4.3 简单控制系统的设计 教案-2023-2024学年高中通用技术粤科版（2019）必修 技术与设计2

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通用技术 必修 技术与设计2
第四章　控制及其设计
第三节 简单控制系统的设计
教学背景
党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”。
通用技术是一门与科学技术息息相关的学科。回顾人类的发展历程，从石器时代、青铜时代、蒸汽机时代直到当今的信息时代，技术进步改变着人类的生活和生产方式。我们的生活、工作、生产处处都要用到技术，例如我们手中拿的圆珠笔和钢笔就是多次技术改造的结果，使我们足不出户就可以了解世界的电视机也是技术发明的成果。认识技术、善用技术，已成为现代人必须具备的素质。
教学目标：
能进行简单的控制系统的设计，并制作一个简单的控制装置、能够对设计方案进行优化。
能正确阅读所设计的项目电路图、元件图，并形成良好的设计习惯。
经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，同学们会养成实事求是、精益求精的习惯，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。
教材分析
本节内容是对本章知识的具体应用，要求学生掌握控制系统设计的基本流程。然后利用前面所学知识根据实际需要设计一个简单的控制系统，在理论的指导下进行实例设计。要求学生熟悉所用到的材料的属性和常用工具的使用方法。
学生情况
由于学生对电子电路比较陌生，不太了解电子元器件的特性，对于电子电路图和电路的焊接也不熟悉，因此需要教师在实践活动开始前，先进行相关知识的讲解。
学情分析:
学生在前面的学习中已经了解了控制的应用，初步认识了开环控制系统和闭环控制系统。但是学生仍缺乏从技术上辨析开环控制系统和闭环控制系统的能力。对一个具体控制案例，很难准确判定控制器执行器和被控对象等环节。
教学重难点:
重点:制订设计项目的方案。
难点:根据制定的方案，进行项目的实施。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物图片和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中自主探究、自主建构设计原则知识并形成能力。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习通用技术 必修 技术与设计2第四章控制及其设计
第三节 简单控制系统的设计。
饮水机是人们日常生活中常见的设备，一般的饮水机设计筒洁、操作简单，实用性高。但有些饮水机的设计没有考虑到儿童在使用时，可能会误操作将热水阀门打开而导致被烫伤的情况。
某公司的饮水机设计师为了解决这个问题，为饮水机多加了一个开关，这个开关称为热水锁，在取热水时，必须先按热水锁，然后再打开热水网，饮水机才能出热水。关闭热水网后，热水锁自动复位，下一次取水重复上述动作。由于增加了取热水的操作环节，大大降低了由于儿童误操作造成的伤害。可见，一个简单的控制，也可解决很多实际问题。
导学思考
观察身边的事物，你能设计一个简单的控制系统，从而改善系统的功能吗
一、控制系统设计概论
控制系统设计是工程设计的一个特例，所以我们前面学习的设计基本原则仍然适用。
第一步，确定控制目的。如速度控制系统是为了达到理想的速度，温度控制系统是为了获得合适的温度等。
第二步，确定系统的被控量，即控制系统要控制什么。一般情况下，系统的控制目的就是系统的被控量。如速度控制系统的被控量是速度，温度控制系统的被控量是温度。但有些控制系统的控制目的与系统的被控量可能不同，如为了控制某种化学反应的反应速度，我们可能控制的是反应时的温度；为了减少（控制）高速公路上的交通事故，我们可能控制的是公路上的车速。所以，在明确控制目的的同时，要认真分析为达到控制目的,我们实际需要控制什么量，就是被控量的确定。
第三步，明确系统各项指标。如控制的精度要求、控制的适应性要求（涉及是自动控制还是手动控制）及系统的造价等。
第四步，根据前面的要求和参数，确定控制系统的结构。我们可以根据需要选择开环或闭环控制系统。执行器的选择与被控对象有关，如对电机进行速度控制的系统，由于被控对象就是电机，所以执行器可以是继电器，如在温度控制系统中，产生温度的部件可能是电热丝、灯泡甚至燃气装置。这些都可以作为产生热量的被控对象，对应的执行器可以是继电器或燃气控制阀等。
第五步，建立系统各环节的模型。大型、复杂的控制系统分析和仿真都依赖于模型的建立，对于简单的控制系统可直接通过实验检验系统的性能。
第六步，确定待调参数。不管是对模型进行仿真还是进行系统实际实验，我们都要找出最能影响系统性能的一些参数作为仿真或实验时观察、调整的对象，通过对它们的调整，使系统达到最住的性能。
第七步，测试系统的性能。如果通过调节待调参数使系统达到了期望的性能，设计工作就结束；否则，就要修改设计，包括改进系统结构甚至放宽指标要求等。图4-29描述了控制系统设计的基本流程。
二、设计实例
1.明确设计目的
一个实用的LED数码显示器通常由多位数码管组成，如图4-31，但该设计只使用一个数码管，通过适当的设计，完成0- 9的显示。
2.确定被控量及设计指标
我们采用LED作为发光元件，显示的数宇是以光的形式展现，所以该设计的被控量就是LED数码管各段的亮度，且只有亮、灭两种状态.
