高中通用技术苏教版控制系统的设计与实施

第四单元控制与设计第四节控制系统的设计与实施《控制系统的设计与实施》是控制与设计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。这一节的教学不仅需要学生对开环控制系统和闭环控制系统的工作过程和工作原理有较好的了解，还需要熟悉控制系统的组成和各环节的作用。因此，在整个单元中本节的教学具有总结、巩固和提高的作用。教材分析教学目标知识与技能：1.了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。2.能根据开环控制系统的设计方法，或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。过程与方法：通过对电吹风和抽水马桶案例的分析，掌握形成初步的控制系统设计方案的思想方法。情感态度与价值观：通过自动升旗简易控制装置的设计，培养不断改进设计方案的意识，体验控制的乐趣。重点和难点重点：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。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。

经过前面内容的学习，学生比较清楚控制系统中的各个组成环节，对于一些简单的控制已经能画出方框图，但是在专业知识方面还是比较欠缺，所以很难形成完整的设计方案，特别是在课堂上制作出实际的控制装置更为困难。学情分析

主要通过案例分析的方法联系生活实际展开教学教学方法教学过程直接引入2开环控制系统的设计(电吹风）控制系统设计的一般思路

升旗简易控制装置的设计12闭环控制系统的设计（抽水马桶水箱)345（一）开环控制系统的设计【案例分析】电吹风控制系统的设计系统目的：根据不同档位输出不同种类的风被控对象：被控量：控制量：干扰因素：电吹风风的速度和温度电机电压房间温度、电压电压的波动（一）开环控制系统的设计控制工作过程：电吹风将其内部电热丝的热量通过一个小风扇扩散出去设定电吹风的挡位（输入）电机、风扇、电热丝风的速度和温度（输出）讨论：普通电风扇控制系统的设计（一）开环控制系统的设计被控对象：被控量：控制量：电风扇电风扇输出的风速电动机的转速（二）闭环控制系统的设计【案例分析】抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。设计要求：当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。设计分析：根据设计要求，选择闭环控制系统。被控对象:

被控量:

控制量:主要干扰因素:（二）闭环控制系统的设计抽水马桶的水箱抽水马桶水箱水位的高度进水管的水流量（即进水量）水箱的出水流量。（二）闭环控制系统的设计方案构思：水位高度的检测装置——浮球当水箱的水位低于某个高度时，出现了水位差，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；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。给定水位（设定值）杠杆(控制器）进水阀门(执行器）浮球(检测装置）水箱(被控对象）进水量水箱水位（被控量）﹢﹣

在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？（二）闭环控制系统的设计讨论：（二）闭环控制系统的设计闭环控制系统的要求：(1)系统必须是稳定的。一是工作时要稳定，二是干扰出现时要稳定，这个稳定是通过调节而出现的稳定。(2)控制精度要符合要求,即系统的输出值与给定值之差应控制在允许的范围之内。(3)有较好的抗干扰性能。控制系统的设计设备、元件等控制系统的方案选择分析被控对象的主要特征明确控制的目的确定被控量、控制量分析主要的干扰因素。。。。。。一、控制系统设计的一般思路

在控制系统的设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式（暗箱方法）。

分析被控对象的主要特性确定被控量、控制量

被控量和控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量。分析主要的干扰因素

一个控制系统中可能同时存在若干个干扰因素，需要分清主次，找出对系统影响最大的干扰因素。

控制系统的方案选择

为达到实现控制的目的，应采用易于实现的控制方式，降低控制成本、减少对环境的负面影响等。（1）要根据实际设计对控制精度的要求以及条件的可行性来确定是用开环控制系统还是闭环控制系统来实现最终所要达到的目的。（2）画出控制系统方框图。（3）画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸，撰写设计说明书等。明确了以上问题之后：作业：画出“自行车——发电——电视机”这一过程的方框图分析其中的技术和原理二、控制系统的设计与实施案例【案例分析】升旗简易控制装置的设计设计要求：在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端。选择适当的控制方案实现控制。选用成本低，易于获取的元件、设备和材料。二、控制系统的设计与实施案例设计分析：采用开环控制系统被控对象：国旗被控量：上升的速度控制量：电动机的转动与停止（或速度）二、控制系统的设计与实施案例二、控制系统的设计与实施案例提出方案：（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、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，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。方案A的特点：在控制上采用机械装置，对电子知识要求不高,但启动时不容易同步。二、控制系统的设计与实施案例提出方案：（方案B）1、采用成品的电子定时器、直流电源、滑轮等元器件实现。2、用电子定时器代替机械定时器，其他与方案A相同。特点：此方案同样有启动不容易同步的问题，但定时器的精度较高。二、控制系统的设计与实施案例提出方案：（方案C）1、采用自制的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元器件实现。2、将自制的电子定时器、直流电源和带有可调速电路的电动机串联在一个回路中。特点：可以增加学生的知识面，但需要补充电子线路的知识，比较费时，课时难以保证。二、控制系统的设计与实施案例提出方案（方案D）1、采用CＤ唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元器件和设备。２、从CD唱机中引出音频信号，将ＣＤ唱机（含有触发电路）、直流电源和电动机串联在电路中。特点：不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，能减少时间上的误差。二、控制系统的设计与实施案例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、测得国歌播放的时间和旗杆的长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动机的转速，选择滑轮的直径。