二、几个关于“控制”的典型教学案例剖析
案例是《通用技术》课程的最重要教学要素。各版本教材中都引用了丰富的案例来阐述问题,教师的课堂教学也应该尽量使用生动形象的案例,来阐述相对抽象的技术原理或技术设计思想。教学过程中所选用的技术案例,不仅应该具有较强的针对性,以利于阐述或辨析知识点,同时还应该贴近学生生活实际,多选用那些离得近、看得见、摸得着的案例,以方便学生的理解。
1、关于温度控制的教学案例
温度控制是自动化控制的典型案例。在生活中也很常见,且温度控制的系统比较直观,便于理解,因此在高中《通用技术》教学中,温度控制的案例是教学中很好的素材。在教学中可以列举如:普通(非调温)电炒锅、电热毯、电瓦铛、高温消毒柜等家用电器,作为开环温度控制案例;也可以列举如:空调、冰箱、电熨斗、自动调温电火锅,自动电开水器等,作为闭环温度控制的案例。
①开环式温度控制系统的基本结构:

②几种开环式温度控制案例的分析
器具(案例) |
控制器 |
被控对象 |
输入量 |
控制量 |
输出量 |
普通电炒锅 |
电源开关 |
电热器 |
接通电源 |
有效电流 |
锅体温度 |
电热毯 |
温度档位开关 |
电热丝 |
开关档位 |
有效电流 |
被窝内温度 |
电瓦铛 |
温度档位开关 |
电热器 |
开关档位 |
有效电流 |
锅内温度 |
③闭环式温度控制系统的基本结构:

④几种闭环式温度控制案例的分析
器具(案例) |
温控器*类型 |
被控对象 |
控制量 |
输出量 |
普通空调器 |
电子式 |
制冷压缩机 |
开/停时间比 |
室内环境温度 |
家用冰箱 |
机械(或电子) |
制冷压缩机 |
开/停时间比 |
冷藏室温度 |
电熨斗 |
机械式 |
电热器 |
电源通/断时间比 |
底板温度 |
电热水器 |
机械(或机电) |
电热器 |
电源通/断时间比 |
蓄水箱中水温 |
*注:在实际的温控设备中,“温控器”通常是一个组件,它包括了温度控制系统中的控制器、检测器、比较器、执行器的功能。
教学中一般应当按照开环或闭环系统的基本结构,从整体层面阐述或分析温度控制系统的原理,尽量不要过多地深入到检测、反馈、控制等具体环节的技术细节中,避免涉及学生难以理解的过于专门化的技术。
2、水位控制的教学案例
在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容器中的液位(水位)进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水马桶的自动进水控制、自动电热水器的进水控制等,都属此类。因此水位控制是生活现实中,比较容易观察到的一类控制案例。
按照所采用的技术方法不同,水位控制系统可分为:全机械式、机电式和电子式,各种控制方式的适用场合有别,技术要求不同,精度、可靠性、成本也不同,但基本的控制原理却相同,都可以归纳为一般的反馈控制模式。它们的主要区别仅在于检测液位的方式、反馈的形式,以及控制器的差异。因此在分析水位控制系统时,必须从共性的原理出发,去研究其各自的特异部分。
教学过程中,讲解水位控制方式的原理时,教师们常常感觉到,一些结构比较简单的水位控制装置,欲分析其工作原理却显得更为困难,比如抽水马桶。而相对结构比较复杂的水位控制装置,因其结构中各个部件的作用比较单纯,控制过程明晰,反而更容易将各个部件与系统方框图对照讲解说明原理,如教材中所列举的:工业用水箱的水位控制、大楼二次供水水箱的水位控制等等,都属于这类案例。但这些案例学生都很难亲临现场,去感受或体验实际的装置。因此这两类控制方式应该对照讲解,才能够让学生认识水位控制的基本过程与原理。
家用抽水马桶与工业水箱的水位控制原理对照
器具(案例) |
控制器 |
检测器 |
执行器 |
设定量 |
控制量 |
抽水马桶 |
连杆机构 |
浮球 |
机械进水阀 |
阀口高度 |
进水口流量 |
工业水箱 |
机械(或电
子控制) |
浮球(或液
位传感器) |
电磁阀 |
阀口高度
(或电位值 ) |
进水口流量 |
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