第四章   控制与设计

第一节   控制的手段与应用

教学目标：
　　1.通过分析社会各领域的具体例子，理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用。

　　2.通过学习，培养学生注意观察问题，发现问题，帮助学生了解控制的作用。

　　3.激发学生了解控制，研究控制的兴趣与热情。

　　4.理解控制的含义

教学重点：
　　理解控制的涵义。

教学难点：
　　理解控制的涵义。

教学过程：
引入：
　　提出本学期的教学计划，引导学生重视本学期的教学工作，做好会考的复习准备。
　　[录像]通过卓别林的《城市之光》录像片段，引入新课。

新课教学：
一、控制是普遍存在。

用一些典型的、生活中的例子让学生了解控制是普遍存在，对控制有初步的认识，打破其神秘感。
现代社会中的例子：
生产、生活中的例子（图片）
古代社会中的例子：
案例1：大禹治水（图片）
    请学生讲述《大禹治水》的故事并提出问题，让学生思考。
问题：大禹治水过程中，通过什么手段实现治理好水患的目的？
    通过“疏通河道，泄洪为主” 手段实现治理好水患的目的。
案例2：木牛流马
    请学生讲述《木牛流马》的故事：“（建兴）九年，亮复出祁山，以木牛运,粮尽退军，与魏将张郃交战，射杀郃。十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运。…”
据研究：木牛和流马是汉代独轮手推车的两种改进设计，通过改进使人的负重有所减轻。木牛是一种轮子稍小一些的独轮手推车，载重大，前由人拉、后由人推，运行较慢；流马载重小，轮子稍大一些，由一人推，运行速度很快。诸葛亮所说“木牛流马”应是比喻它们运行的灵便程度和载重量的大小：木牛行动较笨而慢，像牛；流马行动敏捷而快，像马。不是说它们外形像牛像马。
目的：帮助军队运送战略物资。
案例3：希罗自动门（图片）
希罗自动门的相关材料见教参P66或江苏版P107。
希罗自动门说明了什么道理？
道理是：利用气压和液压动力装置，实现自动开门、关门。
总结：事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。如果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。
那么，运用什么手段来实现呢？
（引入控制的概念）
二、控制的涵义
　　控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展的行为和过程。
　　结合事例（用音乐喷泉的事例），重点阐明控制的对象是什么；控制要达到什么目的；采取什么控制手段。

课本马上行动

控制事例	控制的对象	控制的目的	控制的手段
电风扇扇叶转速快慢的控制	电风扇	调节速度	换档
音响的音量控制	音响	音量的调节	旋钮
燃气热水器温度的控制	热水器	调节出水口温度的高低	改变燃气火头的大小
用喷雾器喷洒农药	喷雾器	给庄稼治病	操作喷雾器的手柄

[探究活动]
请同学们说说你在生活学习中所见到的应用控制的事例。
如：

学校：学校的音乐铃声、多媒体教学系统、足球场草地自动喷淋系统、体育馆的自动伸缩坐椅等。

家庭：冰箱、电饭煲、微波炉等。

社会：交通信号灯、电子警察、电梯、程控电话交换机等

三、控制的分类

从控制过程中人工干预的情形来分：

•人工控制：人工纺纱、普通自来水龙头，旋转按钮打开电灯、驾驶汽车等；

•自动控制：数控机床、饮料自动装罐生产线、花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换等

按照执行部件的不同，控制分为：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等

对于自动控制

按控制方式分为：开环控制、闭环控制和复合控制。

3、控制的应用 
控制的应用自古就有，并在近代得到迅速发展，在社会生产生活的各个领域都有极其广泛的应用。
通过事例说明控制在社会生产生活的各个领域的应用。
　　案例1：汽车自动化生产线。（图片）
　　案例2：农业现代化设施。（图片）
　　案例3：现代网络家电。（图片）

小结与练习：
　　1、控制是普遍存在。要求学生能列举事例。
　　2、控制的涵义。要求学生在理解的基础上掌握好其控制的涵义。
　　3、控制的应用。

第二节   控制系统的工作过程与方式

1．教材分析及教学设计介绍

　　本节课内容为本节的第四课时，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。

　　结构是设计的基础，流程是设计的方法，系统是设计的保障，控制是设计的关键。

　　本节课可使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，以电加热器的设计为例，实现发热、包层、控制、定时、过热保护等，这电加热器，大部分的学生都有一定的使用各损坏加热器的经验，作起来有一定的实践性。

【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的生活经历，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。

【教学目标】

知识与技能：

（1） 了解简单被控制对象的基本特征。画出系统方框图，形成初步设计方案

（2） 能设计制作一个控制方法，能进行模拟控制并调试。

过程与方法：通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。学习权衡的思想。

情感、态度和价值观：

（1） 通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。

（2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。

（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。

【重点与难点】

重点：控制系统设计的一般思路。

难点：闭环系统的设计。

关键：案例分析与方框图的绘制。

【教法设计】

（1）通过教师的引导和实例，探究控制系统设计与实施的含义。

（2）通过体验活动，结合学生生活经验，归纳总结控制系统设计与实施的方法。

（3）讲解设计的一般思路，要有所侧重，从众多的因素中选出重点的，不必面面俱到。

（4）通过实践改造活动，让学生感受和领悟，创新的设计思想，并引导学生思考实现合理的设计与控制还要考虑的因素。

【学法设计】

引导学生进行“问题式学习”，通过尝试——发现，探索——研究的过程来掌握本节课的知识，在老师的帮助下，把生活中的经验逐步与控制系统联系起来，通过动手实践、改造，亲身体会这种控制实施方法，体验成就感！

