高中通用技術(shù)課程開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)分

呂清海

在高中通用技術(shù)課程的《技術(shù)與設(shè)計2》中，我認(rèn)為對學(xué)生來說，最大的重難點(diǎn)應(yīng)該就是開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的判斷與分析。

在教材中，對開、閉環(huán)控制系統(tǒng)分別是這樣定義的：“控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)?！睆亩x來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)控制系統(tǒng)多了一個檢測輸出量并返回輸入端比較的過程，也就是反饋環(huán)節(jié)，因此，判斷有沒有反饋環(huán)節(jié)，就是我們區(qū)分開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個最明顯的標(biāo)志，也是最確切的辦法。

但是我發(fā)現(xiàn)學(xué)生在面對一個控制系統(tǒng)的時候，卻經(jīng)常不能很好地判定到底有沒有反饋。尤其有的同學(xué)經(jīng)常把檢測輸入信號的裝置當(dāng)成了反饋環(huán)節(jié)中檢測裝置，以致把開環(huán)控制系統(tǒng)誤判成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。比如自動門控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中有一個檢測裝置，但這是用來檢測有沒有人站到門口的裝置，而不是檢測輸出量并返回到輸入端的裝置。因此，不能以此來判定這里有一個反饋環(huán)節(jié)，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在教學(xué)過程中，根據(jù)我自己對開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的理解，我讓學(xué)生可以再用以下幾種方法來輔助區(qū)分這兩者：

1. 看輸入量與輸出量

開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間都是有一定關(guān)系的。首先，在不考慮干擾因素的情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量應(yīng)該是一一對應(yīng)的。而閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)則是一個輸入量對應(yīng)多個輸出量；其次，因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量與輸出量要在比較器中進(jìn)行比較，所以必須是同一種量。只要把握好這兩種關(guān)系，我們就可以比較容易地判斷出一部分開環(huán)控制系統(tǒng)。比如，電風(fēng)扇控制系統(tǒng)，一個擋位對應(yīng)一個風(fēng)速，改變擋位，風(fēng)速就要隨之變化，輸入量與輸出量不是同一種量且一一對應(yīng)，這肯定是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

2. 看該系統(tǒng)的輸出量是不是自動維持在某個狀態(tài)上

詳細(xì)一點(diǎn)說，就是看這個系統(tǒng)在工作過程當(dāng)中，一旦輸出量發(fā)生了變化，會不會自動、及時地進(jìn)行調(diào)整，把輸出量維持在原來的狀態(tài)上。在這里，我給學(xué)生舉了兩個例子進(jìn)行說明：（1）冰箱：通電工作一段時間后，它的輸出量（冰箱內(nèi)的實(shí)際溫度）應(yīng)該和輸入量（設(shè)定溫度）相同，這時放入一盆熱水，輸出量（冰箱內(nèi)的實(shí)際溫度）就要發(fā)生變化，那么系統(tǒng)就要加緊工作，把實(shí)際降下來，回到設(shè)定溫度。這就是閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）聲控?zé)簦涸瓉頍羰菧绲?，檢測到聲音，燈亮，雖然還會回到燈滅的狀態(tài)，但不是系統(tǒng)自動、及時地進(jìn)行調(diào)整，而是因?yàn)槭孪仍O(shè)定了燈亮的時間。這就是開環(huán)控制系統(tǒng)。

由此，我們在面對一個控制系統(tǒng)的時候，就可以靈活地運(yùn)用這幾種方法來快速地判斷這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)還是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

例如：

1. 隨著音樂起伏而變化的音樂噴泉是控制技術(shù)的一種具體應(yīng)用

其工作過程是由 “聲－電轉(zhuǎn)換裝置”將起伏的音樂強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為隨之而變化的電信號，這種電信號驅(qū)動電動機(jī)帶動水泵轉(zhuǎn)動。音樂聲信號強(qiáng)，水泵的轉(zhuǎn)速就快，噴頭的壓力就大，噴出的水柱就高。反之，噴出的水柱就低。音樂信號的強(qiáng)弱與噴泉水柱的高低一一對應(yīng)。

這個題目當(dāng)中，“音樂信號的強(qiáng)弱與噴泉水柱的高低一一對應(yīng)”這句話明確地告訴我們系統(tǒng)的輸入量與輸出量是一一對應(yīng)的，那么這肯定是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

2. 在實(shí)驗(yàn)室中常用“水浴器”來保持物體處于恒溫狀態(tài)

如圖1所示，水浴器通過溫度選擇器來設(shè)定所需要的水溫；通過電子線路實(shí)現(xiàn)對加熱器的控制；通過溫度傳感器檢測水溫，并以電子信號形式傳遞給控制端，控制裝置將這個信號與來自溫度選擇器的信號進(jìn)行比較，從而使水浴器內(nèi)箱保持恒溫。這個題目的描述當(dāng)中，已經(jīng)明確告訴我們系統(tǒng)當(dāng)中有一個檢測水溫并進(jìn)行比較的過程，也就是有反饋環(huán)節(jié)，那么很明顯是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3. 某辦公樓大廳采用自然光照明，控制系統(tǒng)如圖2，太陽光經(jīng)過反光鏡反射到反光球面

鏡上，反光球面鏡再將光線反射到大廳，從而達(dá)到采集自然光的目的 。當(dāng)太陽移動后，光線到達(dá)反光球面鏡的位置也隨之發(fā)生偏移，相應(yīng)的傳感器就會受到光照產(chǎn)生電信號，控制器根據(jù)不同傳感器送來進(jìn)來的信號控制反光鏡作相應(yīng)的調(diào)整。

對這個控制系統(tǒng)，有很多同學(xué)不能準(zhǔn)確地判斷有沒有反饋，但題目當(dāng)中明確地告訴我們，系統(tǒng)的最終目的也就是輸出量就是要將光線反射到大廳，不管太陽怎么移動，系統(tǒng)都會自動進(jìn)行調(diào)整，使光線仍然反射到大廳當(dāng)中，也就是說總是要把輸出量維持在某一個狀態(tài)上，那么很顯然，這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4. 小濤制作了方便家畜喝水的自動加水器，結(jié)構(gòu)如圖3

很顯然，這個系統(tǒng)的最終目的是要搪瓷碗中的水位一直保持在5cm處，也符合把輸出量一直維持在某一個狀態(tài)上，因此，這也是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

總之，學(xué)生只要掌握了這幾種方法并能根據(jù)情況靈活運(yùn)用，就能夠完全正確地區(qū)分所有高中階段遇到的控制系統(tǒng)，使開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)分不再成為難點(diǎn)。

（膠州市第二中學(xué)）