第五节 控制系统方案的初步设计教学设计
第五节 控制系统方案的初步设计教案
第五节控制系统方案的初步设计一、教学内容分析：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。
本节是这单元的收尾部分，让学生了解控制系统设计的一般思路，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。
二、教学对象分析：学生对一些产品有一定的使用经验，通过控制系统的分析与设计，使学生生活中的一些应用实例，上升到一定的理论认识，从控制与设计的角度重新的认识。
三、教学目标：1. 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) 能根据控制系统的设计方法，制作一个控制装置；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。
2. 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。
3. 情感态度与价值观（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。
四、教学重难点：1.教学重点：（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画系统框图。
（2）能根据控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。
2.教学难点闭环系统的设计，被控量和控制量的确定，系统框图的绘制。
五、教学策略：（1）通过一些前沿的无人驾驶汽车的例子视频材料来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。
（2）寻找一些贴近学生生活实际和典型的案例，分析其控制的设计过程与方法。
六、教学资源准备：将学生提前分好组，四个人一个小组。
《控制系统方案的初步设计作业设计方案》
《控制系统方案的初步设计》作业设计方案一、设计背景控制系统是摩登工程中的重要组成部分，其设计方案的合理性和有效性对工程的性能和稳定性有着至关重要的影响。
本次作业设计旨在让学生通过初步设计一个控制系统方案，加深对控制系统原理和设计方法的理解，提高设计能力和实践操作技能。
二、设计内容1. 确定控制系统的目标：起首要明确设计控制系统的目标，包括控制对象、控制要求和性能指标等。
例如，设计一个温度控制系统，要求实现精准的温度控制，提高系统的稳定性和响应速度。
2. 确定控制系统的结构：根据目标要求和控制对象的特性，选择合适的控制系统结构，包括反馈控制、前馈控制、开环控制等。
结合控制对象的数学模型，确定控制系统的传递函数。
3. 设计控制器：根据控制系统的结构和传递函数，设计合适的控制器，包括比例控制器、积分控制器、微分控制器等。
通过调节控制器参数，实现系统的稳定性和性能指标。
4. 进行仿真实验：利用仿真软件或实验平台，对设计的控制系统方案进行仿真实验，验证系统的控制效果和性能指标是否达到设计要求。
5. 分析和总结：根据仿真实验结果，分析系统的控制效果和存在的问题，总结设计经验和改进方向，完善控制系统方案。
三、设计要求1. 设计方案要求符合控制系统的基本原理和设计方法，能够实现设计的控制目标和性能指标。
2. 设计方案要求具有一定的创新性和实用性，能够解决实际工程中的控制问题。
3. 设计方案要求能够清晰地表达设计思路和方法，包括系统的结构、控制器设计和仿真实验结果等。
4. 设计方案要求能够合理地分析和总结设计结果，提出改进方向和优化措施，完善控制系统方案。
四、设计流程1. 确定控制系统的目标和要求，选择控制对象和性能指标。
2. 根据控制对象的特性和数学模型，确定控制系统的结构和传递函数。
3. 设计控制器，包括比例控制器、积分控制器、微分控制器等。
4. 进行仿真实验，验证设计方案的有效性和性能指标。
5. 分析实验结果，总结设计经验，完善控制系统方案。
《控制系统方案的初步设计导学案-2023-2024学年高中通用技术地质版》
《控制系统方案的初步设计》导学案一、导学目标本导学案旨在帮助学生了解控制系统方案的初步设计过程，掌握控制系统设计的基本原理和方法，培养学生的系统思维能力和创新能力。
