4.3簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)教案-高中通用技術(shù)粵科版必修技術(shù)與設(shè)計(jì)2

通用技術(shù)必修技術(shù)與設(shè)計(jì)2第四章控制及其設(shè)計(jì)第三節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)教學(xué)背景黨的二十大報(bào)告指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略”。通用技術(shù)是一門與科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)的學(xué)科?；仡櫲祟惖陌l(fā)展歷程，從石器時(shí)代、青銅時(shí)代、蒸汽機(jī)時(shí)代直到當(dāng)今的信息時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步改變著人類的生活和生產(chǎn)方式。我們的生活、工作、生產(chǎn)處處都要用到技術(shù)，例如我們手中拿的圓珠筆和鋼筆就是多次技術(shù)改造的結(jié)果，使我們足不出戶就可以了解世界的電視機(jī)也是技術(shù)發(fā)明的成果。認(rèn)識技術(shù)、善用技術(shù)，已成為現(xiàn)代人必須具備的素質(zhì)。教學(xué)目標(biāo)：能進(jìn)行簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并制作一個(gè)簡單的控制裝置、能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。能正確閱讀所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目電路圖、元件圖，并形成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。經(jīng)歷將基礎(chǔ)知識應(yīng)用于技術(shù)實(shí)踐和創(chuàng)新的過程，同學(xué)們會養(yǎng)成實(shí)事求是、精益求精的習(xí)慣，能運(yùn)用規(guī)范的技術(shù)語言和設(shè)計(jì)制作方法去解決一些實(shí)際的技術(shù)問題。教材分析本節(jié)內(nèi)容是對本章知識的具體應(yīng)用，要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程。然后利用前面所學(xué)知識根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)。要求學(xué)生熟悉所用到的材料的屬性和常用工具的使用方法。學(xué)生情況由于學(xué)生對電子電路比較陌生，不太了解電子元器件的特性，對于電子電路圖和電路的焊接也不熟悉，因此需要教師在實(shí)踐活動開始前，先進(jìn)行相關(guān)知識的講解。學(xué)情分析:學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)中已經(jīng)了解了控制的應(yīng)用，初步認(rèn)識了開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是學(xué)生仍缺乏從技術(shù)上辨析開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的能力。對一個(gè)具體控制案例，很難準(zhǔn)確判定控制器執(zhí)行器和被控對象等環(huán)節(jié)。教學(xué)重難點(diǎn):重點(diǎn):制訂設(shè)計(jì)項(xiàng)目的方案。難點(diǎn):根據(jù)制定的方案，進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施。教學(xué)策略:本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過實(shí)物圖片和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過程中自主探究、自主建構(gòu)設(shè)計(jì)原則知識并形成能力。教學(xué)準(zhǔn)備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過程:情景導(dǎo)入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)通用技術(shù)必修技術(shù)與設(shè)計(jì)2第四章控制及其設(shè)計(jì)第三節(jié)簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。飲水機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷脑O(shè)備，一般的飲水機(jī)設(shè)計(jì)筒潔、操作簡單，實(shí)用性高。但有些飲水機(jī)的設(shè)計(jì)沒有考慮到兒童在使用時(shí)，可能會誤操作將熱水閥門打開而導(dǎo)致被燙傷的情況。