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第十课
控制就是改变状态——控制系统的目的
（湘教版）六年级
上
01
学习目标
内容总览
02
新知导入
03
探究新知
04
课堂练习
05
课堂总结
学习目标
能观察生活控制系统，识别系统输入输出，感知控制系统改变设备状态带来的生活便利。
01
能够运用输入 计算 输出模型分析系统状态变化，读懂感应垃圾桶控制算法逻辑。
02
借助主控板案例，尝试分析、反思感应垃圾桶不足，提出简单优化改进方案。
03
体会智能设备服务生活，懂得考虑不同人群需求，树立技术以人为本的设计观念。
04
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
新知导入
本课中你将学习：
◎如何改变系统的状态
◎如何制作感应垃圾桶
上节课我们已经学习了空调的控制回路。控制系统使生活更轻松、使工业生产更安全，这节课我们继续探究控制系统的多种工作状态以及如何改变控制系统的状态。
探究新知
环节1：如何改变系统的状态
下面我们以制冷功能为例，继续分析一下空调系统的工作状态。
◎开启状态：空调系统正常运行，传输冷气到室内，保持室内凉爽。
◎关闭状态：空调系统停止运行，不再传输冷气，室内温度可能逐渐升高。
◎自动调节状态：空调系统根据预设的温度值自动调节，以保持室内温度在设定范围内。
探究新知
环节1：如何改变系统的状态
在日常生活中我们怎么样改变空调系统的工作状态呢
我们以操作空调遥控器为例：拿到空调遥控器，按下开关键，空调进入开启状态；可以通过按键调节温度，将温度调低或调高，空调进入自动调节状态。
探究新知
环节1：如何改变系统的状态
我们可以用“输入一计算一输出”的模式这么描述。
部分 过程
输入 使用空调遥控器改变预设温度
计算 将输入的信息发送给控制器，控制器计算是否输送冷气
输出 室内温度达到输入的预设温度
探究新知
环节1：如何改变系统的状态
改变系统状态的方法有两种：
①找到控制该状态变换的“输入”或者“开关”，通过改变“输入”改变状态。例如，在一个简单的电路系统中，开关的开合状态会直接影响电路的通断，从而改变系统的状态。
②设计系统“计算”部分的逻辑功能，通过“计算”控制“开关”改变状态。例如，在软件系统中，通过编写或修改算法和程序逻辑，可以控制系统在不同条件下的行为和状态。
探究新知
环节2：分析制作感应垃圾桶
垃圾桶的盖子是为防止蚊蝇滋生、减少气味污染而设计的。但扔垃圾时需要手动打开盖子，导致人们和垃圾桶直接接触，增加了细菌感染的风险。
如果有一款自动开关盖子的感应垃圾桶就能很好地解决这个烦恼了，扔垃圾的时候垃圾桶盖子可以自动打开，扔完垃圾后，盖子可以自动关闭。
问题情境
探究新知
环节2：分析制作感应垃圾桶
回忆一下空调状态改变的情景，你们能发现感应垃圾桶改变状态的规律吗 感应垃圾桶有两种状态，只要精准地控制垃圾桶盖子的打开状态和关闭状态，就能解决垃圾桶现存问题。垃圾桶盖子的打开状态由哪些输入控制呢 关闭状态又由哪些输入控制呢 计算部分又如何区分是有人来扔垃圾，还是有动物靠近，抑或只是单纯有人靠近呢 是否需要采用闭环控制方式呢
探究新知
环节2：分析制作感应垃圾桶
根据想法和需求，按照控制回路的思想设计感应垃圾桶系统，如图所示。
探究新知
环节2：分析制作感应垃圾桶
将感应垃圾桶系统要素按照输入、计算、输出三个功能模块划分出来。
输入部分 计算部分 输出部分 系统状态
超声波传感器 (监测距离) 主控板和程序 (监测距离≤设定距离) 舵机旋转 打开盖子 盖子打开
主控板和程序 (监测距离>设定距离) 舵机旋转 关闭盖子 盖子关闭
探究新知
环节2：分析制作感应垃圾桶
控制过程与状态变化：当感应垃圾桶正常工作时，系统通过超声波传感器不断监测与垃圾桶上沿成45°夹角的斜上方是否有物体靠近，如有物体靠近，超声波传感器将监测到的物体与垃圾桶的距离输入系统的计算部分，计算部分将输入的距离值与30cm进行比较。如果监测到的距离小于或等于30cm，且保持2秒，则输出打开信号，舵机旋转打开盖子，系统进入盖子打开状态；如果监测到的距离大于30cm，则输出关闭信号，舵机旋转关闭盖子，系统进入盖子关闭状态。
