高一技术：控制与设计教学设计课件

COVER让事物听话的艺术：控制与设计控制·开环·闭环·设计DATE2026单元导览01认识控制从生活现象到控制定义02控制方式人工控制与自动控制03开环控制单向传递与典型应用04闭环控制反馈回路与自我纠错05设计实践从定时浇水到湿度控制06素养升华核心素养与科技强国CHAPTER认识控制控制是一门让事物听话的艺术01生活里处处有控制“控制就在身边：闹钟准时响、空调稳在26℃、感应门自动开、智能马桶自动冲洗——这些习以为常的场景都藏着“控制”。”日常场景中的控制无人照料的盆栽靠自动浇水装置保持绿意生活案例自动控制人类追求控制的历史从千年前“火龙出水”到载人航天火箭精准悬停，人类对控制的追求从未停止古→今技术演进控制不是陌生概念，它就在每天使用的产品里，在每一个“让事物乖乖听话”的动作中。今天就从这些现象出发，把控制说清楚、看明白。控制的三要素目的要达到什么目标——先想清楚系统要达成的结果，再来谈怎么控制。

生活案例

汽车转向改变行驶方向

空调制冷把室温降到设定值提问口诀：先问「要达成什么结果？」，再谈控制方案。对象控制谁——找准被控对象，才能确定系统的边界与作用点。

生活案例

汽车转向被控对象是车轮

空调制冷被控对象是房间空气小技巧：对象找得越准，控制方案越简单。手段靠什么实现——选择驱动与控制执行的方式，将目标落到动作上。

生活案例

汽车转向方向盘带动车轮转向

空调制冷压缩机调节制冷强度想一想：同样的目的与对象，能否换一种手段实现？控制的定义核心理解让事物听话的艺术让事物按我们想要的样子发展为理解开环与闭环的统一逻辑埋下伏笔从火龙乱舞到精准悬停明代“火龙出水”靠祈祷龙身外四只火箭为一级动力，引燃腹内二级火箭从龙口射出，但火药点燃后方向只能“靠祈祷”。万户尝试梦想坠落多只火箭推动座椅升空，因无同步点火和姿态调整，误差足以让梦想坠落。今日火箭毫秒修正数千个传感器、数百万行代码，毫秒间修正角度、调节推力，让几十层楼高的钢铁巨兽稳稳悬停。CHAPTER控制方式有人全程干预，还是无人直接参与02人工控制：人在全程干预骑自行车不断调整车把保持平衡每次转向、刹车都靠实时操作全程干预实时调整用电饭煲煮饭前按需选择功能并按下开关人负责判断与决策，再交给机器执行人工设定按需选择优势灵活、可直接应对变化人能灵活应变，当场判断并调整做法灵活应对应变力强局限依赖持续专注，人一旦离开，控制可能中断难以长时间不间断地执行控制任务理解这一点，才能自然过渡到自动控制的概念。自动控制：无人直接参与控制过程无人直接参与，事物按期望方向自动变化。空调恒温设定温度后人可离开传感器与压缩机自动维持室温传感器自动维持感应门无需人推拉人走近自动打开自动感应本质人将判断与操作“委托”给控制器和传感器连续稳定不知疲倦判断关键看控制过程中是否有人的直接、全程介入而非是否使用了人设定的程序直接介入全程介入分类基础这一分类为认识开环与闭环控制打下基础开环闭环从人工到自动的线索类型人的角色特征常见例子人工控制

