控制与设计教案.docx

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控制与设计教案

第四章控制与设计

【教学时段】2015-20163学年下期

【教学对象】高中二年级

【授课教师】蒋娅

【学情分析】

学生对我校的授课模式比较熟悉，对本课程的重视程度不够，学习积极性较低。

因此，在上课过程中老师应注意多用一些生活中常见的案例，调动学生对控制及其设计的学习欲望，引起他们的重视，激发他们的学习热情，充分调动学生的学习积极性。

以此最终能够让他们用上所学的知识对案例进行测试、分析。

【教材分析】

本堂课是《技术与设计2》里面比较难于理解的内容，“控制与设计”强调从系统的角度理解控制素统的组成、工作过程等问题。

对控制系统中的控制器、执行器、传感机构和被控对象等环节只限于定于一般性的理解，不去探讨其内部的工作过程。

通过控制的理论知识学习，达到能够分析生活中常见的控制，最终能够设计出自己想要做出的控制模型。

【教学设想】

第一节课理解什么是控制，并建立开环、闭环、手动、自动控制的分类概念；第二节课对具体的控制系统进行进一步的分析，得到控制系统的基本组成及学会用框图描述各类控制系统；第三节课以设计制作一个小球下落装置为例，进行简单控制系统的设计；第四节课设计制作一个小球下落装置。

【教学目标】

知识与技能：

1.理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用。

2.了解控制系统的类型，熟悉简单控制系统的基本组成和工作过程。

3.了解并能确定控制系统的主要参量。

4.能画出简单控制系统的方框图，理解其中各环节的作用。

5.能设计、制作、调试和改进简单的控制装置。

过程与方法：

通过观察、思考、探讨、分析的过程，了解控制与设计方面的基础知识，能绘制简单的控制系统方框图，综合运用归纳、概括、综合、比较等方法。

情感态度价值观：

学会用系统的眼光看事物，并优化事件，解决问题，培养学生的社会责任感和善于思考的能力。

【教学重点与难点】

重点：

理解控制的涵义，了解控制系统的类型中，熟悉简单控制系统的基本组成和工作过程。

难点：

能设计的、制作、调试和改进开环控制系统。

2.弄清控制器、控制量、被控对象和被控量等概念

3.能对已设计的控制系统方框图进行改进。

【教法与学法】

教学方法：

本课主要采用授导教学模式，通过大量案例引导学生思考讨论，帮助学生形成知识建构。

此外，综合运用：

案例分析、视频教学、设疑引导、演示讲授等教学方法。

学习方法：

自学自思、交流探讨、分析比较等

【课时安排】

教学时间：

4课时

【教学器具】

课件、多媒体设备、教具等

【课型】新课

[教学过程]

第一节课了解控制

由教室课堂情景导入控制，思考一下，生活都有哪些控制？

总结：

生活中的控制无所不在，我们的设计也离不开控制。

一了解控制

导入：

【摩登时代视频】

师：

在这个视频中，商人本来是要用一套纯自动的机器来代替本是纯手动的吃饭过程。

但是无奈机器出了故障，并没有按照人预先期望发展。

同样在生活中，事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能是与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。

但只要人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当的手段来实现。

也就是对事件或事物进行控制。

今天我们就来学习与控制相关的一些基本知识。

比如，控制的分类、控制系统的描述和组成。

再设计制作一个控制系统。

（一）控制的定义

案例1——嫦娥探月卫星飞行轨迹（视频）

案例2——凤凰火星控测器（视频）

设问:

卫星在运动过程中需要在适当的时候做出一些改变，如：

变速，变轨。

提问：

这些工程调整过程是怎么做到的？

学生讨论：

控制:

实际上,如果我们希望某一事物按照自己的意思发展,就要对其进行干预,这种根据自己的目的,通过一定的方法使事物沿着某一确定的方向发展,就形成了控制.

