对通用技术课程中开、闭环控制系统的理解

张阳阳

开、闭环控制系统是高中通用技术教学的重点和难点，也最能体现学生的核心素养，高中生生活经验还比较欠缺，对于生活中常见的控制系统理解还不够深刻，本文从以下几个方面对该知识进行解读。

一、对控制系统中各量的区分

在系统与设计一章学生了解了系统是一个整体，由相互联系的若干要素（或部分）组成，控制系统也不例外。任何一个控制系统除了有输入和输出量以外，还有控制器、执行器、被控对象等部分。下面分别来介绍一下。

输入量，也称给定量，可以理解为促使控制系统工作的原因。输出量，也称被控量，是控制的目的、结果。任何控制都有其因和果，如自动门控制的输入量（因）是有无检测到人的红外信号，输出量（果）是门的开启或关闭。室内空调温度控制的输入量（因）是给定的温度，输出量（果）是室内的实际温度。

控制器，是对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，能对信号进行判断、计算，能思考的智能装置；执行器，是接受控制器的命令（信号），直接对被控对象进行控制的装置或元件，它是不“思考”，只干活的有“执行力”的装置。此外我们把执行器的输出信号或输出状态，称之为“控制量”。如自动门控制系统中控制器是控制电路，执行器是电机，控制量是电机的转动。室内温度控制系统的控制器是控制电路，执行器是压缩机。被控对象是控制系统中所要控制的装置或生产过程，也可以理解为承载输出结果的装置，比如自动门，房间等。

二、开、闭环控制系统的特点：

教材中，对开、闭环控制系统分别是这样定义的：“控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统；而系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。”

说的具体一点，开环控制系统是不管控制的结果，只有输入到输出的单向信号传递，系统的输出量不会对系统的控制过程产生任何影响。比如：自动门控制系统，当有人进入门前的有效范围，门上方的红外传感器检测到人的红外信号，把这个信号传给控制器，控制器接收到此信号下达指令给电机，电机转动带动门的开启，过会儿检测不到人的红外信号了，门就会自动关闭。门的开启或关闭不会对控制系统产生任何影响，此即开环控制系统。开环控制系统方框图：

闭环控制系统比开环控制系统稍微复杂，在闭环控制系统中，多了一个由检测装置组成的反馈环节。检测装置会检测输出量，注意是输出量，并把它返回到系统的输入端，与输入量进行比较，比较器求出输出量与输入量之间的偏差值，控制器根据这一差值进行运算处理，并向执行器下达指令，执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量控制在一定范围内，也即系统的输出量会对控制过程产生影响。比如空调温度控制系统，我们打开空调时，给它设定一个合适的温度，这就是输入量（也即给定量），控制电路接收到这个信号，向压缩机发出指令，通过压缩机做功来调节房间内的温度，同时温度传感器时刻检测此输出信号并把它反馈给输入端，当房间内的温度达到设定温度时，控制器下达指令从而使压缩机停止工作。还有水箱水位控制系统、粮仓湿度控制系统等典型的闭环控制系统。闭环控制系统方框图：

三、开、闭环控制系统的区别：

下面通过给游泳池注水控制系统的设计来谈谈对两类控制系统的认识。假定水压正常，单位时间里流过进水管的水是一定的，那么我们可以通过设定注水时间，使游泳池的水位达到设定水位，时间到注水阀门关闭。用方框图表示为：

假如某次注水时水压偏低或高，而设定的注水时间又不变，那么最终游泳池的实际水位就会偏离设定的水位，无法达到我们希望的结果。下面我们把输入量由注水时间改为设定水位，通过在游泳池里增加一个检测水位高低的水位电极，通过把检测的游泳池水位信号反馈到控制系统与设定水位进行比较，控制器作出判断，如果实际水位低于设定水位，则注水阀门继续注水，如果实际水位达到设定水位，则注水阀门关闭。用方框图表示为：

可见，此游泳池水位控制系统控制精度高，不会受水压波动的影响。

结合以上两种给游泳池注水的控制系统设计方案，我们可以总结一下两类控制系统的区别。一是闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈环节，而开环控制系统没有此反馈环节。所以在系统工作过程中，我们可以观察一旦受到干扰，输出量受到影响，系统会不会及时、自动地进行调整，把输出量维持在希望的状态。闭环控制系统控制精度高，可以克服干扰。二是闭环控制系统中的反馈环节会将输出量返回到输入端，并在比较器中进行比较，两个量可以比较，说明输入、输出量必须是同一个量。只要把握好这两层含义，我相信学生在判断控制系统时能灵活辨析。