二、导学内容1. 控制系统的观点和分类2. 控制系统的基本组成和工作原理3. 控制系统的设计流程和方法4. 控制系统方案的初步设计步骤和要点三、导学步骤第一步：引入控制系统是指通过对被控对象施加控制，使其按照既定的要求运行的系统。
控制系统广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天等领域，是摩登自动化技术的重要组成部分。
控制系统的设计是一个复杂而又关键的过程，需要按照一定的步骤和方法进行。
第二步：观点诠释控制系统根据控制对象的性质和控制方式可分为连续控制系统和离散控制系统；根据控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统。
控制系统的基本组成包括传感器、执行器、控制器和被控对象，其中传感器用于采集被控对象的信息，控制器根据反馈信息调节执行器控制被控对象。
第三步：设计流程和方法控制系统的设计流程主要包括需求分析、系统建模、控制器设计、仿真验证和实际应用等步骤。
在设计过程中，需要充分思量被控对象的动态特性、环境条件和控制要求，选择合适的控制策略和参数，进行仿真验证和调试，最终实现控制系统的稳定性和性能优化。
第四步：初步设计步骤和要点1. 确定控制目标和性能指标：明确控制系统的目标和要求，包括稳定性、灵敏度、鲁棒性等指标。
2. 建立数学模型：根据被控对象的特性和控制需求，建立控制系统的数学模型，包括传递函数、状态空间方程等。
3. 选择控制策略和参数：根据数学模型，选择合适的控制策略和参数，如比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器等。
4. 进行仿真验证：利用仿真软件对设计的控制系统方案进行验证和调试，分析系统的稳定性和性能。
5. 实际应用和调试：将设计好的控制系统方案应用到实际系统中，并进行调试和优化，确保系统能够稳定运行并满足控制要求。
四、导学反馈通过本次导学，学生应能够掌握控制系统的基本观点和分类，了解控制系统的设计流程和方法，掌握控制系统方案的初步设计步骤和要点。
控制系统方案的初步设计
控制系统方案的初步设计一、引言控制系统是利用各种传感器和执行器来监测和控制特定过程或设备的技术体系。
一个控制系统方案的初步设计关乎到整个控制系统的性能和稳定性。
本文将介绍控制系统方案的初步设计的内容和步骤。
二、控制目标和需求分析在进行控制系统方案的初步设计之前，需要对控制目标和需求进行充分的分析和明确。
这包括对被控对象的特性、控制变量的选择、控制目标的界定、系统稳定性要求等方面的内容。
只有通过充分的目标和需求分析，才能确保控制系统方案的有效性和可行性。
三、系统建模和模型选择在进行控制系统方案的初步设计之前，需要进行系统的建模和模型的选择。
系统建模是将被控对象和控制器进行数学建模的过程，可以采用传统的数学建模方法或者基于数据的建模方法。
模型选择是指选择合适的系统模型，包括经典的连续时间模型、离散时间模型、状态空间模型等。
通过系统建模和模型选择，可以为控制系统的初步设计提供基础。
四、控制器的选择和设计控制器是控制系统中最核心的部分，控制系统方案的初步设计需要选择合适的控制器，并进行系统的控制器设计。
控制器的选择可以根据系统的特性和控制要求来确定，可以选择PID控制器、模糊控制器、模型预测控制器等。
控制器的设计需要根据系统的数学模型和控制目标进行，可以采用各种控制策略和优化方法来设计。
五、传感器和执行器的选择和配置控制系统方案的初步设计还需要选择合适的传感器和执行器，并进行系统的传感器和执行器的配置。
传感器用于测量被控对象的状态变量，执行器用于控制被控对象的控制变量。
选择合适的传感器和执行器可以提高系统的测量和控制性能，配置传感器和执行器可以提高系统的稳定性和可靠性。
六、系统仿真和优化在完成控制系统方案的初步设计之后，还需要进行系统的仿真和优化。
系统仿真可以通过建立系统的仿真模型，模拟系统在不同工况下的运行情况，评估控制系统的性能和稳定性。
通过仿真结果可以调整和优化控制系统的参数和配置，进一步提高控制系统的性能。
控制系统方案的初步设计
