得到控制系統(tǒng)的基本組成及學(xué)會用框圖描述各類控制系統(tǒng)；第三節(jié)課以設(shè)計制作一個小球下落裝置為例，實行簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計；第四節(jié)課設(shè)計制作一個小球下落裝置。 【教學(xué)目標(biāo)】 知識與技能： 1.理解控制的涵義及其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。 2.了解控制系統(tǒng)的類型，熟悉簡單控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程。 3.了解并能確定控制系統(tǒng)的主要參量。 4.能畫出簡單控制系統(tǒng)的方框圖，理解

3、其中各環(huán)節(jié)的作用。 5.能設(shè)計、制作、調(diào)試和改進(jìn)簡單的控制裝置。 過程與方法： 通過觀察、思考、探討、分析的過程，了解控制與設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識，能繪制簡單的控制系統(tǒng)方框圖，綜合使用歸納、概括、綜合、比較等方法。 情感態(tài)度價值觀： 學(xué)會用系統(tǒng)的眼光看事物，并優(yōu)化事件，解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和善于思考的水平。 【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】 重點(diǎn)：理解控制的涵義，了解控制系統(tǒng)的類型中，熟悉簡單控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程。 難點(diǎn)：能設(shè)計的、制作、調(diào)試和改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)。 2. 弄清控制器、控制量、被控對象和被控量等概念 3. 能對已設(shè)計的控制系統(tǒng)方框圖實行改進(jìn)。 【教法與學(xué)法】

4、 教學(xué)方法：本課主要采用授導(dǎo)教學(xué)模式，通過大量案例引導(dǎo)學(xué)生思考討論，協(xié)助學(xué)生形成知識建構(gòu)。此外，綜合使用：案例分析、視頻教學(xué)、設(shè)疑引導(dǎo)、演示講授等教學(xué)方法。 學(xué)習(xí)方法：自學(xué)自思、交流探討、分析比較等 【課時安排】 教學(xué)時間：4課時 【教學(xué)器具】 課件、多媒體設(shè)備、教具等 【課型】 新課 [教學(xué)過程] 第一節(jié)課 了解控制 由教室課堂情景導(dǎo)入控制，思考一下，生活都有哪些控制？ 總結(jié)：生活中的控制無所不在，我們的設(shè)計也離不開控制。 一 了解控制 導(dǎo)入：【摩登時代視頻】 師：在這個視頻中，商人本來是要用一套純自動的機(jī)器來代替本是純手動的吃飯過程。但是無奈

5、機(jī)器出了故障，并沒有按照人預(yù)先期望發(fā)展。同樣在生活中，事物發(fā)展的結(jié)果可能是人們預(yù)先期望的，也可能是與預(yù)期的目標(biāo)不相符，甚至是不希望得到的。但只要人們想達(dá)到某一特定的目的，就必須使用適當(dāng)?shù)氖侄蝸韺崿F(xiàn)。也就是對事件或事物實行控制。今天我們就來學(xué)習(xí)與控制相關(guān)的一些基本知識。比如，控制的分類、控制系統(tǒng)的描述和組成。再設(shè)計制作一個控制系統(tǒng)。 （一）控制的定義 案例1——嫦娥探月衛(wèi)星飛行軌跡(視頻) 案例2——鳳凰火星控測器（視頻） 設(shè)問：衛(wèi)星在運(yùn)動過程中需要在適當(dāng)?shù)臅r候做出一些改變，如：變速，變軌。提問：這些工程調(diào)整過程是怎么做到的？ 學(xué)生討論： 控制：實際上,如果我們希望某一事物按照自己的

6、意思發(fā)展,就要對其實行干預(yù),這種根據(jù)自己的目的,通過一定的方法使事物沿著某一確定的方向發(fā)展,就形成了控制. 討論：其他控制的案例 （二）控制的三要素 對象：人們期望控制的事物 目的：人們所期望的目標(biāo) 方法：為達(dá)到目標(biāo)所采用的方法和手段 練習(xí)：分析接水控制中的三要素 師：我們以接水控制為例。接水的目的是什么？控制的對象呢？所采用的方法是什么？ 目的：水 對象：水龍頭 方法：擰開 學(xué)生練習(xí)：大禹治水、電風(fēng)扇扇葉轉(zhuǎn)速的控制、人力三輪車的方向控制 （三）手動控制和自動控制 案例分析：從手搖扇到空調(diào) 師：隨著科技的發(fā)展我們乘涼散熱的

