“控制與設計”難點問題的分析與研討

摘 要：“控制與設計”是通用技術必修內容中公認的對專業依賴度最高的一個章節，但任課教師幾乎都沒有系統的學習過《控制論》《自動控制技術》《模擬、數字電子技術》等專業課程，本文針對“有檢測就一定是閉環控制系統嗎？”，“投籃（投飛鏢、打靶）是開環還是閉環控制？”，“是不是閉環控制精度高，我們應盡可能地采用？”等難點問題做了分析與研討。

關鍵詞：難點問題;開環控制;閉環控制;干擾與反饋;控制框圖

一、 研究背景

“控制與設計”是通用技術必修內容中公認的對專業依賴度最高、最難開展教學、爭議問題最多的一個章節;與之矛盾的是，這是一門新興學科，任課教師幾乎都沒有系統的學習過《控制論》《自動控制技術》《模擬電子技術》《數字電子技術》等專業課程，本文正是選取了其中的難點問題來進行分析與研討，希望借此給大家解開困擾多時的疑惑。

二、 難點問題分析與研討

【在開環控制系統中一定沒有檢測，反饋環節嗎？如果有就一定是閉環控制系統嗎？】

在開環控制系統中，如果有檢測，反饋環節，是不能起到任何作用的。所以在人為設計、制造的開環控制系統中，就沒有檢測和反饋環節。但在非人為制造的開環控制系統中，就可能有這些環節，例如人開關電燈，人投籃球，其檢測、反饋環節是存在的，我們不能要求人開關完電燈，投出籃球后眼睛不去看它。有人說不能看，一看就有檢測和反饋，就成了閉環控制了，這個說法是荒謬的，因為這個反饋并沒有形成較正作用，去較正被控對象。有的書中說，有無檢測，反饋環節是區別開、閉環系統的重要因素，這個說法是不準確的。

【怎樣判斷一個控制系統是開環還是閉環控制系統？閉環控制的最終結果一定是被控量等于基準量嗎？】

判斷一個控制系統是否閉環，首先可以用系統有無抗干擾能力的方法來判斷。因為干擾可使被控量偏離原來的值，閉環控制系統在檢測到偏離值后，會自動進行校正，無抗干擾能力的系統不是閉環控制系統。

判斷一個控制系統是否閉環，還可以用被控量有無跟蹤基準量的能力來判斷。把基準量改變一個量，系統經一段時間調控后仍然能使被控量接近基準量，這個系統就是閉環控制系統，如沒有跟蹤基準量的能力，就是開環控制系統。例如人騎自行車時，道路方向（基準量）不斷改變，車頭方向可以不斷跟蹤;又如導彈打飛機，飛機不斷改變方向和位置，導彈照樣可以跟蹤空中飛機，這兩個系統都是閉環控制系統。

在閉環控制系統中，控制是一個動態過程，只能說控制的結果是被控量不斷接近基準量（期望值）。例如我們騎車時，前輪未必一定壓在道路的中線上;導彈打飛機時，也可能有某一架敵機逃跑了，導彈沒打中。

【投籃（投飛鏢、打靶）是開環還是閉環控制？】

投籃時，發生了這樣的情況：

第一次投擲：由于用力太大，籃球碰到了籃板上彈了回來，沒有命中;

第二次投擲：吸取第一次的經驗，減小了用力，但用力過小，籃球沒有碰到籃圈;

第三次投擲：吸取了前兩次投擲的經驗，終于投中了。

在這里，可以將人看作控制系統，眼睛把接收到的籃圈位置以及實際投擲位置等信息輸送給大腦，經大腦分析和加工處理后，發出指令，指揮手投擲籃球，直到投籃命中。（如下框圖所示）

所以，我們可以看出，類似的人參與其中的控制活動，若只進行1次是開環控制，而重復進行N次則是閉環控制！

當然，稱其為閉環控制的前提是需要考慮投擲的次與次的間隔時間T1（控制系統中的環節中斷時間）。控制系統中某環節中斷的時間T1應遠小干擾存在（或需調控校正）的時間T2，即T1T2，此時，T1相對于T2可以略去！例如，我們第一次、第二次、第三次投擲的間隔時間為3秒，并不影響這系統的正常運行和抗干擾性能，可看作是閉環控制系統;但假設我們第一次、第二次、第三次投擲的間隔時間變為1天，它就不再是閉環控制系統了！

【是不是閉環控制精度高，我們應盡可能地采用？】

有這樣一個故事：聯合利華引進了一條香皂包裝生產線，但這條生產線有個缺陷：常常會有盒子里沒裝入香皂。他們只好請了一個高級工程師設計一個控制系統來分揀空的香皂盒。工程師綜合采用了機械、微電子、X射線探測等技術，設計了一套閉環控制系統，每當生產線上有空香皂盒通過，兩旁的探測器會檢測到，并且驅動一只機械手把空皂盒推走。

中國南方某鄉鎮企業也買了同樣的生產線，老板發現這個問題后發動工人想解決辦法。工人果然想出了辦法：在生產線旁邊放了臺風扇（開環控制），空皂盒自然會被吹走。

通過這個故事，大家肯定能達成共識：閉環控制精度高，成本也高;開環控制相對精度低，但是成本也低。使用哪一種控制系統，還需要根據實際情況，綜合優選。

三、 結語

專業知識的欠缺和缺少必要的資源，造成我們師生在“控制與設計”的教與學過程中產生了困難，本文作者通過長期的一線教學和與廣大教師的深入溝通，總結了該章節內容中存在難點的問題，以自己“自動控制技術”專業的背景做出了相應的分析與研討，希望能幫大家解開困擾多時的疑惑。

參考文獻：

[1]顧建軍.技術課程標準（實驗）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2004.

[2]顧建軍.通用技術教學研究與案例[M].北京：高等教育出版社，2007.

作者簡介：

代超，云南省昆明市，云南師大附中。