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
根据设计思路，使用主控板编程模拟感应垃圾桶系统，我们需要按照输入、计算、输出、其他四部分准备设备，如下图和表所示。
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
根据设计思路，使用主控板编程模拟感应垃圾桶系统，我们需要按照输入、计算、输出、其他四部分准备设备，如下图和表所示。
部分 设备 功能
输入 超声波传感器 监测物体靠近
计算 主控板 判断是打开还是关闭盖子
输出 舵机 打开或关闭盖子
其他 电池、连接线 提供电能、连接设备
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
为将输入、输出设备联系起来，实现系统控制，需要在计算部分设计配套的算法。
算法描述
1.创建1个距离变量，存储设定值30cm
2.创建1个时间变量，存储设定值2秒
3.创建1个状态变量，记录系统当前状态
4.初始化舵机
5.设置舵机角度为0°
6.状态变量设置为0,垃圾桶处于关闭状态
7.一直循环下列操作：
8. 在屏幕上显示距离变量的设定值
9. 在屏幕上显示状态变量
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
为将输入、输出设备联系起来，实现系统控制，需要在计算部分设计配套的算法。
算法描述
10. 判断：如果监测距离≤距离变量，执行下列命令：
11. 等待时间变量
12. 判断：如果监测距离≤距离变量，执行下列命令：
13. 舵机角度设置为90°
14. 状态变量设置为1，垃圾桶处于打开状态
15. 否则：
16. 舵机角度设置为0°
17. 状态变量=0,垃圾桶处于关闭状态
18.结束循环
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
1.创建变量
在图形化编程软件中创建变量my_juli、my_shijian、my_zhuangtai,分别存储距离变量设定值、时间变量设定值、状态信息。
程序实现
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
2.添加传感器
单击图形化编程软件界面左侧“扩展”中的“添加”，在“传感器”分类中加载超声波传感器，在“执行器”分类中加载舵机。
程序实现
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
2.添加传感器
单击图形化编程软件界面左侧“扩展”中的“添加”，在“传感器”分类中加载超声波传感器，在“执行器”分类中加载舵机。
程序实现
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
3.编写程序
按照算法描述编写程序，感应垃圾桶程序如图所示。
程序实现
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
3.编写程序
按照算法描述编写程序，感应垃圾桶程序如图所示。
程序实现
探究新知
环节3：用编程实现感应垃圾桶的工作过程
试从输入、计算、输出三个环节，系统、全面地分析当前的感应垃圾桶的优点和不足，如表所示。
反思与改进
环节 优点 不足
输入 符合实际要求 感应范围有局限
计算 逻辑严谨，有停留时间设定，减少了误判 在垃圾桶盖子处于关闭状态时，重复设置舵机，造成多余输出
输出 快捷 没有备用脚踏开关，不方便小朋友扔垃圾
探究新知
环节4：控制系统有多种状态
控制系统的状态反映了系统在不同时间的行为特性。它可以是系统的物理状态(如位置、速度、温度等),也可以是系统的逻辑状态(如开关的通断状态、程序的执行状态等)。