3.确定系统结构
通过上述步骤，我们就可以根据具体的要求来确定控制系统的结构。怎控制LED数码管8个段的亮、灭是该设计的关键。控制系统有开环和闭环、手动和自动等形式，你决定采取哪种形式呢
讨论
1.你能写出几种实现方案
2.你的方案与其他同学的方案相比有哪些优点和缺点
3.你的方案可行吗 （如材料是否容易得到、加工是否容易、造价是否合理等 ）
4.选挥实现方法。
让LED数码管显示特定数码最简单的方法就是采用机械开关进行手动控制。假设我们要显示数字“3”，且采用图4-30所示的共阳极数码管，由数码管各段的排列分布可知，显示“3”应使A、B、C、D、G段发光，所以开关与LED数码管的连接如图4-2所示。
实践
1.自己动手设计连接能里示其他教字的控制电路。
2.如果采用共阴极数码管，图4-32成怎群修改
3.根据图4-32，完成表4-4。
表4-4数码显示控制系统
系就名称
系统名称 控制器 控制量 被控对象 被控量 控制类型 控制方式
数码显示
5.部件模型及主要参数的确定
对一个复杂的控制系统，在确定了系统结构后，先要对系统中的各部分建立对应的数学模型，然后进行一些理论分析和仿真。当系统较为简单时，我们可以先通过简单的运算，得到一些必要的参数，然后用实验的方法调试，校正系统的工作状态，直到满意为止。
对于本设计，需要确定的参数是供电电源的电压和电阻的阻值及功率。对于红色LED数码管，正常发光的电压一股为1.8-2V，工作电流可取10mA左右，所以电源电压要大于2V，这里我们用较为常见的9 V层叠电池。确定好供电电压后，就要计算电阻R的阻值和功率。由于LED数码管的工作电压和电流的限制，我们不能把9V的电源直接接到LED数码管两端，这样会造成流过LED数码管的电流过大而使其损坏。
6.验证、完成你的设计
确定了设计方案，并按选定的控制方法验证了各部分的工作后，就可以将它们组装起来。在《普通高中教科书 通用技术 必修 技术与设计1》中，我们学习了各种设计和交流的方法，应尽可能做到:
(1)用计算机绘制名部分的原理图及安装图。
(2)设计系统制作的工作流程。
(3)完成整个设计。
7.评估你的设计
完成设计后，为了测试系统设计是否达到预期目的，还需要从以下几个方面进行评估:
(1)系统是否安全，可靠 能否按设计的要求工作
(2)其他同学对你的设计有什么看法
(3)整个系统的造价是多少
(4)如果有更多的时间，你会对其做哪些改进
(5)为你的设计写一份使用说明书。
8.优化你的设计
上面的设计对我们学习、理解LED数码管的工作原理和工作方式很有意义，但由于一次连线只能显示一个数字，实际的应用价值有限。我们怎样将它做得更实用、更智能呢 这就要用到电了技术的一些知识，图4-33是采用4511专用集成电路控制1位数码管的原理图，这个电路可以通过四个开关的组合来控制数码管的显示，是不是比起前面的设计灵活性高了很多
探究
1.图4-33的数码管为什么不像图4-32那样只在公共端接一个电阻，而是在每一段都接有一个电阻
2.图4-33的数码管是共阳极还是共阴极的
如果我们想使设计更具实用性、智能化，就要采用单片机进行设计。图4-34给出了采用AT89C51单片机控制的2位数码管显示电路，由于单片机可以通过软件编程控制数码管的显示，所以可以实现如电了钟、计算器、计数器等很多实用的功能，感兴趣的同学可以试一试。
讨论、思考、形成小论文。
每位同学组织一篇小作文，可以从不同的方面进行展开。
完成后，与同学们进行讨论、分享。
课后作业
1.试着设计一个路灯自动开关控制系统，使路灯能够在黑夜自动打开，在白天自动关闭。
2.给自行车设计一个里程计，写出你希望达到的功能和合适的设计方案。
3.利用学过的控制及其设计知识，发挥自己的想象，设计一个有创意的、包含控制功能的物品。

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