高中通用技術課程開、閉環控制系統的區分

呂清海

在高中通用技術課程的《技術與設計2》中，我認為對學生來說，最大的重難點應該就是開環控制系統和閉環控制系統的判斷與分析。

在教材中，對開、閉環控制系統分別是這樣定義的：“控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統；系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。”從定義來看，閉環控制系統比開環控制系統多了一個檢測輸出量并返回輸入端比較的過程，也就是反饋環節，因此，判斷有沒有反饋環節，就是我們區分開、閉環控制系統的一個最明顯的標志，也是最確切的辦法。

但是我發現學生在面對一個控制系統的時候，卻經常不能很好地判定到底有沒有反饋。尤其有的同學經常把檢測輸入信號的裝置當成了反饋環節中檢測裝置，以致把開環控制系統誤判成了閉環控制系統。比如自動門控制系統，系統中有一個檢測裝置，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節，這是一個閉環控制系統。

在教學過程中，根據我自己對開、閉環控制系統的理解，我讓學生可以再用以下幾種方法來輔助區分這兩者：

1. 看輸入量與輸出量

開、閉環控制系統的輸入量與輸出量之間都是有一定關系的。首先，在不考慮干擾因素的情況下，開環控制系統的輸入量與輸出量應該是一一對應的。而閉環控制系統系統則是一個輸入量對應多個輸出量；其次，因為閉環控制系統的輸入量與輸出量要在比較器中進行比較，所以必須是同一種量。只要把握好這兩種關系，我們就可以比較容易地判斷出一部分開環控制系統。比如，電風扇控制系統，一個擋位對應一個風速，改變擋位，風速就要隨之變化，輸入量與輸出量不是同一種量且一一對應，這肯定是一個開環控制系統。

2. 看該系統的輸出量是不是自動維持在某個狀態上

詳細一點說，就是看這個系統在工作過程當中，一旦輸出量發生了變化，會不會自動、及時地進行調整，把輸出量維持在原來的狀態上。在這里，我給學生舉了兩個例子進行說明：（1）冰箱：通電工作一段時間后，它的輸出量（冰箱內的實際溫度）應該和輸入量（設定溫度）相同，這時放入一盆熱水，輸出量（冰箱內的實際溫度）就要發生變化，那么系統就要加緊工作，把實際降下來，回到設定溫度。這就是閉環控制系統。（2）聲控燈：原來燈是滅的，檢測到聲音，燈亮，雖然還會回到燈滅的狀態，但不是系統自動、及時地進行調整，而是因為事先設定了燈亮的時間。這就是開環控制系統。

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

例如：

1. 隨著音樂起伏而變化的音樂噴泉是控制技術的一種具體應用

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

這個題目當中，“音樂信號的強弱與噴泉水柱的高低一一對應”這句話明確地告訴我們系統的輸入量與輸出量是一一對應的，那么這肯定是一個開環控制系統。

2. 在實驗室中常用“水浴器”來保持物體處于恒溫狀態

如圖1所示，水浴器通過溫度選擇器來設定所需要的水溫；通過電子線路實現對加熱器的控制；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行比較，從而使水浴器內箱保持恒溫。這個題目的描述當中，已經明確告訴我們系統當中有一個檢測水溫并進行比較的過程，也就是有反饋環節，那么很明顯是一個閉環控制系統。

3. 某辦公樓大廳采用自然光照明，控制系統如圖2，太陽光經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，從而達到采集自然光的目的 。當太陽移動后，光線到達反光球面鏡的位置也隨之發生偏移，相應的傳感器就會受到光照產生電信號，控制器根據不同傳感器送來進來的信號控制反光鏡作相應的調整。

對這個控制系統，有很多同學不能準確地判斷有沒有反饋，但題目當中明確地告訴我們，系統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，系統都會自動進行調整，使光線仍然反射到大廳當中，也就是說總是要把輸出量維持在某一個狀態上，那么很顯然，這是一個閉環控制系統。

4. 小濤制作了方便家畜喝水的自動加水器，結構如圖3

很顯然，這個系統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上，因此，這也是一個閉環控制系統。

總之，學生只要掌握了這幾種方法并能根據情況靈活運用，就能夠完全正確地區分所有高中階段遇到的控制系統，使開、閉環控制系統的區分不再成為難點。

（膠州市第二中學）