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第二单元 第2课
探究控制系统的输入和输出
（桂科版）六年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在探究控制系统的输入和输出时，了解网络安全的重要性，遵守网络法律法规。
研究声控灯电路系统时，能够在具体的案例研究中分析各个环节的作用和特点，提高创新思维和实践能力。
学会将声控灯的控制过程抽象为“声音检测→阈值判断→灯光控制”的流程图，提高解决实际问题的能力。
学生能意识到“输入—计算—输出”的通用模式，并迁移到其他系统（如智能家居、交通信号灯）的分析中。
02
新知导入
02
新知导入
活动背景
壮壮知道了控制系统由输入、计算和输出三个典型环节构成，同时也了解了常见控制系统的工作过程。让我们跟随壮壮去探究控制系统的输入、输出方式吧。
03
新知讲解
照明灯也包含输入、计算、输出三个典型环节，当按下手动控制的照明灯开关后，内部线路接通或断开，灯亮或灯灭。这里的输入是开或关，输出是灯亮或灯灭。
请分组讨论：照明灯控制系统的输入和输出还分别有哪些方式
议一议
03
新知讲解
照明灯的输入方式：开关、遥控器、定时器、智能手机应用。
照明灯的输出方式：灯亮或灯灭、颜色变化、反馈信号。
议一议
03
新知讲解
所有控制系统都是由输入、计算、输出环节构成的吗？
虽然大多数控制系统都包含输入、计算和输出环节，但有些系统可能不需要计算环节。例如：
简单的开关控制系统：只需输入（开关状态）和输出（灯的状态），没有复杂的计算过程。
机械控制系统：如某些机械装置的直接控制，可能仅依赖于输入信号直接驱动输出。
03
新知讲解
声控灯是我们非常熟悉的一种照明灯，适用于楼道、门口等不需要长时间照明的场所。晚上，有声音时，照明灯会自动打开，一段时间后自行关闭，这样能更好地节约电资源。
案例分析
03
新知讲解
请使用自然语言和流程图描述声控灯的工作过程。
1.使用自然语言描述：如果环境中的声音特别大，那么 ，否则 。
案例分析
声控灯会亮起
声控灯保持熄灭
03
新知讲解
2.使用流程图描述:
案例分析
声音≥阈值？
亮灯
灭灯
03
新知讲解
了解了声控灯的工作过程后，让我们按照以下步骤一起来体验一下吧!
1.打开文件“模拟声控灯程序”，点击左侧模拟器的“开始”按键。
2.用鼠标调节声音响度(0~255 )，模拟发出不同响度的声音。
做一做
03
新知讲解
3.至少记录5次不同声音响度数值，观察 LED 灯亮或灭的情况，并将结果记录在下表。
做一做
测试次数 声音响度数值 LED灯(亮/灭)
1 37 灭
2 45 灭
3 58 亮
4 62 亮
5 40 灭
03
新知讲解
控制系统不管以哪种方式输入或输出，其输入量和输出量的类型一般只有两种，即连续量与开关量。
做一做
经过多次测试，声音响度达到 时，LED 灯正好亮。
50
03
新知讲解
声控灯的输入量即声音响度数据，是在一定范围内变化的连续数值,我们把这种量叫作连续量。温度0~100℃、压力0~10MPa、液位1~5m等都是连续数值，是连续量。
声控灯的输出量即 LED灯的亮或灭，只有“亮”和“灭”两种状态我们把这种量叫作开关量。开关的导通和断开、继电器的打开和闭合电磁阀的通和断、电平的高和低等都只有两种状态，像这样只有两种状态的量便是开关量。
03
新知讲解
在声控灯中，当声音响度达到某个值时，LED灯刚好亮起来，这个值称为阈值。阈值是事物在两种不同状态之间的临界值。在该控制系统中，声音响度连续量就经由阈值判断形成了LED灯亮或灭的开关量。
你在体验中有没有遇到什么困难 你是如何解决的
03
新知讲解
感应灯的控制系统
输入部分：
传感器：如红外线传感器或超声波传感器，能够检测到人的运动或环境光线变化。
计算部分：
控制单元：接收传感器信号，判断是否需要开启或关闭灯光。可以是简单的逻辑电路或微控制器。
03
新知讲解
感应灯的控制系统
输出部分：
灯光：根据控制单元的指令，打开或关闭灯光。
反馈机制：如指示灯，显示灯的工作状态。
03
新知讲解
结合生活经验，思考身边控制系统的输入、输出方式，它们输入、输出的是开关量还是连续量。
想一想
制系统案例 输入 输出
开关照明灯 开关量 开关量
楼道声控灯 连续量 开关量
家用空调遥控器 开关量 连续量
洗衣机水位控制 连续量 开关量
自动感应水龙头 连续量 开关量
03
新知讲解
流量、压力、液位等都可以作为控制系统的变量，请查找资料，尝试了解这些变量在某一控制系统中的应用。
查一查
我收集到的信息：
液位控制在水箱系统中的应用 ：
变量：液位高度（连续量）。
应用：通过液位传感器监测水位，当水位低于设定值时，自动开启水泵补水；达到高水位时关闭水泵。
系统类型：闭环控制系统（反馈调节）。
03
新知讲解
