一道控制題之爭(zhēng)

陳國(guó)建

近幾年，在平時(shí)教師之間的談話中，聽到最多的討論是控制與設(shè)計(jì)這一節(jié)內(nèi)容，在復(fù)習(xí)研討會(huì)中，看到最多的展示課是控制與設(shè)計(jì)這一節(jié)。前幾年在臺(tái)州章青道老師的引領(lǐng)下，全省不少教師在網(wǎng)上進(jìn)行控制與設(shè)計(jì)方面的討論。在討論的過程中，許多教師獲益匪淺，教師之間也形成一定的共識(shí)，但有時(shí)還會(huì)形成一些分歧，還會(huì)對(duì)某些內(nèi)容進(jìn)行討論，甚至?xí)l(fā)生爭(zhēng)論。在2014年7月高二期末通用技術(shù)改卷過程中，陶老師對(duì)28題控制題的答案提出異議，從而引起兩個(gè)不同答案的爭(zhēng)論。

一、緣起

28.如圖所示為某平板打印機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖，主要由打印控制、走紙控制、干燥溫控等組成。其中走紙控制的工作過程大致如下：當(dāng)需要打印時(shí)，由光柵位移傳感器檢測(cè)紙張位置，單片機(jī)根據(jù)需求發(fā)出指令給搓紙伺服電機(jī)走紙，若紙張到達(dá)了指定位置，則讓伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)完成下列各題，在有“ ”處填上相應(yīng)的內(nèi)容。

（1）該系統(tǒng)除了走紙控制子系統(tǒng)以外，還有打印子系統(tǒng)和

子系統(tǒng)。

（2）根據(jù)示意圖及其描述，補(bǔ)充完整走紙自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖。

（3）該控制系統(tǒng)的熱電偶出現(xiàn)損壞，可能造成 （在①不能走紙；②無法完成打印；③墨水無法快速固化中選擇一項(xiàng)，將序號(hào)填寫在“ ”處）。

以上是2013學(xué)年第二學(xué)期高二期末通用技術(shù)試卷中第28題，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是第二小題，當(dāng)時(shí)給出的參考答案如下：①伺服電機(jī)；②光柵傳感器。當(dāng)時(shí)陶老師提出，第二小題中走紙自動(dòng)控制系統(tǒng)不是題中所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)而是開環(huán)控制系統(tǒng)，因此第2小題是錯(cuò)誤的。

二、各“圓”其說

面對(duì)陶老師提出的異議，負(fù)責(zé)出此題的潘老師解釋道：“光柵位移傳感器檢測(cè)紙張位的實(shí)際位置，并將該位置傳輸給單片機(jī)與設(shè)定位置進(jìn)行比較，單片機(jī)根據(jù)比較的偏差值發(fā)出指令給搓紙伺服電機(jī)走紙，若紙張到達(dá)了指定位置，則讓伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。”解釋后補(bǔ)充道：“這是個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，沒有錯(cuò)。”為了增加對(duì)剛才解釋的權(quán)威性，還列舉了2011年9月浙江省普通高等學(xué)校招生通用技術(shù)試題中的第25題，并表示這兩題類似。

25.如圖所示是數(shù)控機(jī)床的位置控制系統(tǒng)示意圖。

檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移，并將該位移值傳輸給數(shù)控裝置與設(shè)定位移量進(jìn)行比較，數(shù)控裝置根據(jù)比較的偏差值控制伺服裝置運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)到達(dá)指定的位置。

（1）根據(jù)示意圖及其描述，在控制系統(tǒng)框圖中“▲”處填寫相應(yīng)的內(nèi)容。

陶老師反駁道：“打印機(jī)的工作原理大概是這樣的：主機(jī)送來的代碼，經(jīng)過打印機(jī)輸入接口電路的處理后送至打印機(jī)的主控電路，在控制程序的控制下，產(chǎn)生字符或圖形的編碼，驅(qū)動(dòng)打印頭打印一列的點(diǎn)陣圖形，同時(shí)字車橫向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生列間距或字間距，再打印下一列，逐列進(jìn)行打印。一行打印完畢后，啟動(dòng)走紙機(jī)構(gòu)進(jìn)紙，產(chǎn)生行距，同時(shí)打印頭回車換行，打印下一行。上述過程反復(fù)進(jìn)行，直到打印完畢。”

