張陽陽

開、閉環(huán)控制系統(tǒng)是高中通用技術(shù)教學(xué)的重點和難點，也最能體現(xiàn)學(xué)生的核心素養(yǎng)，高中生生活經(jīng)驗還比較欠缺，對于生活中常見的控制系統(tǒng)理解還不夠深刻，本文從以下幾個方面對該知識進行解讀。

一、對控制系統(tǒng)中各量的區(qū)分

在系統(tǒng)與設(shè)計一章學(xué)生了解了系統(tǒng)是一個整體，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、被控對象等部分。下面分別來介紹一下。

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，如自動門控制的輸入量（因）是有無檢測到人的紅外信號，輸出量（果）是門的開啟或關(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)的實際溫度。

控制器，是對輸入信號進行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件，能對信號進行判斷、計算，能思考的智能裝置；執(zhí)行器，是接受控制器的命令（信號），直接對被控對象進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)行器的輸出信號或輸出狀態(tài)，稱之為“控制量”。如自動門控制系統(tǒng)中控制器是控制電路，執(zhí)行器是電機，控制量是電機的轉(zhuǎn)動。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。被控對象是控制系統(tǒng)中所要控制的裝置或生產(chǎn)過程，也可以理解為承載輸出結(jié)果的裝置，比如自動門，房間等。

二、開、閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：

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)；而系統(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)?！?/p>

說的具體一點，開環(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傳遞，系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生任何影響。比如：自動門控制系統(tǒng)，當(dāng)有人進入門前的有效范圍，門上方的紅外傳感器檢測到人的紅外信號，把這個信號傳給控制器，控制器接收到此信號下達指令給電機，電機轉(zhuǎn)動帶動門的開啟，過會兒檢測不到人的紅外信號了，門就會自動關(guān)閉。門的開啟或關(guān)閉不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，此即開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖：

閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)控制系統(tǒng)稍微復(fù)雜，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，多了一個由檢測裝置組成的反饋環(huán)節(jié)。檢測裝置會檢測輸出量，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)這一差值進行運算處理，并向執(zhí)行器下達指令，執(zhí)行器根據(jù)指令對被控對象進行控制，從而使被控量控制在一定范圍內(nèi)，也即系統(tǒng)的輸出量會對控制過程產(chǎn)生影響。比如空調(diào)溫度控制系統(tǒng)，我們打開空調(diào)時，給它設(shè)定一個合適的溫度，這就是輸入量（也即給定量），控制電路接收到這個信號，向壓縮機發(fā)出指令，通過壓縮機做功來調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度，同時溫度傳感器時刻檢測此輸出信號并把它反饋給輸入端，當(dāng)房間內(nèi)的溫度達到設(shè)定溫度時，控制器下達指令從而使壓縮機停止工作。還有水箱水位控制系統(tǒng)、糧倉濕度控制系統(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、閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別：

下面通過給游泳池注水控制系統(tǒng)的設(shè)計來談?wù)剬深惪刂葡到y(tǒng)的認識。假定水壓正常，單位時間里流過進水管的水是一定的，那么我們可以通過設(shè)定注水時間，使游泳池的水位達到設(shè)定水位，時間到注水閥門關(guān)閉。用方框圖表示為：

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

可見，此游泳池水位控制系統(tǒng)控制精度高，不會受水壓波動的影響。

結(jié)合以上兩種給游泳池注水的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，我們可以總結(jié)一下兩類控制系統(tǒng)的區(qū)別。一是閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個由檢測裝置組成的反饋環(huán)節(jié)，而開環(huán)控制系統(tǒng)沒有此反饋環(huán)節(jié)。所以在系統(tǒng)工作過程中，我們可以觀察一旦受到干擾，輸出量受到影響，系統(tǒng)會不會及時、自動地進行調(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)會將輸出量返回到輸入端，并在比較器中進行比較，兩個量可以比較，說明輸入、輸出量必須是同一個量。只要把握好這兩層含義，我相信學(xué)生在判斷控制系統(tǒng)時能靈活辨析。