全程直接干预灵活、依赖专注骑自行车、手动开关灯自动控制

无人直接参与连续、稳定、无需盯守空调恒温、感应门理解了这一层，我们会发现自动控制内部还有更细致的分类：定时洗衣机"到点就停"，和空调"边测边调"并不一样，差别正是有反馈还是无反馈，这引出了开环控制与闭环控制。CHAPTER开环控制只管做，不回头看03开环控制的定义核心特征无反馈控制器与被控对象之间只有正向控制，无反馈，输出量不影响控制量。指令单向传递不回头看输入端→执行端→结束，系统不回头看的单向流程。典型实例定时电风扇定时电风扇设定两小时后关闭——不管房间是否凉爽，时间一到准时关闭。一句话理解预设剧本如同执行预设剧本的演员，从输入到动作再到结束，单向走完即止，抓住单向传递、无反馈。开环控制的结构组成控制器三大基本环节·1按预设程序生成控制信号，全程不接收反馈。执行机构三大基本环节·2把信号转为物理动作（电机、继电器等）被控对象三大基本环节·3接受作用，产生预期变化（加热元件、传动机构等）定时浇花器开环控制实例输入时间设定控制器到点发指令执行机构打开水泵被控对象花盆接收水流单向推进开环控制关键特征输入到输出单向推进，无反馈回路。关键理解考场常考点掌握三环节位置与作用，是画方框图、分析控制系统的基础，也是考试填写环节名称的常考点。开环控制的特征与代价开环控制结构简单，硬件成本较闭环系统低得多响应快，适用于成本敏感或过程确定的场景结构简单响应快成本低精度受限精度依赖初始设计抗干扰能力弱，输出偏差无法自动修正无自我纠错适用稳定本质：省掉检测与修正，换来简单便宜，失去自我纠错适用：工作条件稳定、干扰可忽略的环境条件稳定干扰可忽略转向闭环存在明显扰动或精度要求高时，需引入反馈走向闭环引入反馈权衡判断这一判断，正是后面设计实践中要反复权衡的问题设计权衡开环控制的典型应用定时洗衣机按预设时间停，不管洗没洗干净输出不检测定时浇花器到点就浇，不管土壤干不干到时即动普通电风扇按下就转，不管风吹没吹到人只管做易错提醒有传感器≠闭环：光控路灯虽有光敏传感器，但只触发开关，灯亮不反过来影响“天亮”，输出未反馈修正判断口诀：输出有没有被检测并送回参与控制？没有，就是开环。CHAPTER闭环控制边做边看，自我纠错04反馈：闭环的灵魂反馈=输出结果送回，与目标值比较，得出偏差，据此调整动作››1检测输出检测输出结果2比较偏差与目标值比较得出偏差3调整动作据此调整动作核心价值让系统自我纠错。无反馈如蒙眼走路，有反馈如睁眼随时修正。生活案例例：考试对照目标分差20分，改进学习方法反馈三步曲01检测传感器测出实际温度28℃偏差

