“宏观”和“微观”思想在控制系统中的解题应用

谢超

摘 要：学生在解决开闭环控制系统的题目时，往往会出现思路混乱。用“宏观”和“微观”相结合的方法分析开闭环控制系统，既可以整体把握，又可以逐个到位。这个方法不仅仅解决了控制系统的难题，同样可以培养学生的大局观，处理问题面面俱到，不顾此失彼。

关键词：开环;闭环;控制

宏观和微观的思想在经济学理论体系中占有重要地位。从宏观角度总体分析经济规律的一个经济学领域，研究经济整体资源的利用问题;从微观角度，是研究单个个体的经济行为，即是研究一个人、一个工厂、一个公司的经济行为。这样总体考虑和局部考虑相结合的思想，在很多领域都能很好地应用。

苏教版通用技术必修二第四单元控制与设计这一章，是整个通用技术学科的重难点之一。在历年的高考，各地模拟考试中，都有较大分值，但得分率普遍不高。究其原因不外乎以下几点：（1）控制系统的流程方框图搞不清楚;（2）搞不清是开环控制系统还是闭环控制系统;（3）简单的题目能做出来，但遇到新的、稍复杂的控制系统或者大系统中的小系统时，往往思路会比较乱。经过多年的反复论证、总结，用“宏观”和“微观”的思想，来解决控制系统的问题，得心应手。

一、“宏观”和“微观”相结合的方法

1.用“宏观”和“微观”相结合的方法分析开环控制系统

先用宏观整体的思想来看这个控制流程：仔细阅读整个控制过程，然后提炼出整个系统到底要对什么进行控制，要实现怎样的功能。对什么进行控制，什么就是被控对象;要实现怎样的功能，就直接找到输入量和输出量。举例：有一控制系统能实现的功能，当人靠近的时候门打开;人遠离的时候，门就关闭。这里被控对象就是门（整个控制系统就是在对门进行控制）;输入量是有无人的信号（开环电子控制系统往往需要通过传感器把非电信号的输入量转化为电信号），输出量是门打开或者关闭。

然后用微观逐个的思想把控制系统的各部分找出来：把握整个控制过程以后，按照流程方框图，根据控制原理，逐个把各部分找出来（微观逐个思想）。比如被控对象知道了，能控制被控对象的设备就是执行器，能对执行器发出指令的是控制器。

2.用“宏观”和“微观”相结合的方法分析闭环控制系统

同样先用宏观整体的思想来看这个控制流程：先仔细阅读整个控制过程，然后提炼出整个系统到底要对什么进行控制，要实现怎样的功能。对什么进行控制，什么就是被控对象;要实现怎样的功能，就直接找到设定值和实际值。举例：有一控制系统能实现的功能：能使土壤的实际湿度与设定的湿度保持一致（土壤干了加水，让土壤变干;土壤湿了停止加水）。这里被控对象就是土壤（整个控制系统就是在对土壤进行控制）;设定值是设定湿度，实际值是实际湿度。

然后用微观逐个的思想把控制系统的各部分找出来：把握整个控制过程以后，按照流程方框图，根据控制原理，逐个把各部分找出来（微观逐个思想）。比如知道了被控对象，能控制被控对象的设备就是执行器，能对执行器发出指令的是控制器（反馈装置检测实际值把它反馈到输入端与设定值进行比较）。

二、用“宏观”和“微观”的思想在开闭环控制系统解题中的应用

1.开环控制系统

例题1：如图1所示是地铁进站闸机，乘客将车票或公交卡放入读卡感应区，读卡器将卡片信息发送给服务器进行验证，验证合格后，控制开闸机构开启闸门。关于闸门的开启控制，下列说法正确的是（）

A.该控制是闭环控制

B.被控对象是乘客

C.输出量是闸门的开启

D.控制器是开闸机构

解题思路：用宏观整体的思想来看这个控制流程：先仔细阅读整个控制过程，发现就是对“闸门”进行控制。要实现怎样的功能？当车票或者公交卡输入正确的时候，闸门开启，否则不开启。所以我们可以快速找出被控对象是“闸门”，输入量为车票或者公交卡信息，输出量是闸门是否开启。（输入量的性质与输出量的性质不一样，不能进行比较，所以是开环控制系统。）