流量、压力、液位等都可以作为控制系统的变量，请查找资料，尝试了解这些变量在某一控制系统中的应用。
查一查
我收集到的信息：
压力控制在汽车制动系统中的应用 ：
变量：刹车油压（连续量）。
应用：驾驶员踩踏板产生压力信号，经液压系统放大后传递至刹车片，实现精准制动。
03
新知讲解
除了声控灯，生活中还有如感应门等其他控制系统，与小组同学一起选择一种控制系统进行探究吧。
试一试
控制系统名称 感应门控制系统
探究的主题 感应门的触发灵敏度与响应速度关系
探究过程 人员及分工:A负责记录数据，B操作传感器，C测试门体响应。
材料准备:感应门模型、红外传感器、计时器、障碍物模拟工具。
时间安排:第1天搭建系统，第2天测试不同距离下的响应时间和分析数据。
探究结论 感应门在0.5米内触发灵敏度最佳，响应时间≤1秒
04
课堂练习
一、判断正误，正确的画”√“，错误的画”X“。
感应灯的控制系统可以通过传感器自动控制灯光的开关。 （ ）
所有控制系统都必须包含计算环节。 （ ）
在开环控制系统中，输入和输出信号没有反馈环路。（ ）
二、选择题
1、在感应灯的控制系统中，控制单元的主要功能是：
A. 直接驱动灯泡 B. 接收传感器信号并做出决策
C. 充电 D. 发送无线信号
√
√
X
B
04
课堂练习
2、以下哪项不属于照明灯控制系统的输入方式？
A. 手动开关 B. 传感器 C. 灯泡类型 D. 遥控器
3、在控制系统中，输入信号与输出信号之间的关系通常是由：
A、系统的动态响应 B、系统的稳定性
C、系统的增益 D、系统的扰动
4、控制系统的反馈环路主要作用是：
A、改变输入信号 B、改变输出信号
C、对输入信号进行放大 D、对输出信号进行调整，使系统稳定
C
A
D
05
拓展延伸
误差分析与输入输出关系
误差分析是评估控制系统性能的重要方法，能够揭示系统在实际操作中与期望目标之间的偏差。
常见的误差包括稳态误差和瞬态误差。
05
拓展延伸
误差分析与输入输出关系
稳态误差指的是当控制系统达到稳定状态时，输出与期望输出之间的偏差。在声控灯系统中，稳态误差可以指系统对音量信号的识别精度，是否在信号停止后准确维持灯的开关状态。
例如，假设声控灯系统对特定的音量信号触发灯开关，如果在声音消失后灯的开关状态依旧不符合预期，那么这个差异即为稳态误差。
05
拓展延伸
误差分析与输入输出关系
瞬态误差是系统响应变化过程中，输出与目标之间的短暂偏差。瞬态误差通常出现在系统初次响应输入时，例如声音信号突然变化时，灯的开关可能会有短暂的过渡或延迟。
在声控灯系统中，瞬态误差可以体现在声音变化的初期，灯开关响应的“过冲”（Overshoot）或“下冲”（Undershoot）。
05
拓展延伸
控制系统的动态响应
控制系统在不同输入信号作用下的动态响应。
时间响应分析是评估系统对输入信号变化（如从静止到开灯或关灯）时，输出的变化过程。对于声控灯系统，时间响应可以包括系统从接收到声音信号到灯状态变化所需的时间。
这通常会通过阶跃响应（Step Response）来测试，检测系统从一个状态到另一个状态所经历的过渡时间（如声音的触发到灯开关的延迟时间）。
05
拓展延伸
控制系统的动态响应
频率响应分析是考察系统在不同频率输入下的表现。例如，声控灯系统可能对不同频率的声音有不同的响应速度或灵敏度，频率响应分析有助于评估系统对不同频率信号的响应能力。
这可以通过伯德图（Bode Plot）等工具来表示频率响应，帮助理解系统在不同频率下的增益和相位变化。
05
拓展延伸
控制系统的动态响应
评估系统响应特性：
输入输出分析能帮助我们理解和评估系统响应的快慢、稳定性以及对不同信号的适应能力。例如，在不同音量或频率的声音刺激下，控制系统是否能够迅速并准确地控制灯的开关状态，是否存在延迟、过度响应等问题。
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课堂总结
1
引入新知内容
2
明确照明灯的输入输出方式
3
研究声控灯的系统工作过程
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
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3
4
5
探究控制系统的输入和输出
07
板书设计
探究控制系统的输入和输出
1、进行新知引入
2、明确照明灯的输入输出方式
3、研究声控灯的系统工作过程
4、完成课堂练习
5、进行知识拓展
课后作业。
1、对比分析不同类型的照明灯控制系统优缺点。
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课后作业
1、研究并总结不同类型的照明灯控制系统（如手动控制、遥控控制、智能控制等）的优缺点，并进行比较。
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