某公司的飲水機(jī)設(shè)計(jì)師為了解決這個(gè)問題，為飲水機(jī)多加了一個(gè)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)稱為熱水鎖，在取熱水時(shí)，必須先按熱水鎖，然后再打開熱水網(wǎng)，飲水機(jī)才能出熱水。關(guān)閉熱水網(wǎng)后，熱水鎖自動復(fù)位，下一次取水重復(fù)上述動作。由于增加了取熱水的操作環(huán)節(jié)，大大降低了由于兒童誤操作造成的傷害?？梢?，一個(gè)簡單的控制，也可解決很多實(shí)際問題。導(dǎo)學(xué)思考觀察身邊的事物，你能設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，從而改善系統(tǒng)的功能嗎?一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)特例，所以我們前面學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)基本原則仍然適用。第一步，確定控制目的。如速度控制系統(tǒng)是為了達(dá)到理想的速度，溫度控制系統(tǒng)是為了獲得合適的溫度等。第二步，確定系統(tǒng)的被控量，即控制系統(tǒng)要控制什么。一般情況下，系統(tǒng)的控制目的就是系統(tǒng)的被控量。如速度控制系統(tǒng)的被控量是速度，溫度控制系統(tǒng)的被控量是溫度。但有些控制系統(tǒng)的控制目的與系統(tǒng)的被控量可能不同，如為了控制某種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度，我們可能控制的是反應(yīng)時(shí)的溫度；為了減少（控制）高速公路上的交通事故，我們可能控制的是公路上的車速。所以，在明確控制目的的同時(shí)，要認(rèn)真分析為達(dá)到控制目的,我們實(shí)際需要控制什么量，就是被控量的確定。第三步，明確系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。如控制的精度要求、控制的適應(yīng)性要求（涉及是自動控制還是手動控制）及系統(tǒng)的造價(jià)等。第四步，根據(jù)前面的要求和參數(shù)，確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。我們可以根據(jù)需要選擇開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。執(zhí)行器的選擇與被控對象有關(guān)，如對電機(jī)進(jìn)行速度控制的系統(tǒng)，由于被控對象就是電機(jī)，所以執(zhí)行器可以是繼電器，如在溫度控制系統(tǒng)中，產(chǎn)生溫度的部件可能是電熱絲、燈泡甚至燃?xì)庋b置。這些都可以作為產(chǎn)生熱量的被控對象，對應(yīng)的執(zhí)行器可以是繼電器或燃?xì)饪刂崎y等。第五步，建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的模型。大型、復(fù)雜的控制系統(tǒng)分析和仿真都依賴于模型的建立，對于簡單的控制系統(tǒng)可直接通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能。第六步，確定待調(diào)參數(shù)。不管是對模型進(jìn)行仿真還是進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，我們都要找出最能影響系統(tǒng)性能的一些參數(shù)作為仿真或?qū)嶒?yàn)時(shí)觀察、調(diào)整的對象，通過對它們的調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到最住的性能。第七步，測試系統(tǒng)的性能。如果通過調(diào)節(jié)待調(diào)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到了期望的性能，設(shè)計(jì)工作就結(jié)束；否則，就要修改設(shè)計(jì)，包括改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)甚至放寬指標(biāo)要求等。圖429描述了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程。二、設(shè)計(jì)實(shí)例1.明確設(shè)計(jì)目的一個(gè)實(shí)用的LED數(shù)碼顯示器通常由多位數(shù)碼管組成，如圖431，但該設(shè)計(jì)只使用一個(gè)數(shù)碼管，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，完成09的顯示。2.確定被控量及設(shè)計(jì)指標(biāo)我們采用LED作為發(fā)光元件，顯示的數(shù)宇是以光的形式展現(xiàn)，所以該設(shè)計(jì)的被控量就是LED數(shù)碼管各段的亮度，且只有亮、滅兩種狀態(tài).3.確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過上述步驟，我們就可以根據(jù)具體的要求來確定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。