簡(jiǎn)單地說就是打印機(jī)的打印就像電視的掃描一樣，逐行逐列地經(jīng)過每個(gè)位置，而不是東打印一個(gè)字，西打印一個(gè)字。因此，打印機(jī)的走紙自動(dòng)控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，工作過程大致如下：當(dāng)某一行打完后需要換行時(shí)，將換行信號(hào)傳給主控電路，主控電路根據(jù)需求發(fā)出指令給搓紙伺服電機(jī)走紙，當(dāng)紙走過一行間距時(shí)，則讓伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。走紙自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖如下所示：

2011年9月浙江省普通高等學(xué)校招生通用技術(shù)試題第25題中數(shù)控機(jī)床的位置控制系統(tǒng)與打印機(jī)的走紙自動(dòng)控制系統(tǒng)在原理上看上去類似，但有本質(zhì)的區(qū)別。數(shù)控機(jī)床不是按順序來工作的，而是A處工作完后就需要馬上移到B處，因此它是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

三、原因所在

在潘老師與陶老師的討論過程中，許多教師逐漸參與其中，一開始絕大多數(shù)教師支持潘老師的觀點(diǎn)，認(rèn)為此題沒問題。直到聽完陶老師多次耐心的解釋后，認(rèn)為不但第2小題有問題，連題目中關(guān)于走紙控制的描述也是成問題的，正是題目錯(cuò)誤的描述，引導(dǎo)大家把走紙控制系統(tǒng)看成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

事后我們又通過QQ對(duì)此題進(jìn)行多次討論，討論為什么關(guān)于《控制與設(shè)計(jì)》我們學(xué)習(xí)了這么多年，教了這么多年，討論了這么多年還會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤。最后總結(jié)出以下兩方面的原因。

1.教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)在許多時(shí)候能幫助教師快速、有效地解題，但有時(shí)也會(huì)對(duì)解題產(chǎn)生干擾。關(guān)于如何判斷開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)，從定義上看：開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)控制過程產(chǎn)生任何影響。而閉環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。區(qū)別的關(guān)鍵是否存在反饋，即輸出量是否對(duì)控制過程產(chǎn)生任何影響。教師通過多年的學(xué)習(xí)、教學(xué)、討論后，關(guān)于如何判斷開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)逐步形成了自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把輸出量是否對(duì)控制過程產(chǎn)生任何影響，簡(jiǎn)單理解成是否有多次的控制，只有一次控制是開環(huán)控制系統(tǒng)，如果需要不斷地控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)。教師為什么會(huì)形成這樣的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀恳驗(yàn)殚_環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)控制過程產(chǎn)生任何影響，往往只有一次控制，例如教材中選用的游泳池注水案例；閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生影響，有時(shí)為了抗干擾等因素，往往需要進(jìn)行不斷控制，例如教材中選用的加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。所以，這種經(jīng)驗(yàn)對(duì)絕大多數(shù)開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)判斷很有幫助，但也有個(gè)案不適用。

2.題目給教師產(chǎn)生錯(cuò)覺。從上往下打印過程中，需要不斷地?fù)Q行，打印紙就需要不斷地移動(dòng)，走紙控制系統(tǒng)會(huì)不斷對(duì)打印紙進(jìn)行控制，很多教師會(huì)產(chǎn)生走紙控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)的錯(cuò)覺。其實(shí)造成打印紙不斷移動(dòng)不是控制系統(tǒng)不斷控制的結(jié)果，而是輸入量不斷變化導(dǎo)致輸出量相應(yīng)的變化，這種情況以前教師碰到的機(jī)會(huì)很少。

四、愿望

一件產(chǎn)品從發(fā)明到成熟需要不斷的完善，所以需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)；同樣一門課程從開設(shè)到成熟也需要不斷的完善，話不說不明，理不辯不清，所以教師之間相互學(xué)習(xí)、討論、爭(zhēng)論都會(huì)有利于教師的成長(zhǎng)、學(xué)科的成熟。很多情況下，設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)目的往往不是為了甄別，而是為了相互交流信息、征求意見、共同研討，進(jìn)而完善設(shè)計(jì)方案。同樣的道理，教師之間適當(dāng)?shù)臓?zhēng)論并不是為了爭(zhēng)出高低，而是在發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的過程中共同提高。

編輯 馬燕萍