控制系统方案的初步设计【教学目标】1、知识与技能了解简单的被控制对象的基本特征，能确定被控量、控制量、画出控制系统的方框图，并形成初步的控制设计方案；根据控制系统的设计方案，制作一个控制装置。
2、过程与方法经历一个简单控制系统的设计过程。
初步掌握简单控制系统的设计方法和步骤3、情感、态度与价值观学会运用简单的控制方法解决现实生活中遇到的相关问题；培养认真严谨的态度和“以人为本”的设计理念。
【教学重点、难点】重点：掌握控制系统的设计方法，有效地将知识与设计实践相结合。
难点：方案的选择及实际问题的解决能力。
【教学设计过程】复习回顾:1、控制的三要素是什么？2、控制系统的框图表示：开环控制系统：闭环控制系统：新课讲授：问题的提出：长江以南地区处于亚热带地区，多雨,天气无常，而人们工作繁忙，时常无暇顾及雨水对家具、家电等物品的损害，造成经济损失。
能否设计一个雨天自动关窗系统呢？这样，人们工作在外，就不用担心雨水飘进家里了。
确定设计项目：雨天自动关窗系统。
一、明确设计目的1、雨天自动关窗系统控制的对象是什么？2、雨天自动关窗系统要达到怎样的控制效果？3、被控对象有哪些重要特征？被控量和控制量分别是什么？4、用方框图把分析的思路表达出来二、确定设计方案1、雨天自动关窗系统工作的基本原理①雨天自动关窗系统是如何进行控制的?通过各种途径了解雨天自动关窗系统的基本工作原理，列出各种可行方案②所设计的雨天自动关窗系统是选择开环还是闭环，自动还是手动。
③雨天自动关窗系统的工作过程：2、提出方案尽量多设计几种雨天自动关窗系统的方案。
3、确定设计方案通过比较、权衡，选择方案中的自动控制系统，并采用闭环控制系统。
三、选择实现方法1、机械结构的安装提供方案实施中的技术问题的多种解决方案让学生自己分析选择：（1）窗户的运动方式：平移、转动（2）电机与窗户连接方式：a、齿轮与齿条连接b、共轴连接c、滑轮绳子连接（3）湿度检测电路：湿敏电阻、自制湿度传感器四、方案的调试评估和改进制作完成以后，对制作的雨天自动关窗系统进行测试，最后对制作雨天自动关窗系统的设计设计方案进行优化。
高二通用技术 《控制系统方案的初步设计》教学案例
先让我们看一看传统的教学方法：课堂上教师照书念词，照图解说，空对空地问，空对空地答，45分钟的课堂教学就这样在沉闷枯燥的氛围中度过。先进一点的做一个PPT课件，或是一个FLASH动画，也难逃隔靴搔痒、云里雾里的命运，结果是教师痛苦，学生乏味，不求高效只求能通过省会考。这样，学生对本课的教学缺乏兴趣导致对通用技术课程的学习失去信心便是顺理成章的了。
乐高机器人易用、易于接受，机器人的制做都是徒手进行的，不需要借助其他任何工具。这一点使它非常容易被学生们接受，学生活动时可以很轻松的上手。学生们用它来实现一个设计可以只用很短的时间，这对于一节课45分钟来说是很有利的，学生在更改设计时从拆到装也可以在很短时间完成，这使学生们很快就可以看到他们的设计成果，对他们自己的设想能在很短时间得到反馈，这对学生的学习来说是很重要的。同时也在很大程度上减轻了教师教学的负担。
情感、态度和价值观：
通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。体会团队合作的精神和使用技术的责任感、使命感。体验科学探究的过程，激发学生对科学的求知欲和探究科学的勇气。培养勇于实践、勇于思考、勇于创新的精神和素质。
活动重点：
控制系统设计的一般思路，并通过三个学习任务，学生在合作学习的基础上，自行设计，共同分析问题、解决问题。
二、乐高教学平台与《通用技术》教学的“全程无缝啮合”
我们先来看一下课程的教学内容和特点：《通用技术》课程有两个必修模块，必修模块一强调的二个重点是：对技术的理解和对设计过程的把握。必修模块二有四个单元，它们分别是结构与设计、流程与设计、系统与设计和控制与设计。《通用技术》课程的特点是：创新性、技术性和实践性。
（3）工作原理：检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端； 是比较器，它将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在一定的范围内。
4.5 控制系统方案的初步设计-【新教材】地质版(2019)高中通用技术必修《技术与设计2》课件
问题思考
为避免意外声响对声控灯的干扰，你有什么好办法?
