(共35张PPT)
第二单元 第1课
探究控制系统的典型环节
（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
学习控制系统时，需要注意技术应用的伦理问题，如在工业自动化中确保人类安全，不滥用技术，保护个人数据隐私等。
结合具体的案例，能够分析控制系统的运作模式和原理，提高创新能力。
面对不同领域中控制系统分析问题，能像算法解题一样，精准分析，迅速熟悉输入、计算、输出三个经典环节。
学生能熟知控制系统的典型环节具体内容，在复杂的网络环境中，能快速甄别有价值的学习、文化信息。
02
新知导入
02
新知导入
活动背景
壮壮和妈妈外出归来，乘坐电梯时按下他们家所在的楼层号，电梯内部通过计算发出指令，把壮壮和妈妈送到指定楼层;回到家中，妈妈手动打开家里照明灯的开关，内部电路接通，灯马上就亮了;壮壮用遥控器打开电视机，输入广西卫视的频道号码，电视机接收到信号并进行处理，屏幕上立即显示广西卫视播放的节目。这些控制过程的实现往往要经过若干个环节，这些环节具体都是什么呢
02
新知导入
活动背景
壮壮家里的照明灯大多是手动控制开关，因此他很熟悉这个控制过程:按下打开开关，电灯亮；按下关闭开关，电灯灭。壮壮想通过开关灯进一步了解控制系统的典型环节。
03
新知讲解
如果把开关灯的控制过程进行分解，可以分为哪几个环节 下面是小美和壮壮的结论，你认为谁的结论更合理 为什么
想一想
1.打开或关闭电灯开关。
2.电灯亮或灭。
1.打开或关闭电灯开关。
2.内部线路接通或断开。
3.电灯亮或灭。
03
新知讲解
如果把开关灯的控制过程进行分解，可以分为哪几个环节 下面是小美和壮壮的结论，你认为谁的结论更合理 为什么
想一想
合理结论 壮壮的结论（3个环节）
理由 1. 包含用户操作层（开关动作）
2. 体现控制系统的中间处理环节（线路通断）
3. 完整反映从输入到输出的物理变化过程，符合控制系统三环节特征
03
新知讲解
打开或关闭电灯开关，这个环节称为输入;内部线路的接通或断开，这个环节称为计算;电灯亮或灭，这个环节称为输出。输入、计算和输出是控制系统的三个典型环节。
03
新知讲解
通过反馈调整系统输出
负反馈：通过不断将输出信号反馈到输入端，调节控制器输出，使得系统稳定，并减少外部扰动的影响。负反馈有助于减小偏差，提高精度。
正反馈：正反馈在特定应用中（如增益调节）也有作用，但容易导致系统不稳定，通常不适用于精确控制。
03
新知讲解
通过反馈调整系统输出
PID控制：反馈机制是PID控制的核心，通过不断调整比例、积分和微分量来优化系统的稳定性和精度。
03
新知讲解
全自动洗衣机通过在电脑板上预先设定好程序，不同的程序对应不同的洗衣模式。洗衣时，用户选择其中一种模式，启动洗衣机开关，洗衣机就会自动识别，控制水位，并精准完成浸泡、漂洗、脱水、排水等功能，洗衣完成后自动停止并由蜂鸣器发出响声。在全自动洗衣机的整个控制过程中，也经历输入、计算和输出三个典型环节。请将三个典型环节和具体内容用线连接起来。
连一连
03
新知讲解
连一连
输入
计算
输出
洗衣机接收到用户的输人指令后，内部控制电路根据输入进行计算，控制电机和各类设备。
洗衣机开始运转或停止。
用户选择洗衣模式，启动开关。
03
新知讲解
在交通领域，磁悬浮列车能利用磁悬浮力使列车与导轨脱离，减少摩擦，从而提高车速。在此过程中，列车的控制系统会接收来自传感器的间隙、电流等输入信号，通过计算使列车和轨道之间保持稳定的间隙。
案例分析
03
新知讲解
在农业领域，温室大棚的控制系统会实时监测环境中光照、温度湿度等数据，然后与所需数据进行对比，根据计算结果实现按需灌溉照明等，提高农产品的质量和产量。
案例分析
03
新知讲解
选择其中的一个领域，了解其控制系统是如何实现监控的，分析输入、计算、输出三个典型环节的具体内容。
案例分析
控制系统 输入环节 计算环节 输出环节
温室环境控制 传感器采集温度/湿度/光照数据 中央处理器对比预设参数，计算需调节量 自动开启通风/灌溉/补光设备
智能灌溉系统 土壤湿度传感器数据 根据作物需水量模型计算灌溉时长 电磁阀控制喷灌装置开关
病虫害监测系统 摄像头捕捉叶片图像 图像识别算法分析病虫害特征 触发预警并推送防治方案
03
新知讲解
我们经常使用微波炉加热或烹饪食物。体验微波炉的工作过程，分析它的三个典型环节。
1.在编程软件中打开文件“模拟微波炉程序”。
2.点击绿旗，选择加热时间或烹饪模式，按“开始”键启动。
做一做
03
新知讲解
做一做
选择加热时间后，可以按“+”键或“_”键增加加热时间或减少加热时间。
03
新知讲解
3.观察微波炉的变化，思考从设置加热时间或烹饪模式等参数到最终完成食物加热共经历了哪几个阶段，并补充控制系统三个典型环节的具体内容。
做一做
经历的阶段：
输入：
计算：
输出：
