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【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。

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。

《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领域中的重要组成部分，它能够实现对各种系统的自动控制和调节，提高生产效率、质量和安全性。

因此，控制系统的设计显得尤为重要。

本次作业旨在通过对控制系统方案的初步设计，让学生掌握控制系统设计的基本原理和方法。

二、设计目标：1. 熟悉控制系统设计的基本流程和方法；2. 掌握控制系统设计中的常用工具和技术；3. 能够针对具体问题进行控制系统的初步设计。

三、设计内容：1. 确定系统需求：起首确定所设计系统的具体需求，包括控制对象、控制目标、性能指标等。

2. 确定控制策略：根据系统需求，选择合适的控制策略，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。

3. 建立数学模型：对控制对象进行建模，建立系统的数学模型，用于后续的分析和设计。

4. 进行系统分析：对系统进行稳定性分析、性能分析等，评估系统的控制效果。

5. 进行仿真实验：利用仿真工具进行系统的仿真实验，验证设计方案的有效性。

6. 撰写设计报告：撰写控制系统方案的设计报告，详细介绍设计过程、结果和结论。

四、设计步骤：1. 确定控制对象：以小型水箱温度控制系统为例，控制对象为水箱内的温度。

2. 确定控制目标：控制水箱内的温度在设定值附近波动，保持稳定。

3. 确定控制策略：选择PID控制策略进行控制。

4. 建立数学模型：根据热力学原理建立水箱温度控制系统的数学模型。

5. 进行系统分析：对系统进行稳定性分析、性能分析，确定控制参数。

6. 进行仿真实验：利用MATLAB等仿真工具进行水箱温度控制系统的仿真实验。

7. 撰写设计报告：撰写控制系统方案的设计报告，包括系统需求、控制策略、数学模型、系统分析结果和仿真实验结果。

五、设计评估：通过对控制系统方案的初步设计，学生能够深入了解控制系统设计的基本原理和方法，提高控制系统设计的能力和水平。

六、作业要求：1. 按照设计步骤完成控制系统方案的初步设计；2. 提交控制系统方案的设计报告，包括设计过程、结果和结论；3. 按时完成作业，保证作业质量。

《控制系统方案初步设计方法的谈论》导学案第一课时一、导言控制系统方案设计是控制工程领域中分外重要的一环，它直接影响到整个系统的性能和稳定性。

本次导学案将盘绕控制系统方案初步设计方法展开谈论，援助同砚精通设计的基本原理和方法。

二、进修目标1. 了解控制系统方案设计的基本观点和流程。

2. 精通控制系统方案初步设计的方法和步骤。

3. 能够运用所学知识，进行控制系统方案的初步设计。

三、进修内容1. 控制系统方案设计的观点和重要性。

2. 控制系统方案初步设计的步骤和方法。

3. 实例分析：某控制系统方案的初步设计过程。

四、进修步骤1. 进修控制系统方案设计的基本观点和重要性。

- 通过谈论控制系统方案设计在控制工程中的地位和作用，引导同砚熟识到设计的重要性。

- 指导同砚了解控制系统方案设计对系统性能和稳定性的影响。

2. 进修控制系统方案初步设计的步骤和方法。

- 讲解控制系统方案初步设计的详尽步骤，包括需求分析、系统建模、方案设计等。

- 引导同砚精通控制系统方案初步设计的方法，如PID控制、根轨迹法等。

3. 实例分析：某控制系统方案的初步设计过程。

- 选取一个实际控制系统方案，进行详尽分析和谈论。

- 引导同砚运用所学知识，对该控制系统方案进行初步设计。

五、进修评估1. 参与教室谈论，乐观发言，展示对控制系统方案设计的理解和精通。

2. 完成指定的作业或实践任务，检验对控制系统方案初步设计方法的运用能力。

六、拓展延伸1. 鼓舞同砚乐观参与控制系统方案设计的实践活动，提升实践能力。

2. 鼓舞同砚关注最新的控制系统方案设计技术和方法，不息拓展视野和提升能力。

七、总结反思通过本次导学案的进修，信任同砚们对控制系统方案初步设计方法有了更深度的理解和精通。

期望同砚们能够在今后的进修和实践中，不息提升自己的设计能力，为控制工程领域的进步做出贡献。

第二课时导学目标：1. 了解控制系统方案初步设计的基本观点和方法。

2. 精通控制系统方案初步设计的步骤和流程。