＋2℃02比较与设定值26℃相比，偏差

＋2℃对照目标03调整加大制冷功率，温度降至26℃，偏差归零稳定运行闭环精髓不是一次性执行到底，而是不断把结果拿回来对照目标。窗户打开热风灌入，偏差再现，立即再调，不断循环。自我纠正闭环的四个量与四个器输入量设定值目标控制量信号执行动作被控量输出实际结果偏差设定值−实际值目标与实际之差控制器大脑发出指令执行器眼耳手执行动作被控对象试卷被作用对象检测装置眼睛读取结果以考九十分为例：设定值90分→大脑发出努力指令→眼耳手看书听讲→试卷得分即被控量→眼睛读分→比较器对比90分，偏差产生→大脑继续发令，循环往复，分数在设定值附近波动。恒温箱方框图解析信号流向信号流动的起点设定温度进入比较器，与反馈实际温度比较后，产生偏差信号。控制器系统的大脑温控器，相当于大脑，负责决策。执行器系统的手加热器，相当于手，听从大脑指挥。被控对象被控制的箱体箱体，输出量为箱内实际温度。检测装置反馈的关键温度传感器，将实际温度送回比较器，形成闭环。关键判断理解闭环的关键剪掉温度传感器连线，系统立即退化为开环——加热器埋头加热，不知箱内温度。考试常见填图偏差的计算与判断偏差的正负决定调整方向，这正是闭环控制"依靠偏差、消除偏差"原理的计算体现，也是填空与判断题的得分抓手。01偏差为+5℃→恒温箱设50℃，实测45℃→偏差=50−45=+5℃02偏差为正→实际温度偏低→需加大加热功率03偏差为负→实际温度偏高→需降低加热功率偏差=设定值−实际值易错点：减数与被减数勿颠倒——"设定值在前，实际值在后"闭环控制的典型应用生活闭环案例3例空调恒温自动检测温度并调节——检测室温送回与设定值比较感应门自动开关检测人体是否靠近，自动开门与关门智能马桶自动冲洗检测使用状态，自动完成冲洗共同点：反馈通路第二个易错点2例有自动≠闭环定时器不检测结果，按预设时间动作，属开环人看水位手动关阀人充当传感器+控制器，检测水位并决策，反属闭环判断核心判断闭环的唯一标准：输出是否被检测并送回参与控制有检测、有送回，才是闭环；否则即使自动，仍是开环。开环与闭环的全面对比对比维度开环控制闭环控制反馈回路无有精度较低，依赖初始设计高，持续修正偏差抗干扰能力弱，听天由命强，自动补偿结构与成本简单、成本低多传感比较器，成本高形象比喻执行剧本的演员边做边看的管家核心区别只有一个词开环与闭环放在一起看，核心区别始终只有一个词——反馈。判断口诀有反馈即闭环，无反馈即开环；凡是定时定量的控制，基本都是开环。CHAPTER设计实践从定时浇水到湿度控制05设计任务：定时浇水系统工作过程电子定时器预设时间时间到打开水泵浇水到关闭时间停止系统结构输入量=设定浇水时间输出量=水管出水量关键特征信号单向传递输出量对系统不产生任何影响标准开环控制：时间到了就执行从草图到模型的制作流程从草图到模型，是"设计意图转化为实物"的完整实践核心不是照图复制：孔开在哪、管子多长，需自己思考再动手。➜➜体现通用技术"设计导向、实践支撑"理念，让控制知识落到手上。1步骤01·设计意图分组讨论，绘制草图确定打孔位置、软管长度草图定位2步骤02·实践加工材料：矿泉水瓶、软管工具：热熔胶枪、电烙铁——电烙铁打孔，软管截成两段瓶+管热加工3步骤03·测试验证桌面不装水测试接水盘确认不漏水再整体展示验漏迭代进阶任务：土壤湿度控制系统从“只管浇”到“按需浇”，完成从开环到闭环的认知跃迁。第1步湿度传感器检测第2步控制器判断第3步电磁阀执行检测结果送回参与控制，形成反馈回路，属典型闭环控制系统。条件

①土壤干燥湿度低于设定值控制器比较实测湿度与设定值，判定偏干，水泵打开浇水。条件

②浇水中持续检测，达到设定湿度边浇边测，湿度达标即触发，水泵关闭。两个系统的对比与设计思路Q

定时浇水系统与土壤湿度系统有何区别？A

前者输入时间、输出水量，单向传递，属于开环；后者输入湿度设定值，传感器反馈实际湿度并比较，属于闭环，能自我纠错。Q

控制系统设计应回答哪些问题？A

控制目的是什么、被控对象是什么、主要干扰因素有哪些、用什么方案既达到目的又经济、需要哪些设备和元件。Q

设计思路的意义是什么？A

把问题想清楚，控制系统设计的一般思路就出来了，是从“会判断”走向“会设计”的关键一步，控制知识真正转化为解决实际问题的能力。把定时浇水系统和土壤湿度系统放在一起比较，差别一目了然。CHAPTER素养升华从控制技术到技术素养06核心素养四维落地技术意识全局视角从系统目的入手，建立全局意识。工程思维系统思考通盘考虑干扰因素，养成系统思考习惯。创新设计多元方案发现需求关联性，多角度分析，制定多种方案。图样表达结构认知准确判断系统方框图的各组成部分。控制技术里的科技强国国家工程背后的控制技术科技强国北斗导航：精密姿态与轨道控制，保障稳定运行与精准定位国产航母、智能家居、工业机器人：均依赖成熟控制系统从古至今的发展脉络古今智慧古代：指南车、水排，蕴含中国古人智慧当代：自主创新，记录科技工作者奋斗控制学习的深层意义思维内核不止于画方框图、判断开环闭环