【教学资源准备】

以学生动手做与设计方框图为主，制作电吹风控制系统的视频，课件容纳一些视频和例子说明及方框图的展示。

【教学策略】

　  本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下：

（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。

（2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。

（3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。

（4）老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进行设计。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。

2．教案

【新课教学】

1、控制系统设计的一般思路

选择开环还是闭环：依据控制精度与条件。

被控对象特性的获取方法：往往难以直接得到，从输入与输出之间的关系，

若干个干扰因素的分析：找了影响最大的。

简单系统的控制：

执行器与检测器的选择：

设计图样等：

开环控制系统的设计

电风扇，电吹风的设计：

电风扇控制系统的设计：被控对象是电风扇，被控制量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速。设计的目的有：一是有定时关闭电风扇。二是有不同的风速。三是又定时，又有不同的风速。

案例分析：电吹风控制系统的设计（要先介绍一下电吹风的工作原理）

与学生一起分析，这个系统要达到的目的是什么？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？被控量的控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？经济实用？安全教育与设计。

可以选择熨斗，电加热棒，电褥子等进行分析，这些设备，学生有一些使用的经验，拿出来加以分析，还可以增加学生的安全意识。

2、 闭环控制系统的设计

    对于简单的闭环控制系统有如下的要求：

①     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系统的输出值与给定值要变化，而且在变化的范围内。

③有较好的抗干扰性能。

④ 几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。

案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。

设计目的与节水：

设计项目：

设计要求：

设计分析：

被控量，控制量，干扰量。分析设计思路。

绘制方框图：

知识与技能：

    让学生了解在设计的一般思路，应注意目的，控制量与被控量干扰因素。选择输入与输出的关系检测，执行器，检测器的选择。

让学生自行画出与设计方框图。

综合实践：近几年的冬天，总一些报道说，太阳能热水器出现冻坏的住户，请利用控制系统的知识，分析一下原因，并提出修改设计方案。

【课外拓展】

　　为了加深学生对知识的记忆、理解，鼓励学生全面的、辨证的分析问题。对生活中的一些个系统进行分析，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，对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。

 

 

第三节   闭环控制中的干扰与反馈

一、教学目标：

　　1、了解控制中存在干扰，学生能理解干扰的概念，掌握克服干扰的基本方法。

　　2、熟悉闭环控制系统中反馈环节的作用。
　　3 、了解功能模拟方法和黑箱方法。

　　4、通过内化干扰的知识，形成正确的对系统中干扰的认识，并建立稳定的控制系统认识态度。

二、教学重点与难点

教学重点：
　　1、了解实际控制系统中会存在干扰影响控制；
　　2、让学生能够分析简单控制系统中的干扰，理解克服干扰的基本原则，分析克服干扰的具体方法，并结合开环和闭环控制进行对比；

教学难点：
　　1、分析克服干扰的具体方法；
　　2、综合理解开环与闭环的优劣只是相对的，理解干扰不是全有害的。

三、教学过程：
引入：

一、复习与回顾

1、控制系统的组成部分是什么？

画出开环控制系统的框图。

提问学生，让学生在这基础上将框图补充为闭环控制系统图。

二、引出反馈的概念
1.什么是反馈？

•控制系统中，讲输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈（feedback）。

•2.反馈方法

•利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法。

事例	输入	检测装置	输出
“穿针引线”	线的位置	人的眼睛	线与针孔对准
投掷飞镖	靶的位置 (期望值)	眼睛	飞镖实际投掷的位置

三、 闭环控制系统的工作过程

     闭环控制系统就是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。

核心：通过反馈来减少被控量(输出量)的偏差。

四、干扰因素
【游戏引入】 真正的控制系统在运行的过程中还会存在很多的因素影响：
控制羽毛球降落游戏：
1、在正常条件下降落。
2、在有侧风的条件下降落。
问题：如果不按正常条件下的降落方式还能正中目标吗？为什么？
对比两种情况的异同：受外界影响，控制的行为受到影响。

（1）、干扰的概念
【涵义】：干扰就是对控制系统的行为造成影响的有害的信号及扰动，即除给定量外，引起被控量量值变化的各种因素。
要点：系统行为、被控量量值变化；引起变化的各种因素。

（2）、干扰对控制功能的影响
1、现实生活中的干扰的例子
A、外界光线对投影效果的干扰
（对周围的控制系统的分析，就近对课室投影的干扰分析，学生更有体验）
B、轮船行使中的干扰
（录像演示波浪对轮船的干扰）
C、汽车驾驶的干扰（录像演示干扰的一个方面）
（汽车行使中的干扰，比较常见，引导学生引发对交通控制的进一步思考，为后面的内容拓展到社会大环境设下伏笔）
2、思考与分析
（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。
（2）举出一些由于干扰而使控制系统受到影响的例子。
雨天交通 病毒攻击 手机干扰飞机