分析2:确定被控量与控制量
上面的基本特性分析已经明确:被控对象是灯泡，被控量实质上是电流——流过电灯的电流。输 出量就是被控量。
响应特性表明, c(t)跟上 r(t)达到稳态值，需经历一段时间(t2-t1) 。从达到稳态的角度 看,c(t)落后于r(t) 。这就是被控对象具有热惯性的体现。 (t2-t1)值越大，热惯性就越大， c(t)跟上r(t)就越慢。
这样的响应特性可以通过实验的方法测得，而不需用很多的仪器。测试的具体方法是:
一、如何形成初步的控制系统设计方案 案例1声控灯系统 声控灯是一个简单的开环控制系统。它的组成如图
4-27所示。
由图可见,声控灯与常规电灯相比，去掉了常规的手 操开关，增设了声传感器、控制器和常开(断开）触 点。其中，声传感器的灵敏度可设置为不同等级， 以适应不同场合使用的需要。
这样的声控灯系统是怎样设计出来的呢?
教材p120-p128
第五节控制系统方案的初步设计
技术设计的一般过程可归纳为:发现与明确问题、制订设计方案、制作模型或原型、优化设计方 案等。对于控制系统设计来说，有它的特殊性，即有许多具体的问题需要在方案设计之前弄清 楚。因此，本节围绕着如何形成控制系统设计方案这个中心问题，通过案例分析把握控制系统 方案初步设计的思路和方法。
引导问题:
(1)面对控制系统方案设计任务时,从哪儿入手? (2）控制系统中，一般由许多环节组成，你首要关注的是什么? (3）需要了解对象的基本特性吗? (4)控制系统中有许多变量,做假设时，首先要确定其中哪些变量呢? (5）选用开环控制或闭环控制的考虑根据是什么?(6）绘制控制系统框图，要注意表达哪些内容?
4.5控制系统初步设计导学案
第四章控制与设计第五节控制系统方案的初步设计（第一课时）【学习目标】1、了解控制系统设计所经历的几个阶段和每个阶段的各种任务。
2、经历简单的控制系统设计过程，体验控制系统设计的实际过程及其方法。
【重点难点】教学重点：控制系统设计所经历的每个阶段的各种任务及方框图的绘制。
教学难点：体验控制系统设计的实际过程及其方法。
【学习过程】参照以下知识点，根据学习目标，学生进行自主学习，独立思考，用红笔标注重难点和疑问点。
一、自主学习（一）、旧知回顾1、控制的含义人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。
2、控制系统的含义任何一个控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
控制系统的输入与输出之间有一定的对应关系。
3、控制的分类：从控制过程中人工干预的情形来分，控制可以分为人工控制和自动控制。
按照控制系统的控制方式不同将其分为：开环控制系统和闭环控制系统。
4、开环控制系统A、含义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
特征：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响；系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递。
B、开环控制系统的方框图输入量控制器执行器被控对象输出量控制量输入量：即控制系统的给定量。
控制量：即执行器的输出信号。
控制器：即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：即直接对被控对象进行控制的装置或元件。
被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。
输出量：即控制系统所要控制的量。
5、闭环控制系统A、含义：系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
特征：系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响；输出量到输入量之间的信号形成一个回路。
B、闭环控制系统方框图控制器执行器被控对象检测装置给定量被控量控制量比较器+-（二）、新知探究1、本节知识框架学案装订线内不要答题2、控制系统设计的一般思路明确控制目的——了解被控对象的基本特性——分析被控量和控制量——确定执行器和控制器——确定控制类型——选择元器件——制作、安装、调试、评价优化。
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（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。
（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。
