资源简介

(共50张PPT)
活动一
探究电热水壶
系统中的控制过程
（黔科版）四年级
01
教学目标
02
课堂导入
03
学习目标
04
考察电热水壶烧水的控制过程
05
探究电热水壶的保温控制过程
06
拓展延伸
07
课堂小结
08
板书设计
01
教学目标
1、信息意识：能够掌握如何识别和获取相关信息，如电热水壶的工作原理、温度控制机制等。
2、计算思维：能够掌握优化加热效率。学会使用基本原理来解决问题和设计系统。
3、数字化学习与创新：能够使用数字工具和技术来探索电热水壶系统，从而促进创新思维的发展。
4、信息社会责任：能够使用技术创新减少这些负面影响。这有助于培养学生的社会责任感和可持续发展的意识。
前面单元中，我们尝试对控制系统进行逐层分解，认识了子系统和组成系统的各个模块。接下来，我们将一起来探究在控制系统中增加反馈后的变化。
为什么空调启动后，可以让室内温度保持在设定的温度上下
02
课堂导入
为什么冰箱启动后，冷藏室的温度也能保持在设定的温度左右呢
是反馈的
作用。
03
学习目标
了解反馈是控制的重要手段。
初步了解反馈对系统优化的作用。
小茗的爷爷想让小茗帮忙在网上订购一个电热水壶。小茗上网浏览时，发现有两款电热水壶(图3-1-1)，一款只能烧开水，另一款不仅能烧开水，还具有自动保温功能，小茗建议爷爷购买具有保温功能的电热水壶。那么，这两款电热水壶分别是怎样工作的 控制过程有何区别 让我们来一探究竟吧。
04
课堂导入
图 3-1-1
04
课堂导入
你将学到
★开环控制系统和闭环控制系统有什么区别
★反馈是如何影响控制过程的
★反馈的作用是什么
活动向导
1.考察电热水壶烧水的控制过程
2.探究电热水壶的保温控制过程
知识拓展
04
课堂导入
05
考察电热水壶烧水的控制过程
用电热水壶烧水时,将其接通电源后拨动开关，此时指示灯亮起，水壶底座中的加热元件(发热管)开始加热。水烧开沸腾后，电热水壶的开关会自动断开，停止加热。使用者不需要时刻在旁照看，十分方便，如图 3-1-2所示。
图 3-1-2
05
考察电热水壶烧水的控制过程
从电热水壶烧水的工作过程来看，开关、控制电路和发热管这三个核心部件共同协作，构成了电热水壶的烧水加热控制系统，它是电热水壶控制系统的一个子系统。这个子系统可以用一个控制系统框图来表示:输入为开关，输出为水温的升高，两者之间是控制电路和发热管，如图 3-1-3 所示。
图 3-1-3
05
考察电热水壶烧水的控制过程
小贴士
控制系统框图能准确地表达系统的功能、构成和信号传递方向。
被控对象是指所要控制的设备、装置或生产过程。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
从图中可以发现，输入到输出是单向的，且输出(水温升高)不会反过来影响或改变系统的输入(电源)。这种控制系统被称为开环控制系统。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
想一想
烧开一壶冷水，和烧开半壶冷水花费的计间一样吗
一、热量的需求
全壶水：需要将整壶水的初始温度加热到沸点（通常是100°C），这需要更多的热量。
半壶水：只需要加热一半的水量到沸点，因此所需的总热量较少。
所以：烧开一壶冷水和半壶冷水所需的时间是不同的，半壶水通常会更快烧开，因为它需要较少的热量来达到沸点。这一现象体现了物理学中的能量守恒和热传导原理。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
想一想
烧开一壶冷水和烧开一壶 40℃的温水，花费的时间一样吗
一、热量的需求
冷水：需要将整壶水的初始温度加热到沸点（通常是100°C），这需要更多的热量。
40°C的温水：只需要将水的温度从40°C加热到100°C，因此所需的总热量较少。
所以：烧开一壶冷水和一壶40°C的温水所需的时间是不同的，40°C的温水通常会更快烧开，因为它需要较少的热量来达到沸点。这一现象体现了物理学中的能量守恒和热传导原理。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
科学园地
开环控制系统及其特点
开环控制系统是一种输入单向控制输出的控制系统。其控制系统框图如图 3-1-4 所示。
图 3-1-4
05
考察电热水壶烧水的控制过程
科学园地
