高中通用技术课程开、闭环控制系统的区分

⾼中通⽤技术课程开、闭环控制系统的区分
2019-08-24
在⾼中通⽤技术课程的《技术与设计2》中，我认为对学⽣来说，最⼤的重难点应该就是开环控制系统和闭环控制系统的判断与分析。

在教材中，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；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。

”从定义来看，闭环控制系统⽐开环控制系统多了⼀个检测输出量并返回输⼊端⽐较的过程，也就是反馈环节，因此，判断有没有反馈环节，就是我们区分开、闭环控制系统的⼀个最明显的标志，也是最确切的办法。

但是我发现学⽣在⾯对⼀个控制系统的时候，却经常不能很好地判定到底有没有反馈。

尤其有的同学经常把检测输⼊信号的装置当成了反馈环节中检测装置，以致把开环控制系统误判成了闭环控制系统。

⽐如⾃动门控制系统，系统中有⼀个检测装置，但这是⽤来检测有没有⼈站到门⼝的装置，⽽不是检测输出量并返回到输⼊端的装置。

因此，不能以此来判定这⾥有⼀个反馈环节，这是⼀个闭环控制系统。

在教学过程中，根据我⾃⼰对开、闭环控制系统的理解，我让学⽣可以再⽤以下⼏种⽅法来辅助区分这两者：
1. 看输⼊量与输出量
开、闭环控制系统的输⼊量与输出量之间都是有⼀定关系的。

⾸先，在不考虑⼲扰因素的情况下，开环控制系统的输⼊量与输出量应该是⼀⼀对应的。

⽽闭环控制系统系统则是⼀个输⼊量对应多个输出量；其次，因为闭环控制系统的输⼊量与输出量要在⽐较器中进⾏⽐较，所以必须是同⼀种量。

只要把握好这两种关系，我们就可以⽐较容易地判断出⼀部分开环控制系统。

⽐如，电风扇控制系统，⼀个挡位对应⼀个风速，改变挡位，风速就要随之变化，输⼊量与输出量不是同⼀种量且⼀⼀对应，这肯定是⼀个开环控制系统。

2. 看该系统的输出量是不是⾃动维持在某个状态上
详细⼀点说，就是看这个系统在⼯作过程当中，⼀旦输出量发⽣了变化，会不会⾃动、及时地进⾏调整，把输出量维持在原来的状态上。

在这⾥，我给学⽣举了两个例⼦进⾏说明：（1）冰箱：通电⼯作⼀段时间后，它的输出量（冰箱内的实际温度）应该和输⼊量（设定温度）相同，这时放⼊⼀盆热⽔，输出量（冰箱内的实际温度）就要发⽣变化，那么系统就要加紧⼯作，把实际降下来，回到设定温度。

这就是闭环控制系统。

（2）声控灯：原来灯是灭的，检测到声⾳，灯亮，虽然还会回到灯灭的状态，但不是系统⾃动、及时地进⾏调整，⽽是因为事先设定了灯亮的时间。

这就是开环控制系统。

由此，我们在⾯对⼀个控制系统的时候，就可以灵活地运⽤这⼏种⽅法来快速地判断这是⼀个开环控制系统还是⼀个闭环控制系统。

例如：
1. 随着⾳乐起伏⽽变化的⾳乐喷泉是控制技术的⼀种具体应⽤
其⼯作过程是由 “声－电转换装置”将起伏的⾳乐强度转换为随之⽽变化的电信号，这种电信号驱动电动机带动⽔泵转动。

⾳乐声信号强，⽔泵的转速就快，喷头的压⼒就⼤，喷出的⽔柱就⾼。

反之，喷出的⽔柱就低。

⾳乐信号的强弱与喷泉⽔柱的⾼低⼀⼀对应。

这个题⽬当中，“⾳乐信号的强弱与喷泉⽔柱的⾼低⼀⼀对应”这句话明确地告诉我们系统的输⼊量与输出量是⼀⼀对应的，那么这肯定是⼀个开环控制系统。

2. 在实验室中常⽤“⽔浴器”来保持物体处于恒温状态
如图1所⽰，⽔浴器通过温度选择器来设定所需要的⽔温；通过电⼦线路实现对加热器的控制；通过温度传感器检测⽔温，并以电⼦信号形式传递给控制端，控制装置将这个信号与来⾃温度选择器的信号进⾏⽐较，从⽽使⽔浴器内箱保持恒温。

这个题⽬的描述当中，已经明确告诉我们系统当中有⼀个检测⽔温并进⾏⽐较的过程，也就是有反馈环节，那么很明显是⼀个闭环控制系统。

3. 某办公楼⼤厅采⽤⾃然光照明，控制系统如图2，太阳光经过反光镜反射到反光球⾯
镜上，反光球⾯镜再将光线反射到⼤厅，从⽽达到采集⾃然光的⽬的。

当太阳移动后，光线到达反光球⾯镜的位置也随之发⽣偏移，相应的传感器就会受到光照产⽣电信号，控制器根据不同传感器送来进来的信号控制反光镜作相应的调整。

对这个控制系统，有很多同学不能准确地判断有没有反馈，但题⽬当中明确地告诉我们，系统的最终⽬的也就是输出量就是要将光线反射到⼤厅，不管太阳怎么移动，系统都会⾃动进⾏调整，使光线仍然反射到⼤厅当中，也就是说总是要把输出量维持在某⼀个状态上，那么很显然，这是⼀个闭环控制系统。

4. ⼩涛制作了⽅便家畜喝⽔的⾃动加⽔器，结构如图3
很显然，这个系统的最终⽬的是要搪瓷碗中的⽔位⼀直保持在5cm处，也符合把输出量⼀直维持在某⼀个状态上，因此，这也是⼀个闭环控制系统。

总之，学⽣只要掌握了这⼏种⽅法并能根据情况灵活运⽤，就能够完全正确地区分所有⾼中阶段遇到的控制系统，使开、闭环控制系统的区分不再成为难点。

（胶州市第⼆中学）
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