学生们思考，避障车系统和红外线小车的区别，能够确定被控量与控制量，设计出基本方案并画出系统框图。
让学生们完成避障车系统的设计，深刻理解到控制系统方案设计的四个主要步骤。
这是一种需要反馈的系统，又称为闭环系统。那么什么时候选择闭环什么时候选择开环呢？
思考开环与闭环系统的区别
让学生理解闭环系统与开环系统的区别。
教学设计
课题名称
第五节 控制系统方案的初步设计
姓名
工作单位
学科年级
教材版本
地质版
一、教学目标设计（从学段课程标准中找到要求，并具体化为本节课的知识与技能、过程与方法、态度情感与价值观目标。要求明晰、具体、可操作性。）
1.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。
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。
本节是这单元的收尾部分，让学生了解控制系统设计的一般思路，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。
（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。
二、教学重难点（说明本课题的重点、难点）
1.教学重点：
（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画系统框图。
（2）能根据控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。
(2) 能根据控制系统的设计方法，制作一个控制装置；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。
2.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。
3.情感态度与价值观
（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。
九、教学反思
需要多让同学们踊跃发言，多多举例，真正的成为课堂的主人。
开环系统适用于较精确的系统设计，能够有效减小误差。
七、教学评价设计（创建量规，向学生展示他们将被如何评价（来自教师和小组其他成员的评价）。也可以创建一个自我评价表，这样学生可以用它对自己的学习进行评价）
同学们对这节课很有兴趣，但是有的同学动手能力差一点，小组协作学习效果很好
融合了PPT和机器人进入课堂，让学生更好的理解这节课，兴趣很高。
理解系统方案设计的基本步骤与方法。
在我们基本确定了这些信息之后，可以画出红外线小车的系统框图。这是一个需要反馈的系统，也叫闭环系统。
理解并可以画出红外线小车的系统框图。
学生思考并设计怎么运用触碰传感器来使小车躲避障碍物，学生通过动手实践，来拼装小车，并把传感器连接上，使小车通过触碰传感器来达到没有遇到障碍物小车一直直行，遇到障碍物，小车转向后直行
2.教学难点
闭环系统的设计，被控量和控制量的确定，系统框图的绘制。
三、学情分析（分析学生的知识起点、技能起点和态度起点）
学生对一些产品有一定的使用经验，通过控制系统的分析与设计，使学生生活中的一些应用实例，上升到一定的理论认识，从控制与设计的角度重新的认识。
四、教学内容分析（简要说明本节课的主要学习内容）
学生们思考
看ppt，红外线小车系统组成结构图。
学生理解红外线小车的系统工作原理
引发学生们思考，思考无人驾驶车和普通汽车的区别，能够从问题入手，去思考如何解决问题、设计方案。
那么红外线小车，是怎么设计出来的呢？首先我们了解被控对象的性质，确定被控量和控制量，制定出来方案。带领学生梳理红外线小车的被控量与控制量。
观看无人驾驶汽车的视频，其中包括了很多控制系统设计的知识，注意观察。
观看视频
让同学们感受到技术给人们生活带来的方便。并发现其中涉及到控制系统方案的设计有哪些？
刚才看到视频，人们的生活越来越方便，技术不断推动我们社会进步。我们选择无人驾驶汽车怎样检测身边事物，躲避事物为例，它的工作原理是怎样的呢？我们平时驾车，是通过人眼观察，而自动小车需要检测前方是否有障碍物并学会躲避，为了精准，我们选择ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ红外传感器来检测障碍物
六、教学过程设计
教师活动
学生活动
设计意图
我们知道，任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统，称为控制系统。
（控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。）
控制系统在日常生活中有着广泛的应用，你接触到的都有哪些呢？
同学们举例
让同学们感受到控制系统无处不在，并且方便着我们的生活。