参数设置 → 指令处理 → 磁控管工作 → 完成加热
用户设置的时间/功率参数、门锁闭合信号
微处理器校验安全条件，计算微波发射时长和间歇周期
磁控管发射微波、转盘转动、显示屏倒计时、完成提示音
03
新知讲解
通过系统输出进行故障检测
监测输出信号：通过实时监测系统的输出变化，若输出与预期结果偏差较大，可能是系统出现故障的信号。
冗余设计：在关键系统中加入冗余传感器或执行器，通过比较不同传感器的输出，能够检测到故障并采取相应措施。
03
新知讲解
通过系统输出进行故障检测
自诊断系统：一些现代控制系统具备自诊断能力，能够通过分析输入和输出信号的关系，及时发现并报告故障。
故障模式分析：通过故障模式与影响分析（FMEA）等技术，评估系统可能出现的故障并提前做好预防措施。
03
新知讲解
控制技术在军事上有着广泛的应用。飞机、火箭、坦克、军舰等在运动过程中产生大量的热量，从而向外辐射出强烈的红外线。导弹的红外制导技术就是利用这些目标自身所发射的强大红外辐射，自动进行跟踪和瞄准射击。在导弹跟踪、瞄准和射击目标的过程中，导弹上的红外位标器接收目标辐射的红外线，为输人环节;经信息处理后得出目标的
位置参数信号，为计算环节;控制导弹
飞向目标，为输出环节。
读一读
03
新知讲解
控制技术在自动驾驶和洗衣机智能控制中也有着广泛的应用。自动驾驶汽车利用传感器和控制算法实时获取路况数据，并控制车辆的方向、速度、加减速等，以实现自动驾驶；
洗衣机通过传感器监测水位、衣物重量和污渍程度，自动调节洗涤时间、洗涤方式和水温，以达到最佳洗涤效果。
读一读
04
课堂练习
一、判断正误，正确的画”√“，错误的画”X“。
控制系统的输入环节包括传感器和执行机构。（ ）
在一个闭环控制系统中，反馈信号不影响系统的性能。（ ）
控制系统三个典型环节是指输入、计算、输出。（ ）
数字控制系统相对于模拟控制系统具有更好的抗干扰能力。（ ）
二、选择题
1、下列哪项控制方法不属于现代控制理论？
A. PID控制 B. 模糊控制 C. 自适应控制 D. 滑模控制
√
X
X
A
√
04
课堂练习
2、PID控制器中的P表示什么？
A. 比例 B. 积分 C. 微分 D. 调节
3、下列哪项不属于控制系统的输出环节的功能？
A. 执行机构调节
B. 信号采集
C. 实施控制命令
D. 反馈输出
A
B
05
拓展延伸
输入环节
通过信号处理降低输入环节噪声干扰。
放大：信号放大器用于将微弱的信号放大，确保输入信号的有效性，减小因信号过弱带来的噪声影响。
转换：将模拟信号转换为数字信号（或反向），可以通过数字信号处理（DSP）技术消除噪声，并对信号进行更高效的分析和控制。
05
拓展延伸
输入环节
通过信号处理降低输入环节噪声干扰。
噪声抑制：为了提升信号质量，可以通过增加信号的幅度、使用更高质量的电缆、屏蔽噪声源、优化系统布局等方式降低噪声的影响。
滤波：使用低通、高通、带通或带阻滤波器去除信号中的噪声。例如，低通滤波器可以去除高频噪声，保持信号的有效部分。
05
拓展延伸
计算环节
控制算法
PID控制：通过比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分控制算法调节系统输出，广泛应用于温控、速度控制等领域，适合线性系统。
模糊控制：基于模糊逻辑推理，适用于复杂、非线性、系统模型不精确的控制问题，广泛应用于家电、机器人等领域。
05
拓展延伸
计算环节
控制算法
自适应控制：系统能够根据外部环境变化自动调整控制策略，用于无法预知动态变化的场景，如航天器控制、自动驾驶。
神经网络控制：采用人工神经网络模型进行控制，适用于复杂的非线性系统，具有较强的学习能力和自适应能力，常用于机器人、智能控制系统等。
05
拓展延伸
输出环节
输出环节的执行器种类及其与控制信号的匹配
电动机：包括步进电动机、直流电动机、交流电动机等，广泛应用于驱动机械系统，控制信号通常是电压或电流。
液压装置：液压缸和液压马达用于大负荷的运动控制，控制信号一般是流量或压力。
06
课堂总结
1
引入新知内容
2
认识控制过程的三个环节
3
研究具体例子中控制系统的应用
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
探究控制系统的典型环节
07
板书设计
探究控制系统的典型环节
1、进行新知引入
2、认识控制过程的三个环节
3、研究具体例子中控制系统的应用
4、完成课堂练习
5、进行知识拓展
课后作业。
1、设计并搭建一个简单的控制系统实验。
08
课后作业
1、请同学们设计并搭建一个简单的控制系统实验（如温度控制实验），进行简单实验数据采集、分析，并撰写实验报告，说明系统的输入、计算和输出环节如何协同工作。
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