（3）、克服干扰的基本方法
如何消除侧风对羽毛球下落的干扰？（呼应前面举的干扰，进一步思考克服干扰的方法）
（一）克服的基本方法：
1、消除干扰
2、减弱干扰
3、提高控制系统性能
（二）小组讨论
分析下列控制中的干扰，请同学们以小组为单位，讨论如何克服该控制系统中的干扰并对对方组的抗干扰方法发表自己的看法：
第1、2大组：汽车驾驶
第3、4大组：轮船行使
（在学生讲解的同时演示教师对问题的解释）
汽车驾驶：
1、控制系统的克服措施：
刹车、转向、鸣喇叭；
2、针对干扰源的措施：
加强国民交通意识；
3、管理措施：
   交通部门设立道路隔离带、交通法加重对违章的处罚；
轮船行使：
1、环境因素：

2、管理措施：

第四节  控制系统的设计与实施

1．教材分析及教学设计介绍

　　本节课内容为本节的第四课时，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。

　　结构是设计的基础，流程是设计的方法，系统是设计的保障，控制是设计的关键。

　　本节课可使学生了解控制系统设计的一般思路和步骤，以电加热器的设计为例，实现发热、包层、控制、定时、过热保护等，这电加热器，大部分的学生都有一定的使用各损坏加热器的经验，作起来有一定的实践性。

【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的生活经历，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。

【教学目标】

知识与技能：

（1） 了解简单被控制对象的基本特征。画出系统方框图，形成初步设计方案

（2） 能设计制作一个控制方法，能进行模拟控制并调试。

过程与方法：通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。学习权衡的思想。

情感、态度和价值观：

（1） 通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。

（2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。

（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。

【重点与难点】

重点：控制系统设计的一般思路。

难点：闭环系统的设计。

关键：案例分析与方框图的绘制。

【教法设计】

（1）通过教师的引导和实例，探究控制系统设计与实施的含义。

（2）通过体验活动，结合学生生活经验，归纳总结控制系统设计与实施的方法。

（3）讲解设计的一般思路，要有所侧重，从众多的因素中选出重点的，不必面面俱到。

（4）通过实践改造活动，让学生感受和领悟，创新的设计思想，并引导学生思考实现合理的设计与控制还要考虑的因素。

【学法设计】

引导学生进行“问题式学习”，通过尝试——发现，探索——研究的过程来掌握本节课的知识，在老师的帮助下，把生活中的经验逐步与控制系统联系起来，通过动手实践、改造，亲身体会这种控制实施方法，体验成就感！

【教学资源准备】

以学生动手做与设计方框图为主，制作电吹风控制系统的视频，课件容纳一些视频和例子说明及方框图的展示。

【教学策略】

　  本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下：

（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。

（2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。

（3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。

（4）老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进行设计。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。

2．教案

【新课教学】

1、控制系统设计的一般思路

选择开环还是闭环：依据控制精度与条件。

被控对象特性的获取方法：往往难以直接得到，从输入与输出之间的关系，

若干个干扰因素的分析：找了影响最大的。

简单系统的控制：

执行器与检测器的选择：

设计图样等：

开环控制系统的设计

电风扇，电吹风的设计：

电风扇控制系统的设计：被控对象是电风扇，被控制量是电风扇输出的风速，控制量是电机的转速。设计的目的有：一是有定时关闭电风扇。二是有不同的风速。三是又定时，又有不同的风速。

案例分析：电吹风控制系统的设计（要先介绍一下电吹风的工作原理）

与学生一起分析，这个系统要达到的目的是什么？控制的对象是什么？被控对象有哪些特性？被控量的控制量分别是什么？外界的干扰因素是什么？经济实用？安全教育与设计。

可以选择熨斗，电加热棒，电褥子等进行分析，这些设备，学生有一些使用的经验，拿出来加以分析，还可以增加学生的安全意识。

2、 闭环控制系统的设计

    对于简单的闭环控制系统有如下的要求：

①     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系统的输出值与给定值要变化，而且在变化的范围内。

③有较好的抗干扰性能。

④ 几项要求有时产生矛盾，要平衡有侧重点的解决。

案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计。

设计目的与节水：

设计项目：

设计要求：

设计分析：

被控量，控制量，干扰量。分析设计思路。

绘制方框图：

知识与技能：

    让学生了解在设计的一般思路，应注意目的，控制量与被控量干扰因素。选择输入与输出的关系检测，执行器，检测器的选择。

让学生自行画出与设计方框图。

综合实践：近几年的冬天，总一些报道说，太阳能热水器出现冻坏的住户，请利用控制系统的知识，分析一下原因，并提出修改设计方案。

【课外拓展】

　　为了加深学生对知识的记忆、理解，鼓励学生全面的、辨证的分析问题。对生活中的一些个系统进行分析，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，对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。