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《简单控制系统的设计》教学初探

更新时间 2015年10月10日 15:58
《简单控制系统的设计》教学初探
——水塔自动控制电路的设计与制作
 南昌市麻丘高级中学熊亮明  
    《通用技术》在高中各门学科中,本应是实践性最强、最能体现理论联系实际、最切实用的一门学科。但是,在应试教育的体制和模式下,这门学科从教材的编写,到各所学校课时的安排,实际上完全成了一门普通的文化课,而且是一门最“副”的“副科”,不少重点高中甚至干脆连这门课都不开,更不必说开设《通用技术》实验课了。
下册第四章《控制与设计》这个单元,本应是技术综合性极强,最能让学生大开眼界、学到许多实用知识、掌握一些解决实际问题的本领。但可惜的是,教材这一章完全不注重培养学生设计一个简单的控制系统、从而解决一个日常生活中的实际问题的能力;也不着重介绍一些
学生容易看懂且简单实用的控制系统的详细结构;而是把重点完全放在灌输一大堆概念名词:什么“被控对象”、“被控量”、“控制量”、“控制结果”、“控制器”、“执行器”、“反馈环节”、“反馈量”、“基准量”、“比较量”、“比较器”、“开环控制”、“闭环控制”……;而且其中许多概念名词的字面名称是极易混淆的。这样的教材,学生能学到多少解决实际问题的真才实学?
教材偶尔举了几个例子,但不是讲解太过简略学生无法了解其控制原理,就是远离学生的生活实际。第三节《简单控制系统的设计》本应是运用高中生所学过的各科知识来设计一个控制系统,解决一个具体问题。但是教材反复强调的却是要求学生掌握控制系统的方框图,从一个控制事例中去抠出“被控对象是什么”?“被控量是什么”?“控制量是什么”?“控制器是什么”?“比较器是什么”?“执行器是什么”?“反馈环节是什么”?……无怪乎学生学得索然无味,兴趣全无;而且这一节教材所举例子又是远离学生生活实际的“广告宣传牌设计”,上册教材中也是几乎每章每节都不厌其烦地大谈特谈远离学生生活实际的“广告宣传灯”的设计。我就纳了闷了:为什么不举一些中学物理、化学实验装置的改进设计与制作?这种事例最贴近学生的学习生活,一学就懂,更何况还对学生的“主科”学习大有帮助啊!
为了让学生学到一点设计控制系统的知识,教师必须熟悉高二学生学过的各科知识,尤其是物理知识;然后按照实用技术的规范,用学生容易理解的方式进行教学,才能收到实效。
我不由得想起1986年,我在一所农村中学当代课教师,任教物理、化学两科。有一天,我偶尔听到炊事员说了一句“要是水塔抽水满了,自己会停就好啊!”我一了解才知道,这个水塔每次抽水都要溢出,直到有人发现,跑去叫炊事员关机。浪费电、浪费水。每年冬季,溢出的水在水塔表面结冰,还会使水塔表面的水泥开裂,甚至造成漏水,因此年年都要补修水塔。
说者无心,听者有意,我当时就想,身为物理老师,我应当设计出一个自动控制装置,使水塔水满会自动停机,而且其中的关键部件“水满传感器”必须自己设计制作。
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说干就干,我用了十几分钟,就画好了水塔自动控制电路图,完成了控制系统的设计。然后花了半天时间,制作完成了控制系统的核心部件——浮子浮子开关。安装调试,一次成功。
 浮子开关用0.2毫米厚的废铜片制成,安装在一个8×8×2厘米的塑料药片盒中,固定在水塔顶上;浮子用啤酒瓶做成,通过一根细木棒连接到浮子开关上。平常水塔中水不满时,啤酒瓶因自身重力下垂,浮子开关是闭合的。调整细木棒的长度,使浮子上升到预定的最高水位(图中虚线位置)时恰好能向上顶开浮子开关。浮子开关跟继电器的电磁线圈串联,这样就能控制三个常断触头的通断,实现“浮子上升到预定的最高点时,自动控制电动水泵停转”的目的。
水泵开机采取“手动开环控制”方式,而水满停机则采用“闭环自动控制”方式。要抽水时,必须由人动手合上闸刀开关,继电器就会立即吸合三个触头;然后马上拉断闸刀开关,电动机由三个触头供电继续抽水;直至水塔抽满,浮子上升顶开浮子开关,继电器断电松开三个触头,电动水泵自动停机。
采用人工手动开机,是经过精心设计的。从电路图中可以分析得知,这种设计可以确保不抽水时,只有电源进线和控制箱内部的进线一侧带电(图中红线所示)而电动水泵的供电线路和浮子开关的控制线路都不带电,能够确保安全。这个自制的浮子开关在水塔顶上历经日晒夜露、风霜雨雪,安全运行7年多从未出现故障。实践证明,这种设计是十分合理、成功的。
教材中关于开环、闭环的采用,有这样一段论述:“闭环控制系统由于能够不断地修正控制效果,所以一般可以得到较好的结果。但如果系统的输入量能预先知道,并且不存在任何扰动,则采用开环控制更为合适。……如能将开环控制与闭环控制适当的结合在一起,通常比较经济,并且能够获得满意的综合系统性能。
但是遗憾的是,教材中没有对此进行任何解释,更没有举出一个具体事例来加以说明,学生无法理解其所以然。而我设计的这个水塔自动控制系统,正好能对这段论述进行十分贴切、生动具体的说明。(其实当时我还设计了一个开机、停机全自动的闭环控制电路,考虑安全因素,没有采用。见附图,其结构和电路图这里不作介绍)
更为可取的是,这个水塔自动控制系统所涉及到的知识,都是学生在初三物理就学过的电磁继电器电路的内容,而且结构也比较简单易懂,作为本节《简单控制系统的设计》的
 
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典型事例来详细讲解,非常合适。我进行这项设计的缘起又充分说明了“技术的产生来源于人们的需求与愿望”这一基本原理。它充分证明了,一项成功的设计,来自于对日常生活和事物的细心观察,来自于设计者的社会责任感,来自于科学知识和技术素养的积累,更来自于扎扎实实的动脑动手的实践。而只会死记硬背书本上的名词概念,是百无一用的。
                                   
【附:水塔开机、关机全自动闭环控制系统电路图】
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 



 
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