對(duì)通用技術(shù)課程中開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的理解

張陽(yáng)陽(yáng)

開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)是高中通用技術(shù)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也最能體現(xiàn)學(xué)生的核心素養(yǎng)，高中生生活經(jīng)驗(yàn)還比較欠缺，對(duì)于生活中常見(jiàn)的控制系統(tǒng)理解還不夠深刻，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)該知識(shí)進(jìn)行解讀。

一、對(duì)控制系統(tǒng)中各量的區(qū)分

在系統(tǒng)與設(shè)計(jì)一章學(xué)生了解了系統(tǒng)是一個(gè)整體，由相互聯(lián)系的若干要素（或部分）組成，控制系統(tǒng)也不例外。任何一個(gè)控制系統(tǒng)除了有輸入和輸出量以外，還有控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象等部分。下面分別來(lái)介紹一下。

輸入量，也稱給定量，可以理解為促使控制系統(tǒng)工作的原因。輸出量，也稱被控量，是控制的目的、結(jié)果。任何控制都有其因和果，如自動(dòng)門(mén)控制的輸入量（因）是有無(wú)檢測(cè)到人的紅外信號(hào)，輸出量（果）是門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。室內(nèi)空調(diào)溫度控制的輸入量（因）是給定的溫度，輸出量（果）是室內(nèi)的實(shí)際溫度。

控制器，是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷、計(jì)算，能思考的智能裝置；執(zhí)行器，是接受控制器的命令（信號(hào)），直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的裝置或元件，它是不“思考”，只干活的有“執(zhí)行力”的裝置。此外我們把執(zhí)行器的輸出信號(hào)或輸出狀態(tài)，稱之為“控制量”。如自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)中控制器是控制電路，執(zhí)行器是電機(jī)，控制量是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的控制器是控制電路，執(zhí)行器是壓縮機(jī)。被控對(duì)象是控制系統(tǒng)中所要控制的裝置或生產(chǎn)過(guò)程，也可以理解為承載輸出結(jié)果的裝置，比如自動(dòng)門(mén)，房間等。

二、開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

教材中，對(duì)開(kāi)、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(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；而系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)?！?/p>

說(shuō)的具體一點(diǎn)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是不管控制的結(jié)果，只有輸入到輸出的單向信號(hào)傳遞，系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程產(chǎn)生任何影響。比如：自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)，當(dāng)有人進(jìn)入門(mén)前的有效范圍，門(mén)上方的紅外傳感器檢測(cè)到人的紅外信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)傳給控制器，控制器接收到此信號(hào)下達(dá)指令給電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)門(mén)的開(kāi)啟，過(guò)會(huì)兒檢測(cè)不到人的紅外信號(hào)了，門(mén)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，此即開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖：

閉環(huán)控制系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)稍微復(fù)雜，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，多了一個(gè)由檢測(cè)裝置組成的反饋環(huán)節(jié)。檢測(cè)裝置會(huì)檢測(cè)輸出量，注意是輸出量，并把它返回到系統(tǒng)的輸入端，與輸入量進(jìn)行比較，比較器求出輸出量與輸入量之間的偏差值，控制器根據(jù)這一差值進(jìn)行運(yùn)算處理，并向執(zhí)行器下達(dá)指令，執(zhí)行器根據(jù)指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，從而使被控量控制在一定范圍內(nèi)，也即系統(tǒng)的輸出量會(huì)對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響。比如空調(diào)溫度控制系統(tǒng)，我們打開(kāi)空調(diào)時(shí)，給它設(shè)定一個(gè)合適的溫度，這就是輸入量（也即給定量），控制電路接收到這個(gè)信號(hào)，向壓縮機(jī)發(fā)出指令，通過(guò)壓縮機(jī)做功來(lái)調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度，同時(shí)溫度傳感器時(shí)刻檢測(cè)此輸出信號(hào)并把它反饋給輸入端，當(dāng)房間內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制器下達(dá)指令從而使壓縮機(jī)停止工作。還有水箱水位控制系統(tǒng)、糧倉(cāng)濕度控制系統(tǒng)等典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖：

三、開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別：

下面通過(guò)給游泳池注水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)談?wù)剬?duì)兩類(lèi)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。假定水壓正常，單位時(shí)間里流過(guò)進(jìn)水管的水是一定的，那么我們可以通過(guò)設(shè)定注水時(shí)間，使游泳池的水位達(dá)到設(shè)定水位，時(shí)間到注水閥門(mén)關(guān)閉。用方框圖表示為：

假如某次注水時(shí)水壓偏低或高，而設(shè)定的注水時(shí)間又不變，那么最終游泳池的實(shí)際水位就會(huì)偏離設(shè)定的水位，無(wú)法達(dá)到我們希望的結(jié)果。下面我們把輸入量由注水時(shí)間改為設(shè)定水位，通過(guò)在游泳池里增加一個(gè)檢測(cè)水位高低的水位電極，通過(guò)把檢測(cè)的游泳池水位信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)與設(shè)定水位進(jìn)行比較，控制器作出判斷，如果實(shí)際水位低于設(shè)定水位，則注水閥門(mén)繼續(xù)注水，如果實(shí)際水位達(dá)到設(shè)定水位，則注水閥門(mén)關(guān)閉。用方框圖表示為：

可見(jiàn)，此游泳池水位控制系統(tǒng)控制精度高，不會(huì)受水壓波動(dòng)的影響。

結(jié)合以上兩種給游泳池注水的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，我們可以總結(jié)一下兩類(lèi)控制系統(tǒng)的區(qū)別。一是閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個(gè)由檢測(cè)裝置組成的反饋環(huán)節(jié)，而開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有此反饋環(huán)節(jié)。所以在系統(tǒng)工作過(guò)程中，我們可以觀察一旦受到干擾，輸出量受到影響，系統(tǒng)會(huì)不會(huì)及時(shí)、自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，把輸出量維持在希望的狀態(tài)。閉環(huán)控制系統(tǒng)控制精度高，可以克服干擾。二是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)會(huì)將輸出量返回到輸入端，并在比較器中進(jìn)行比較，兩個(gè)量可以比較，說(shuō)明輸入、輸出量必須是同一個(gè)量。只要把握好這兩層含義，我相信學(xué)生在判斷控制系統(tǒng)時(shí)能靈活辨析。