接着用微观逐个的思想把控制系统的各部分找出来：输入信号由服务器接收，是控制器，控制器发出指令给执行器，所以执行器为开闸机构，开闸机构对外做功，来控制“闸门”，完成最终的控制任务。根据以上内容，就可以写出完整的开环控制系统流程图。

2.闭环控制系统

例题2：如图2所示是三相异步电机转速控制系统示意图。系统通过改变交流电的频率来改变电动机的转速。通过触摸屏设定电动机的转速，变频调速器将50Hz的交流电转变成与设定转速相对应频率的交流电，驱动电动机转动;在电动机输出轴上的测速发电机随电动机一起转动并发电;PLC根据测速发电机的电流大小，判断电动机实际转速与设定转速之间的差值，向变频调速器发出指令，改变驱动电流的频率。下列说法正确的是（  ）

A.执行器是电动机

B.控制器是变频调速器

C.输出量是测速发电机的电流信号

D.控制量是变频调速器输出的电流频率

解题思路：用宏观整体的思想来看这个控制流程：仔细阅读整个控制过程，发现就是对“三相异步电动机”进行控制，要使电动机的实际转速与设定转速保持一致。所以我们能快速找到被控对象就是“三相异步电动机”，输入量为设定转速，输出量为实际转速。（输入量的性质与输出量的性质一样，可以进行比较，所以是闭环控制系统。）

接着用微观逐个的思想把控制系统的各部分找出来：这里我们可以倒推，什么能改变电动机的转速？是交流电的频率，所以其是控制量。什么能改变控制量？是变频调速器，所以其是执行器。什么能向变频调速器发出指令？是PLC，所以其是控制器。什么能实时检测电动机的实际转速，并能把它反馈给PLC（控制器）？是发电机，所以其是检测（反馈）装置（闭环控制系统中的检测装置来检测输出量，所以往往装在被控对象上面）。根据以上内容，就可以写出完整的闭环控制系统流程图。

3.开闭环控制系统

例题3：如图3所示为滑台的运动系统示意图，由电机控制子系统和机械传动子系统组成。在电机控制子系统中，传感器检测电机的转动角度，并反馈到控制装置与设定值比较，控制装置根据差值发出运动信号，驱动器将运动信号转变成相应的电流驱动电机转动。在机械传动子系统中，电机带动丝杆转动，丝杆通过螺母驱动滑台移动。系统根据电机的转动角度和丝杆的螺纹间距计算出滑台移动的距离，从而实现对滑台位置的间接控制。

由于丝杆传动的误差和滑台移动时的摩擦，导致滑台移动的距离存在误差。为了提高滑台位置的控制精度，下列措施中合理的是（）

A.将电机换成高精度电机，控制方式改成开环控制

B.将传感器换成高精度传感器，提高电机及转动角度的检测精度

C.将传感器安装在丝杆上，检测丝杆的转动角度

D.在滑台上安装传感器，检测滑台的位置

解题思路：同样先用宏观整体的思想来看这个控制流程：仔细阅读整个控制过程，发现整个控制系统分成两个部分：一部分是来控制电机转动角度;另一部分就是通过控制电机转动角度从而来最终控制滑台的前后运动。所以对于滑台位置的控制，被控对象就是“滑台”，要实现的控制功能是输入相应的电机转动角度时，对应输出滑台的相应位置。（输入量的性质与输出量的性质不一样，不能进行比较，所以是开环控制系统。）开环控制系统的输出量由于不会对前面的控制产生影响，不能消除控制误差，所以要把它改进成闭环控制系统。根据前面的介绍，可以在被控对象上加一个检测装置，实时来反馈输出量，并将其与设定值进行比较，从而消除偏差。故这个检测装置应该装在滑台上面。

三、结束语

用“宏观”和“微观”相结合的方法来解决控制系统中的难题，可以培养大家的大局观，看问题更加全面细致，不至于顾此失彼。其实很多时候，也可以用这个方法解决其他工作，学习和生活中遇到的问题。笔者本人发表这个方法，希望学生可以多掌握一种解题技巧，同时与各位同行相互探讨学习。

参考文献：

[1]黄春花.經济学原理[M].东南大学出版社，2017.

[2]顾建军.技术与设计2[M].江苏凤凰教育出版社，2004.

编辑 王亚青