怎控制LED數(shù)碼管8個(gè)段的亮、滅是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)、手動和自動等形式，你決定采取哪種形式呢?討論1.你能寫出幾種實(shí)現(xiàn)方案?2.你的方案與其他同學(xué)的方案相比有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?3.你的方案可行嗎?（如材料是否容易得到、加工是否容易、造價(jià)是否合理等）4.選揮實(shí)現(xiàn)方法。讓LED數(shù)碼管顯示特定數(shù)碼最簡單的方法就是采用機(jī)械開關(guān)進(jìn)行手動控制。假設(shè)我們要顯示數(shù)字“3”，且采用圖430所示的共陽極數(shù)碼管，由數(shù)碼管各段的排列分布可知，顯示“3”應(yīng)使A、B、C、D、G段發(fā)光，所以開關(guān)與LED數(shù)碼管的連接如圖42所示。實(shí)踐1.自己動手設(shè)計(jì)連接能里示其他教字的控制電路。2.如果采用共陰極數(shù)碼管，圖432成怎群修改?3.根據(jù)圖432，完成表44。表44數(shù)碼顯示控制系統(tǒng)系就名稱系統(tǒng)名稱控制器控制量被控對象被控量控制類型控制方式數(shù)碼顯示5.部件模型及主要參數(shù)的確定對一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，先要對系統(tǒng)中的各部分建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行一些理論分析和仿真。當(dāng)系統(tǒng)較為簡單時(shí)，我們可以先通過簡單的運(yùn)算，得到一些必要的參數(shù)，然后用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)試，校正系統(tǒng)的工作狀態(tài)，直到滿意為止。對于本設(shè)計(jì)，需要確定的參數(shù)是供電電源的電壓和電阻的阻值及功率。對于紅色LED數(shù)碼管，正常發(fā)光的電壓一股為1.82V，工作電流可取10mA左右，所以電源電壓要大于2V，這里我們用較為常見的9V層疊電池。確定好供電電壓后，就要計(jì)算電阻R的阻值和功率。由于LED數(shù)碼管的工作電壓和電流的限制，我們不能把9V的電源直接接到LED數(shù)碼管兩端，這樣會造成流過LED數(shù)碼管的電流過大而使其損壞。6.驗(yàn)證、完成你的設(shè)計(jì)確定了設(shè)計(jì)方案，并按選定的控制方法驗(yàn)證了各部分的工作后，就可以將它們組裝起來。在《普通高中教科書通用技術(shù)必修技術(shù)與設(shè)計(jì)1》中，我們學(xué)習(xí)了各種設(shè)計(jì)和交流的方法，應(yīng)盡可能做到:(1)用計(jì)算機(jī)繪制名部分的原理圖及安裝圖。(2)設(shè)計(jì)系統(tǒng)制作的工作流程。(3)完成整個(gè)設(shè)計(jì)。7.評估你的設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)后，為了測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目的，還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評估:(1)系統(tǒng)是否安全，可靠?能否按設(shè)計(jì)的要求工作?(2)其他同學(xué)對你的設(shè)計(jì)有什么看法?(3)整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)是多少?(4)如果有更多的時(shí)間，你會對其做哪些改進(jìn)?(5)為你的設(shè)計(jì)寫一份使用說明書。8.優(yōu)化你的設(shè)計(jì)上面的設(shè)計(jì)對我們學(xué)習(xí)、理解LED數(shù)碼管的工作原理和工作方式很有意義，但由于一次連線只能顯示一個(gè)數(shù)字，實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值有限。我們怎樣將它做得更實(shí)用、更智能呢?這就要用到電了技術(shù)的一些知識，圖433是采用4511專用集成電路控制1位數(shù)碼管的原理圖，這個(gè)電路可以通過四個(gè)開關(guān)的組合來控制數(shù)碼管的顯示，是不是比起前面的設(shè)計(jì)靈活性高了很多?探究1.圖433的數(shù)碼管為什么不像圖432那樣只在公共端接一個(gè)電阻，而是在每一段都接有一個(gè)電阻?2.圖433的數(shù)碼管是共陽極還是共陰極的?如果我們想使設(shè)計(jì)更具實(shí)用性、智能化，就要采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖434給出了采用AT89C51單片機(jī)控制的2位數(shù)碼管顯示電路，由于單片機(jī)可以通過軟件編程控制數(shù)碼管的顯示，所以可以實(shí)現(xiàn)如電了鐘、計(jì)算器、計(jì)數(shù)器等很多實(shí)用的功能，感興