7、工具也持續(xù)的被更新。從開始純?nèi)肆κ謸u產(chǎn)風(fēng)的手搖扇，到電機(jī)帶動葉片產(chǎn)風(fēng)的電風(fēng)扇，至自動調(diào)節(jié)溫度的空調(diào)。 師：我們知道這三個工具都是用來調(diào)節(jié)溫度的，那么它們在調(diào)節(jié)溫度方法上有什么區(qū)別？ 生：手動、自動 手搖扇：手動 電風(fēng)扇：換擋 空調(diào)：自動 師：也就是在控制溫度的過程中，人的參與度是不同的。在控制中，我們根據(jù)人的參與水準(zhǔn)將其分為手動控制和自動控制。 1、 手動控制：必須在人的直接干預(yù)下才能完成的控制系統(tǒng)（門、開車） 2、 自動控制：在過程中不需要人的直接干預(yù)，就能夠準(zhǔn)確按照期望的方向發(fā)展的控制系統(tǒng)。（自動門、太陽能路燈） 師：你還知道哪些自動控制系

8、統(tǒng)和手動控制系統(tǒng)？ 師：除了按照人的參與度分類控制以外，還可以按照執(zhí)行部件將控制進(jìn)行分類。比如：機(jī)械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等。 同樣，在很多控制事例中，控制的手段可以是綜合的。 （四）開環(huán)控制和閉環(huán)控制 游戲：畫鼻子 師：我們現(xiàn)在來做個小游戲。黑板兩邊分別有兩個頭像，但是都沒有鼻子。那么我們現(xiàn)在要找兩位同學(xué)來分別給它添上鼻子。（一個閉著眼睛，一個沒有閉眼睛） 師：其實兩種情況下的畫鼻子的過程都是一個控制系統(tǒng)。不論是閉上眼睛，還是沒有比眼睛的情況下，都是大腦發(fā)出指令，身體執(zhí)行，最后落點(diǎn)畫鼻子。 師：兩種情況的區(qū)別是什么呢？ 生：一種有

9、眼睛的參與，一種沒有 師：對，在沒有閉眼的情況下，眼睛也會參與這個控制。眼睛會觀察，并且時時根據(jù)大腦的期望調(diào)整落點(diǎn)。因此，這兩個控制系統(tǒng)過程雖相同，但是卻是不同的控制系統(tǒng)。 1、 閉環(huán)控制 師：沒有閉眼的控制，眼睛在控制中起到反饋作用。這種控制叫做閉環(huán)控制。 定義：輸出量返回到輸入端，并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)：（1）、有反饋環(huán)節(jié)，并對被控量產(chǎn)生影響！ （2）、輸入輸出信息形成回路。 （3）、抗干擾效果好。 有反饋環(huán)節(jié)是閉環(huán)控制的重要特征，因此，我們也稱它為反饋控制系統(tǒng)。 2、 開環(huán)控制 師：而閉眼過程就是開環(huán)控制。沒有眼睛的參

10、與，控制系統(tǒng)中不能反饋調(diào)整。 定義：輸出量不對系統(tǒng)控制產(chǎn)生任何影響的控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)：（1）、是從“輸入”到“輸出”的信號單向傳遞。 （2）、“輸出”結(jié)果只受最初“輸入”結(jié)果的影響。 （3）、抗干擾效果差。 3、區(qū)分開環(huán)與閉環(huán)控制的方法：（1）看是否有反饋及能否調(diào)整（2）加入干擾，看能否調(diào)整 學(xué)生活動：區(qū)分開閉環(huán)控制 擲飛鏢、騎自行車 第2節(jié) 控制系統(tǒng)的組成和描述 1、 控制系統(tǒng)的組成 案例：騎自行車 師：這是騎自行車的控制過程圖 期望值——大腦——肢體——自行車——行駛方向（眼睛觀察反饋調(diào)整） 師：大腦就是控制系統(tǒng)中的控制器；肢