可以看出，开环控制系统从输入开始，通过一个环节指向下一个环节，最终输出，没有反馈回路。输入单向控制输出，输出结果对系统的控制没有影响。例如，按下开关，电灯就亮起。按下开关的瞬间，控制活动就结束了，灯是否亮起都不会影响按开关这个活动。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
科学园地
开环控制系统的优点是系统设计相对简单，缺点是容易受到外界干扰因素的影响。例如，水量和初始水温不同，会导致同一电热水壶把水烧开的时间也不同。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
你知道吗？
电热水壶烧水过程中，负责水烧开自动断电的是一个子系统，即水烧开断电控制系统，其工作原理是:当水温上升到100℃时，水开始沸腾，产生的水蒸气通过手柄里的蒸汽管进行热传导，冲击手柄内的蒸汽开关。蒸汽开关内部有一个蒸汽感温元件，它是一个蝶形双金属片受热时会发生变形，推开开关触点，从而切断电源停止加热，如图3-1-5所示。这是电热水壶的第一重安全保护机制，另外还有防于烧控制系统和熔断保护控制系统两重保护机制。
图3-1-5
05
考察电热水壶烧水的控制过程
想一想
水烧开断电控制系统是开环控制系统吗
一、水烧开断电控制系统不是开环控制系统，而是闭环控制系统。
开环控制系统与闭环控制系统最主要的区别在于是否包含反馈环节。开环系统没有反馈机制，即输出量不会对输入产生影响；而闭环系统则通过反馈机制，使输出能够影响输入，从而实现更精确的控制。在电热水壶的烧开断电控制系统中，当水温达到设定值时，系统会自动断电，这一过程涉及到温度的实时监测和反馈控制，显然属于闭环控制。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
数字化学习
上网了解防于烧控制系统和熔断保扪控制系统的原理。
一、 防干烧控制系统：其原理主要基于温度传感器和控制电路的协同工作。当电热水壶中的水位低于安全阈值时，温度传感器会检测到异常温度（通常是快速上升的温度），并将这一信号传递给控制电路。控制电路接收到信号后，会立即切断加热元件的电源，以防止因无水干烧而损坏设备或引发安全事故。
二、熔断保护控制系统：熔断保护控制系统是一种用于保护电器免受过载或短路损害的安全措施。其核心部件是熔断器，通常由易熔金属制成，并串联在电路中。当电路中的电流超过熔断器的额定值时，易熔金属会迅速熔化，从而切断电流，防止电路过载或短路引发的火灾等危险
05
考察电热水壶烧水的控制过程
做一做
电风扇是生活中一种常见的电器，接通电源，使用调速开关选择转速，电风扇就会按选择的转速大小运行，使空气加速流通。电机是电风扇的执行器，感应磁铁构成的控制电路是控制器，如图 3-1-6所示。
图3-1-6
05
考察电热水壶烧水的控制过程
做一做
(1)想一想，电风扇是开环控制系统吗 分析电风扇工作过程。并画出它的控制系统框图。
电风扇是开环控制系统
05
考察电热水壶烧水的控制过程
做一做
(2)说说电风扇的工作过程受哪些干扰因素影响
一、 电动机磨损：长时间使用后，电动机的轴承可能会磨损，导致转速下降或产生噪音。
二、电源波动：家庭电网中的电压波动可能会影响电动机的转速和稳定性。
三、灰尘积累：风扇叶片和电动机上的灰尘积累会影响散热效果和转动效率。
四、环境温度：高温环境可能加速电动机的磨损，降低其效率。
五、湿度：高湿度可能导致电动机部件生锈或腐蚀。
六、空气质量：空气中的尘埃和污染物可以积聚在风扇叶片上，影响其旋转。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
做一做
(3)寻找生活中其他开环控制系统，在全班分享。
一、 定时器控制的设备：如厨房定时器、洗衣机的定时功能等，用户设定时间后，设备会在设定时间结束时停止工作，不需要根据实际完成情况调整。
二、手动开关控制的灯光：当用户打开或关闭灯光时，没有反馈机制来调整灯光的状态。
三、简单的机械装置：如水龙头、门锁等，它们的操作不依赖于任何形式的反馈来调整其状态。
四、一次性使用的设备：如烟花、爆竹等，一旦启动就会按照预定的程序运行，不会因为外界因素而改变其行为。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
知识拓展
开环控制系统和闭环控制系统有什么区别
一、开环控制系统：
在开环系统中，控制器根据输入信号直接控制输出，没有反馈环节。
输入信号经过控制器处理后直接作用于被控对象，产生输出。
二、闭环控制系统：
闭环系统则包含一个反馈环节，将输出信号的一部分或全部回送到控制器输入端，与期望值进行比较。比较结果（即误差信号）用于调整控制器的输出，以减小或消除输出偏差。
