2.2 系统稳态与优化(教学课件）信息科技鲁教版六年级下册(新教材）

第二单元 系统与运算 系统稳态与优化 第二课 鲁教版 目录 CONTENTS 课程导入 01 探究系统的稳态 02 影响系统稳态的因素 03 了解系统的优化 04 挑战自我 05 硕果累累 06 课程导入 为参加科创比赛，小智制作了一款声控台灯，可实现拍手控制灯的点亮和熄灭。但在测试过程中他发现，外界有其他声响时，台灯也会出现点亮或熄灭的情况。 自制声控台灯 讨论 这是为什么呢?又该如何避免呢? 声控台灯受到除拍手以外的声音控制，这说明其受到了干扰，工作不稳定。 确保系统稳定工作是系统设计及制作需要面对的一个重要问题。 生态系统是由生物与环境构成的统一整体。生物圈作为地球上最大的生态系统，其稳定性依赖于食物链。生物通常从环境中获取空气、水分、阳光、热量和营养物质等必需资源来维持生存。 探究系统的稳态 草原生态系统 场景一 畅所欲言：观察图中的草原生态系统，如果绿色植物出现短缺，将会引发什么问题? 讨论 探究系统的稳态 场景一 当生态系统受到阳光、温度、湿度等因素的影响，导致绿色植物短缺时，生态系统可能会失去稳态。绿色植物的生长条件一旦得到满足，它们将迅速生长，或者生态系统中的各种生物将重新建立新的食物链，生态系统有可能建立。生态系统从破坏到重新建立的时长，反映了其稳定性的强弱。对于一个系统来说，维持稳定状态是非常重要的。 草原生态系统 系统的稳态维持，犹如生态系统的平衡，至关重要。它确保了运行过程的稳定、可靠与安全，对于保持功能的正常运行具有重要意义。 探究系统的稳态 小试身手 实验名称:探究电暖气控制系统的稳态。 实验目的:以小组为单位，探究电暖气控制系统稳态的实现方法。 实验器材:主控板、温湿度传感器、半导体热电模块、继电器、导线、电源等。 实验步骤： 第1步，分析电暖气室温控制系统的原理。电暖气由温度传感器、温度控制器和加热元件等组成。温度传感器负责监测周围实际温度，并将数据传输给温度控制器;温度控制器将设定的温度与实际温度进行比较，以决定是否启动或停止加热元件。 探究系统的稳态 小试身手 电暖气 1.假设要把电暖气的温度控制在40°C，图中显示的两种温度控制算法，哪一种比较好?(变量t表示温度)为什么? 探究系统的稳态 小试身手 第二种算法（t>39℃ AND t<41℃）更好。 因为实际温度很难精确稳定在40℃，使用一个区间（如39~41℃）可以避免设备频繁启停，使系统更稳定、节能，也符合实际控制需求。 2.根据图示，在软件环境中分别搭建模拟系统并运行。 探究系统的稳态 小试身手 3.根据软件搭建及模拟结果，利用开源硬件搭建电路，并进行测试。 注意:加热器件温度较高，严禁用手触摸! (1)分别采用两种算法，让电暖气各工作10分钟，每1分钟记录一次数据，填写在下面表格中。 小试身手 探究系统的稳态 设定温度(°) 温度控制算法 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 40 t=40°C t>39°C AND t＜41°C 模拟电暖气数据记录表 实验环境温度(°C): 实验小组成员: 探究系统的稳态 通过实验对比，我们会发现在实际运行中，两种算法表现会有明显差异： 小试身手 t=40℃算法（精确点控）： 当温度达到40℃时立即停止加热； 但因散热，温度会略降（如39.5℃），触发“否”→重新加热； 导致频繁启停（例如：第8分钟40℃→停；第9分钟39.6℃→加热；第10分钟40.1℃→停），数据可能出现波动： → 示例真实记录可能为：… 38, 40, 39.6, 40.2, 39.8, 40.1… t>39℃ AND t<41℃算法（区间控）： 温度在39~41℃之间即停止加热； 只有当温度 ≤39℃ 才加热，≥41℃才可能过热（但本例设定40℃，通常不会超）； 更稳定：升温到40℃后持续停机，直到自然降温至39℃以下才重启； 实际数据更平滑，如：26→28→30→32→34→36→38→40→40→39.8→39.5（第10分钟才重启） 探究系统的稳态 (2)根据记录的数据，在图中画出数据曲线。 小试身手 探究系统的稳态 (3)当加热 分钟后，电暖气温度到达设定值附近，温度不再发生明显变化。 (4)对比数据曲线，结合实验中的现象，说一说:哪种温度控制算法可以使电暖气的工作更稳定?为什么? 小试身手 讨论 8 第二种算法（t>39℃ AND t<41℃）更稳定。 原因： 它采用“区间控制”而非“精确点控制”，允许温度在合理范围内波动（39~41℃），避免了因微小温差导致的继电器频繁开关； 减少了设备启停次数，降低了机械磨损和能耗； 温度曲线更平滑，无剧烈振荡，用户体验更好（不会忽冷忽热）； 符合实际控制系统中“滞回控制”或“死区控制”的思想，是工程实践中常用的方法。 