11、體就是控制的執(zhí)行器；力是控制量；自行車是被控對象；自行車方向是被控量；眼睛就是反饋環(huán)節(jié)。 控制器：控制命令（信號）的發(fā)出部分。—— 執(zhí)行器：將控制器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換成能影響被控對象信號的裝置。—— 控制量：能對被控對象產(chǎn)生作用，從而使被控量發(fā)生變化的量。 被控對象：通過控制調(diào)整它來達(dá)成控制量的部分。 被控量： 控制目的 反饋環(huán)節(jié)：將被控量的實際值反饋到輸入端。 師：控制系統(tǒng)的組成：被控對象+兩器、兩量、一環(huán)節(jié) 兩器：控制器、執(zhí)行器 兩量：被控量、控制量 一環(huán)節(jié)：反饋環(huán)節(jié) 二、控制系統(tǒng)的描述——框圖 師：我們通常用框圖來描述控制系統(tǒng) 比如開

12、環(huán)控制系統(tǒng)框圖：給定值——控制器——執(zhí)行器借助（控制量）來控制被控對象，以控制控制量。 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖： 閉環(huán)控制中因為有反饋環(huán)節(jié)，因此，有一個比較器的部分。比較器是對反饋環(huán)節(jié)回應(yīng)的信息與原給定信息進(jìn)行比對，從而不斷修正的部分 第三節(jié)課 學(xué)生練習(xí)：分析端乒乓球比賽 師：這是端乒乓球比賽。端乒乓球過程中的控制器、執(zhí)行器、控制對象、反饋環(huán)節(jié)分別是什么？ 一、控制中的干擾 師：在我的框圖中多了干擾（風(fēng)）。其實不管是哪類控制，總是會有干擾的。并且，干擾可能存在于控制的每一個環(huán)節(jié)，而我們必須盡可能的客服干擾。 師：1、在出現(xiàn)干擾的情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)哪種受干擾的影響小？為

13、什么？ 閉環(huán)控制系統(tǒng)受影響較小，因為閉環(huán)控制系統(tǒng)能不斷修正控制效果。 師：如何有效克服控制中的干擾？ 風(fēng)對飛機(jī)飛行時的干擾？ 為什么乒乓球、羽毛球比賽都在室內(nèi)舉行？ 化學(xué)實驗容易受到溫度變化的影響怎么辦？ 二、控制系統(tǒng)設(shè)計的基本過程：確定控制目的、確定輸出量、明確輸出量應(yīng)達(dá)到的精度指標(biāo)、選定開閉環(huán)、建立模型、確定待調(diào)參數(shù)、分析實驗系統(tǒng)性能。 第四節(jié)課 學(xué)生實作內(nèi)容：“落球時長”競賽 活動內(nèi)容介紹： 學(xué)生分小組用老師提供的材料和工具在規(guī)定時間內(nèi)設(shè)計、制作一個控制小玻璃球下落的裝置，以小球從起始點(diǎn)無初速度釋放直至最后脫離裝置的時間長短為成績，時間最長的組為優(yōu)秀。 材料：A4卡紙3張、塑料吸管10根、雙面膠（8mm-10mm）1卷、 透明膠條（8mm-10mm）1卷、膠棒1根、小玻璃球1個 工具：剪刀、學(xué)生尺 規(guī)則： 1、在40分鐘內(nèi)完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計和整體制作、調(diào)整。 2、小球釋放點(diǎn)與最終靜止點(diǎn)間高度差不低于20cm。 3、小球釋放時無初速度。 4、比賽過程中，如果小球脫離裝置，以小球落地瞬間為停止計時點(diǎn)。 5、從小球釋放瞬間開始計時，小球完全靜止時停止計時，以小球運(yùn)動的總時長為最終成績。 6、測試開始時，由老師發(fā)令，學(xué)生自行釋放小球，老師計時。