05
考察电热水壶烧水的控制过程
知识拓展
反馈是如何影响控制过程的
一、误差检测与修正：
反馈机制首先检测输出与期望值之间的差异（即误差）。
控制器根据误差信号调整其输出，以减小或消除误差。
二、系统稳定性与鲁棒性：
负反馈有助于提高系统的稳定性，因为它能够抑制扰动和噪声的影响。
闭环系统通常比开环系统更具鲁棒性，能够更好地应对外部环境和内部参数的变化。
06
探究电热水壶的保温控制过程
小茗推荐爷爷购买的是具有保温功能的电热水壶，既能烧水，又能保温。用户可以预设期望的水温，如82℃。水烧开后，拨动单独的保温开关，可启动电热水壶的保温控制系统。保温控制系统主要包含温度传感器、温控器和保温发热管等模块。温度传感器持续检测当前实际水温，当水温降低，当前水温与预设期望水温之间存在偏差时，温控器会发出信号，指挥保温发热管对水进行加热。
06
探究电热水壶的保温控制过程
经过加热，当水温上升，当前水温与预设期望水温之间偏差消除时，温控器会发出另一种信号， 指挥保温发热管停止对水加热。其控制框图如图3-1-7所示。
图3-1-7
06
探究电热水壶的保温控制过程
可以发现，该控制系统除了有一个前向的控制通路，还有一个从输出(实际水温)通过温度传感器反馈回输入端的反馈回路。它们共同控制着是否加热使实际水温维持在设定的期望温度附近，即水温的变化处于一个相对稳定的状态，使电热水壶能应对外界环境的影响，实现保温效果。这种具有反馈回路的控制系统，称为闭环控制系统。
06
探究电热水壶的保温控制过程
水温差=期望水温一实时水温
为了减少电热水壶频繁加热的次数，可以给水温差设定一个偏移范围，例如期望水温设定为82℃，偏移范围为2℃。在保温状态下，水温差大于偏移范围，即实时水温低于80℃后才会自动加热。
小贴士
06
探究电热水壶的保温控制过程
闭环控制系统与反馈
闭环控制系统是输出量通过检测装置反馈给输入环节，并对控制过程产生影响的控制系统，又称为反馈控制系统。其控制系统框图如图 3-1-8 所示。
科学园地
图 3-1-8
06
探究电热水壶的保温控制过程
闭环控制系统的输入会影响输出，同时输出通过反馈又影响着输入。反馈是系统实现稳态或优化的重要手段。例如，当手机开启了“亮度自动调节”功能后,屏幕会通过光敏传感器自动检测周围环境光强弱指导调节屏幕亮度，从而使用户的眼睛感觉舒适。这体现了反馈的优化作用。
科学园地
06
探究电热水壶的保温控制过程
在工业生产中，常使用闭环控制系统对被控制量(如温度、流量、浓度等)进行自动控制，使其接近给定值或保持在给定范围内，以提高产品质量，减少生产过程中的能耗，从而提高生产效率。
科学园地
06
探究电热水壶的保温控制过程
1、用两种方式玩一个双簧画图游戏，A同学露出头，能眼观八方、但不能使用手;B同学躲在A同学身后，不能看，但可以伸出双手在A同学身前的黑板上画图。请两组同学(每组两人)配合完成一幅简易图，如房子。
第一组:画图过程中，A同学不能说话提示，
第二组:画图过程中，A 同学能说话提示。
做一做
06
探究电热水壶的保温控制过程
做一做
(1)哪一组同学在双簧画图游戏中的画图成功率更高一点 为
什么
一、成功率分析
第一组：由于A同学不能说话提示，B同学只能依靠自己的理解和猜测来完成画作，这可能导致画作与预期有较大偏差，成功率相对较低。
第二组：A同学可以说话提示，这使得B同学能够更准确地理解A的意图，从而更精确地完成画作，成功率相对较高。
06
探究电热水壶的保温控制过程
做一做
(2)第一组和第二组可以分别类比为哪一种控制系统，开环控制系统还是闭环控制系统
一、类比控制系统
第一组：可以类比为开环控制系统。在这个系统中，没有反馈环节，B同学（执行器）直接根据A同学（控制器）的初始指令进行操作，无法根据实际情况调整动作。
第二组：可以类比为闭环控制系统。在这个系统中，A同学（控制器）通过观察B同学（执行器）的动作（即反馈），并给出相应的提示（即控制信号），以调整B同学的动作，使系统达到期望的状态。
06
探究电热水壶的保温控制过程
做一做
(3)在第二组游戏中，A 同学的眼睛、大脑、嘴巴、B 同学的手可以类比为控制系统框图中的哪些部件
一、类比控制系统框图中的部件
A同学的眼睛：可以类比为传感器，负责收集外部信息（即观察B同学的动作）。
A同学的大脑：可以类比为控制器，负责处理收集到的信息，并做出决策（即给出提示）。
A同学的嘴巴：可以类比为输出接口，将控制器的决策（即提示）传达给B同学（执行器）。
B同学的手：可以类比为执行器，负责执行控制器的指令（即根据A同学的提示进行画图）。