讨论：

其他控制的案例

（二）控制的三要素

对象：

人们期望控制的事物

目的：

人们所期望的目标

方法：

为达到目标所采用的方法和手段

练习：

分析接水控制中的三要素

师：

我们以接水控制为例。

接水的目的是什么？

控制的对象呢？

所采用的方法是什么？

目的：

水对象：

水龙头方法：

拧开

学生练习：

大禹治水、电风扇扇叶转速的控制、人力三轮车的方向控制

（三）手动控制和自动控制

案例分析：

从手摇扇到空调

师：

随着科技的发展我们乘凉散热的工具也不断的被更新。

从开始纯人力手摇产风的手摇扇，到电机带动叶片产风的电风扇，至自动调节温度的空调。

师：

我们知道这三个工具都是用来调节温度的，那么它们在调节温度方法上有什么区别？

生：

手动、自动

手摇扇：

手动电风扇：

换挡空调：

自动

师：

也就是在控制温度的过程中，人的参与度是不同的。

在控制中，我们根据人的参与程度将其分为手动控制和自动控制。

1、手动控制：

必须在人的直接干预下才能完成的控制系统（门、开车）

2、自动控制：

在过程中不需要人的直接干预，就可以准确按照期望的方向发展的控制系统。

（自动门、太阳能路灯）

师：

你还知道哪些自动控制系统和手动控制系统？

师：

除了按照人的参与度分类控制以外，还可以按照执行部件将控制进行分类。

比如：

机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。

同样，在很多控制事例中，控制的手段可以是综合的。

（四）开环控制和闭环控制

游戏：

画鼻子

师：

我们现在来做个小游戏。

黑板两边分别有两个头像，但是都没有鼻子。

那么我们现在要找两位同学来分别给它添上鼻子。

（一个闭着眼睛，一个没有闭眼睛）

师：

其实两种情况下的画鼻子的过程都是一个控制系统。

不论是闭上眼睛，还是没有比眼睛的情况下，都是大脑发出指令，身体执行，最后落点画鼻子。

师：

两种情况的区别是什么呢？

生：

一种有眼睛的参与，一种没有

师：

对，在没有闭眼的情况下，眼睛也会参与这个控制。

眼睛会观察，并且时时根据大脑的期望调整落点。

因此，这两个控制系统过程虽相同，但是却是不同的控制系统。

1、闭环控制

师：

没有闭眼的控制，眼睛在控制中起到反馈作用。

这种控制叫做闭环控制。

定义：

输出量返回到输入端，并对控制过程产生影响的控制系统。

特点：

（1）、有反馈环节，并对被控量产生影响！

（2）、输入输出信息形成回路。

（3）、抗干扰效果好。

有反馈环节是闭环控制的重要特征，因此，我们也称它为反馈控制系统。

2、开环控制

师：

而闭眼过程就是开环控制。

没有眼睛的参与，控制系统中不能反馈调整。

定义：

输出量不对系统控制产生任何影响的控制系统。

特点：

（1）、是从“输入”到“输出”的信号单向传递。

（2）、“输出”结果只受最初“输入”结果的影响。

（3）、抗干扰效果差。

3、区分开环与闭环控制的方法：

（1）看是否有反馈及能否调整

（2）加入干扰，看能否调整

学生活动：

区分开闭环控制掷飞镖、骑自行车

第2节控制系统的组成和描述

1、控制系统的组成

案例：

骑自行车

师：

这是骑自行车的控制过程图

期望值——大脑——肢体——自行车——行驶方向（眼睛观察反馈调整）

师：

大脑就是控制系统中的控制器；肢体就是控制的执行器；力是控制量；自行车是被控对象；自行车方向是被控量；眼睛就是反馈环节。

控制器：

控制命令（信号）的发出部分。

——

执行器：

将控制器发出的信号转换成能影响被控对象信号的装置。

——

控制量：

能对被控对象产生作用，从而使被控量发生变化的量。

被控对象：

通过控制调整它来达成控制量的部分。

被控量：

控制目的

反馈环节：

将被控量的实际值反馈到输入端。

师：

控制系统的组成：

被控对象+两器、两量、一环节

两器：

控制器、执行器

两量：

被控量、控制量

一环节：

反馈环节

二、控制系统的描述——框图

师：

我们通常用框图来描述控制系统

比如开环控制系统框图：

给定值——控制器——执行器借助（控制量）来控制被控对象，以控制控制量。

闭环控制系统框图：

闭环控制中因为有反馈环节，因此，有一个比较器的部分。

比较器是对反馈环节回应的信息与原给定信息进行比对，从而不断修正的部分

第三节课

学生练习：

分析端乒乓球比赛

师：

这是端乒乓球比赛。

端乒乓球过程中的控制器、执行器、控制对象、反馈环节分别是什么？

一、控制中的干扰

师：

在我的框图中多了干扰（风）。

其实不管是哪类控制，总是会有干扰的。

并且，干扰可能存在于控制的每一个环节，而我们必须尽可能的客服干扰。

师：

1、在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？

为什么？

闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。

师：

如何有效克服控制中的干扰？

风对飞机飞行时的干扰？

为什么乒乓球、羽毛球比赛都在室内举行？

化学实验容易受到温度变化的影响怎么办？

二、控制系统设计的基本过程：

确定控制目的、确定输出量、明确输出量应达到的精度指标、选定开闭环、建立模型、确定待调参数、分析实验系统性能。

第四节课

学生实作内容：

“落球时长”竞赛

活动内容介绍：

学生分小组用老师提供的材料和工具在规定时间内设计、制作一个控制小玻璃球下落的装置，以小球从起始点无初速度释放直至最后脱离装置的时间长短为成绩，时间最长的组为优秀。

材料：

A4卡纸3张、塑料吸管10根、双面胶（8mm-10mm）1卷、透明胶条（8mm-10mm）1卷、胶棒1根、小玻璃球1个

工具：

剪刀、学生尺

规则：

1、在40分钟内完成结构的设计和整体制作、调整。

2、小球释放点与最终静止点间高度差不低于20cm。

3、小球释放时无初速度。

4、比赛过程中，如果小球脱离装置，以小球落地瞬间为停止计时点。

5、从小球释放瞬间开始计时，小球完全静止时停止计时，以小球运动的总时长为最终成绩。

6、测试开始时，由老师发令，学生自行释放小球，老师计时。