影响系统稳态的因素 系统在运行过程中，经常会受到不良因素的影响，从而出现不稳定的情况。 场景二 建筑工地的噪声 讨论 你有类似经历吗?小组讨论:噪声会对正常生活产生哪些影响? 小智家附近有一个正在施工的建筑工地，其产生的强烈噪声极大地干扰了小智家及其邻居的正常休息。 影响系统稳态的因素 建筑施工等活动产生的噪声，严重扰乱了人们的日常生活节奏。这是噪声污染对人们的日常生活造成的干扰之一。 干扰现象在我们的日常生活中无处不在，如收听无线广播节目时可能会遇到杂音，这是杂乱的无线电波对正常广播信号的干扰所致;又如，传感器采集的数据若存在较大偏差，可能会导致控制器做出错误的操作决策，这是错误数据对系统控制流程的干扰。 场景二 生活中的干扰现象 影响系统稳态的因素 干扰是对系统正常运行产生不良影响的各种因素的总称，它们可能来自系统内部，也可能来自外部环境。 场景二 开环控制系统几乎无法对输出量的偏差进行有效的调整或校正。一旦系统受到干扰，其输出就可能会偏离预期目标，且系统自身无法主动进行修正。 相比之下，闭环控制系统则更具调整能力和适应性。通过反馈回路，系统一旦发现偏差，便能立即进行调整，确保输出量尽可能接近或达到预设目标。这种自我校正的能力，使得闭环控制系统在面对各种干扰时表现出更高的稳定性和准确性。 影响系统稳态的因素 场景二 1.在模拟电暖气的实验中，可能会有哪些干扰情况?应如何处理? 影响系统稳态的因素 小试身手 ✅ 可能的干扰情况： 环境温度波动：如开窗通风、空调运行、人员走动等导致室温变化。 传感器误差或漂移：DS18B20温度传感器受电磁干扰、安装位置不当（靠近热源/冷源）导致读数不准。 电源电压不稳：电池电量下降或USB供电不足，影响控制器和继电器工作稳定性。 机械振动或接触不良：导线松动、继电器触点氧化，造成加热电路时通时断。 算法响应延迟：程序扫描周期过长，未能及时响应温度变化，导致超调或振荡。 ✅ 处理方法： 物理隔离与屏蔽：将传感器远离热源，使用屏蔽线减少电磁干扰；固定好接线避免松动。 软件滤波：对传感器数据做多次采样取平均值或中值滤波，提高数据可靠性。 增加死区/滞回控制：采用区间控制（如 t > 39℃ AND t < 41℃），避免频繁启停。 稳定电源供应：使用稳压模块或充满电的电池组，确保系统供电稳定。 优化控制算法：引入PID控制或自适应调节，提升系统抗扰能力和动态响应速度。 讨论 小试身手 影响系统稳态的因素 2.找出表中所列场景中的干扰因素，并说出它们可能带来的影响。 几种干扰因素分析 场景 干扰因素 可能影响 打开电冰箱的门放东西 在飞机上打电话 蔬菜大棚里的温度控制 外部热空气进入冰箱内部 温度上升，压缩机频繁工作，耗电增多 手机信号干扰飞机导航/通信系统 导航失灵、通信中断，威胁飞行安全 天气突变（如突然降温/暴晒）、风速变化、遮阳网故障 温控失效，作物受损，减产或绝收 小试身手 影响系统稳态的因素 如果一个系统具有良好的稳态性能，那么它就能有效地抵抗干扰，保持输出的稳定性。因此，抗干扰能力对于提高系统的可靠性和稳定性具有重要意义。 系统优化是指对控制系统的各个组件和参数进行细致调整的过程，它在日常生活和生产中具有重要意义。 了解系统的优化 场景三 会变速的自动扶梯 相较于定速自动扶梯，变速自动扶梯具有哪些优点? 目前，大部分的自动扶梯具有自动变速功能，通常根据使用情况进行调整。在无人乘坐时，扶梯以低速运行或停止运行;当有人踏上扶梯时，扶梯全速运转。 讨论 变速自动扶梯是一个系统优化的典型实例。它通过内置的传感器和控制系统实现速度调节，能够监测扶梯上的乘客流量、负载情况以及其他相关参数，并根据预设的算法或程序自动调整扶梯的运行速度。它们广泛应用于购物中心、机场、火车站、地铁站等场所，不仅能够显著提高这些场所的运输效率和乘客的舒适度，还能够在保证运输效率的同时降低能耗，实现节能减排的目标。 系统优化是非常重要的，其意义主要体现在提升系统性能、节省资源与能源、提高系统稳定性与可靠性、促进技术创新与发展等方面。 场景三 了解系统的优化 会变速的自动扶梯 答案：D 1.列车提速是对铁路运输系统的优化，以下说法正确的一项是( )。 A.机车引擎是最重要的，只要有先进的机车引擎，就能提速 B. 铁轨是列车行驶所必需的，将铁轨全部更换就可以提速 C. 只有建设“磁悬浮列车”才能提速 D. 不仅要有先进的机车，还需轨道、桥梁、隧道等基础设施的配套改进 解析：列车提速是系统工程，需先进机车及轨道、桥梁等基础设施的配套改造，仅靠单一环节无法实现。 挑战自我 挑战自我 2.为提高倒车雷达的性能，我们可以从哪几个方面对其进行优化? 硕果累累 序号 评价内容 评价等级 优 良 一般 1 理解系统稳态的含义 2 知道干扰的含义及其对系统稳态的影响 3 了解系统优化的意义 4 小组合作学习效果 5 同学间互帮互助情况 谢谢 下节课见！ Thanks！ 鲁教版 $