高中通用技术课程开、闭环控制系统的区分

吕清海

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）