控制系统的目标是使系统的状态能够按照预定的轨迹或模式变化，以达到期望的性能指标或实现特定的功能。
探究新知
环节4：控制系统有多种状态
控制系统在生活中的应用非常广泛，几乎涵盖了我们日常生活的各个方面。例如，洗衣机利用控制系统自动控制洗涤过程中的各参数，包括水温、水量、洗涤时间和转速等，以达到最佳洗涤效果；智能交通信号灯利用控制系统，根据交通流量情况自动调整红绿灯的切换时间，提高交通效率，减少拥堵等。通过本节课的学习，同学们会发现，控制系统的最终目的就是改变系统的状态。
探究新知
环节5：探索
尝试改进程序，避免垃圾桶在处于关闭状态时反复设置舵机。
核心方案：只有状态发生变化时，才去设置舵机。
参考
探究新知
环节5：探索
逻辑原理
1.定义变量my_zhuangtai：0= 关闭；1= 打开
2.读取超声波距离：
距离≤30cm：需要开盖
如果当前my_zhuangtai==0（原本关着）→ 执行舵机开盖，更新my_zhuangtai=1
如果当前my_zhuangtai==1（已经开着）→ 不执行舵机指令
距离>30cm：需要关盖
如果当前my_zhuangtai==1（原本开着）→ 执行舵机关盖，更新my_zhuangtai=0
如果当前my_zhuangtai==0（已经关着）→ 不执行舵机指令
参考
探究新知
环节5：探索
参考
探究新知
环节5：探索
参考
探究新知
环节6：拓展
尝试设计并制作更加灵敏的感应垃圾桶，避免落叶、下雨等外界环境的影响。
1.硬件层面改进
硬件升级
可增加红外人体传感器和超声波做双重判断，只有两个传感器同时检测到信号，才判定为有效，单一传感器触发不动作，大幅过滤落叶雨水。
参考
探究新知
环节6：拓展
尝试设计并制作更加灵敏的感应垃圾桶，避免落叶、下雨等外界环境的影响。
2.程序逻辑改进
核心思路：多次采样滤波+持续时间判断，区分「人手停留」和「落叶雨滴瞬时干扰」落叶、雨滴穿过探测区是一瞬间；人手放到垃圾桶上方会持续一小段时间。连续多次读取超声波距离，做平均值滤波，消除单次波动噪声；增加触发时长判定：只有近距离信号持续≥0.2秒，才判定为有效触发；一闪而过的信号直接忽略。
参考
课堂练习
1.感应垃圾桶的输入设备是（）
A.舵机
B.超声波传感器
C.主控板
D.电池
一、选择题
B
课堂练习
2.控制系统的最终目的是（）
A.只采集数据
B.改变系统的状态
C.只进行计算
D.只输出声音
一、选择题
B
课堂练习
3.感应垃圾桶中实现开盖关盖动作的输出部件是（）
A.超声波传感器
B.主控板
C.舵机
D.连接线
一、选择题
C
课堂练习
1.改变系统状态，既可以改变输入，也可以修改计算部分程序逻辑。（）
2.感应垃圾桶设置2秒延时，目的是让垃圾桶盖子打开得更快。（）
3.系统状态只包含物理状态，不存在逻辑状态。（）
4.超声波传感器负责监测物体与垃圾桶之间的距离。（）
二、判断题
课堂练习
1.√ 2.× 3.× 4.√
参考：
课堂练习
请写出两种改变系统状态的方法。
简单描述感应垃圾桶的控制过程。
三、解答题
课堂练习
1.①改变系统的输入或开关；②修改计算部分算法程序逻辑。
2.超声波传感器检测距离；距离≤30cm保持2秒，舵机转动开盖；距离大于30cm，舵机关闭盖子。
参考：
课堂总结
同学们，今天我们学习了控制系统的目的就是改变系统状态。我们知道改变系统状态有两种途径：改变输入，或是修改程序逻辑。以感应垃圾桶为例，我们用输入 计算 输出模型拆解整个系统，超声波传感器采集距离作为输入，主控板做判断，舵机完成开盖、关盖输出。同时我们还学会从输入、计算、输出角度找系统缺点。课后大家可以想一想，怎样优化垃圾桶，解决误触发、不方便小朋友使用这些问题。
课堂板书
https://www.21cnjy.com/help/help_extract.php
让备课更有效
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Thanks!

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