06
探究电热水壶的保温控制过程
2、日常生活中有着各式各样的台灯，有的台灯只具备开关功能，有的台灯除了具备开关功能外，还可以通过旋钮或者触摸按键调节亮度有的台灯甚至可以根据周围环境光的变化自动调节亮度，实时匹配最佳光线。请分析以上各种台灯是否具有闭环控制系统，并尝试画出它们的控制系统框图。
做一做
不具备闭环控制系统，这种台灯只有开关两种状态，没有反馈机制来调整输出（即灯光亮度）。
06
探究电热水壶的保温控制过程
我国的天问一号火星探测器在着陆过程中，会受到火星大气环境等未知因素的影响，要进行实时高精度导航非常困难。由于火星与地球距离遥远，探测器与地球之间存在至少10分钟的通信延迟，这意味着探测器着陆时可能与地球“失去联系”，一旦失去控制就将撞毁在火星表面。因此，探测器必须在着陆阶段具有自主导航、控制和规避障碍的能力。
你知道吗？
06
探究电热水壶的保温控制过程
在科研人员的努力下，探测器在着陆阶段利用光学相机获取火星表面图像，提取星表特征点、陨石坑、山脊、沟壑等作为导航标志，通过跟踪这些特征并结合惯性导航信息，对自己的位置、速度、姿态等进行实时估算，从而完成精确着陆，如图3-1-9所示。
你知道吗？
图3-1-9
06
分析以下哪些例子存在闭环控制系统，在相应的选项前打钩，并简要说明。尝试画出其控制系统框图。
挑战时刻

探究电热水壶的保温控制过程
√
声音发声：当按下门铃按钮时，按钮上的电路会产生射频信号，该信号通过天线发射出去。门铃主机内置扬声器，将接收到的电信号转化为声音信号。
05
探究电热水壶的保温控制过程
知识拓展
反馈是如何影响控制过程的
一、提高系统稳定性：负反馈可以有效提高系统的稳定性，使系统输出更加稳定可靠。
二、降低失真和噪声：负反馈能够减小放大器的非线性失真和内部噪声，从而提高输出信号的质量和纯度。
三、扩展频带宽度：引入负反馈可以展宽放大器的通频带，使放大器对不同频率的信号具有更好的响应能力。
07
拓展延伸
1、开环和闭环控制的区别
07
拓展延伸
2、生活中还有哪些开环和闭环控制实例呢？
(1)烤箱烤面包：用户设置时间和温度后，烤箱按照预设规律加热，不考虑面包的实际烘烤状态。
（2）倒水：用户根据水杯的大小和倾斜角度控制水流量，不会考虑水的密度、温度等外部因素。
（3）电视遥控器：按下遥控器按键后，电视接收信号并执行相应操作，不反馈当前操作效果。
（4）饮水机：按下按钮后，饮水机会按照预设规律出水，不检测用户是否已接满水杯。
07
拓展延伸
3、开环和闭环给我们生活带来了哪些好处？
(1) 提高系统稳定性：闭环控制系统通过负反馈机制不断调整输出，使系统更加稳定可靠。
（2）降低失真和噪声：闭环控制系统能够减小放大器的非线性失真和内部噪声，提高输出信号质量。
（3）扩展频带宽度：引入负反馈可以展宽系统的通频带，使其对不同频率的信号具有更好的响应能力。
（4）改变输入输出电阻：闭环控制系统可以根据需要改变输入电阻和输出电阻，以满足特定电路的需求
07
拓展延伸
4、我们如何学好开环和闭环控制？
(1) 理解开环和闭环控制系统的基本概念和原理是关键。这包括了解它们的结构、工作原理、优缺点以及应用场景。
（2）通过实际案例分析来加深理解。观察身边的开环和闭环控制系统实例，如自动灯光控制系统、恒温器、自动洗衣机等，分析它们的工作过程和控制方式。
（3）进行实践操作。如果条件允许的话，可以尝试搭建简单的开环和闭环控制系统模型，通过实际操作来体验它们的控制过程和效果。
（4）多做练习题和模拟实验。通过解决具体问题来巩固所学知识，提高应用能力。
08
课堂小结
《探究电热水壶系统中的控制过程》课程小结： 了解了反馈机制的重要性。没有反馈的系统就像是盲目行动，很容易出错。比如，如果电热水壶没有温控器，一旦水烧开了就可能会继续加热，甚至引发危险。而有了反馈机制，系统就能及时调整自己的行为，保证安全和效率。我们用一个简单的电路模拟了电热水壶的工作过程，通过调节电阻来模拟不同的水温，观察系统的响应。这个实验让我们直观地看到了开环和闭环控制的区别。
09
板书设计
探究电热水壶系统中的控制过程
一、考察电热水壶烧水的控制过程
二、探究电热水壶的保温控制过程
课后作业
1、在父母的陪同下，网络上搜索有哪些常见的闭环控制系统，选择一个闭环控制系统的电器并画出系统控制框图。
https：//www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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