《控制與設計》易混淆的幾個概念匯總

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1、《控制與設計》易混淆的幾個概念匯總 《控制與設計》易混淆的幾個概念匯總 、尸■ 、 亠 刖言 有老師提出，對 控制與設計”的問題感到比較不好理解。這很正常， 因為師范類教育中很少這方面的內(nèi)容，未學而不知，是正常現(xiàn)象。但 控制問題也不是高深的理論，即便有一些比較難懂的科學原理， 在基 礎教育程中，也需要用通俗易懂的語言表述才比較恰當。 想起很多年前，我曾經(jīng)嘗試過用通俗語言剖析控制原理，并寫了一些。 其中有一篇《控制設計中幾個容易混淆概念的辨析》發(fā)表于《勞動技 術教育》20096中央教科所主辦，教育科學出版社協(xié)辦雜志。 申明，我既不是專家，也不是磚家，只是服務于基礎教育的一位普通 教

2、研員，我的工作性質(zhì)就是為沒有高深教學功底，沒有超高學歷的普 通一線中學教師提供服務。因此我的職業(yè)習慣讓我養(yǎng)成了寫通俗， 說 通俗話的習慣。 通俗不等于庸俗，高深也不等于高尚；知識是用解決問題，是用答疑 解惑，而不是用炫耀的。這個是我的理念！關鍵詞：基礎教育、通用 技術、系統(tǒng)、控制、反饋、干擾摘要：系統(tǒng)”和 控制”是高中新程《通 用技術》中所涉及的重要概念，但對于缺乏專業(yè)技術背景的普通高中 學生說，卻是個教學難點。而只有立足于學生所熟悉的生活與學習的 現(xiàn)實環(huán)境，通過學生熟悉的生活實例和技術案例， 采用通俗易懂的形 式表述，教學才能夠做到深入淺出，順利達成程目標。 系統(tǒng)”和 控 制”是普通高

3、中《通用技術》程必修模塊中的兩個重要概念，也是教 學難點。其中：控制的概念、控制的過程、控制的方式、干擾與反饋 等等，這些概念以前一般只出現(xiàn)在大學的專業(yè)程中， 通常是通過工程 技術設計的案例說明或者引證這些概念。 但對于缺乏專業(yè)技術背景的 普通高中學生，教師應該如何實施教學，才能夠讓學生掌握《通用技 術》程標準中規(guī)定的這一部分教學內(nèi)容？是需要深入研究的新題。 一、 基礎教育階段學習 系統(tǒng)”與控制”概念的必要性與可行性 系統(tǒng)論、控制論和信息論是本世紀四十年代先后創(chuàng)立并獲得迅猛發(fā)展 的三門系統(tǒng)理論的分支學科。雖然它們僅有半個世紀，但在現(xiàn)代科學 技術領域中，已是資深望重的元老，合稱 老三論” 人們摘

4、取了這 三論的英名字的首字母，把它們稱之為 SI論。SI論分別從三個角度 為我們揭示了世界萬事萬物之間所存在相互關聯(lián)，也為我們提供了解 決復雜社會問題和科學技術問題的嶄新思路， 是構成現(xiàn)在社會思想體 系的最重要理論之一。因此，掌握 SI論中的一些基本原理與方法， 不僅能提高分析問題和解決問題的能力， 還有助于提升思維層次。對 于現(xiàn)有高中學生說，其最直接的價值是：讓學生能用系統(tǒng)的眼光，從 整體上理解自然與社會的組織結構形式、 相互作用形式，并從學科整 合的角度領會知識體系的真諦，同時也能提高各個知識學科的學習效 率。在高中技術領域程中，《信息技術》包含了信息論的相關內(nèi)容， 而系統(tǒng)論與控制論的基

5、本思想，被納入了《通用技術》程的內(nèi)容體系 之中。通過具體的技術設計闡述系統(tǒng)的組成、設計、控制、流程等基 本概念。這部分的內(nèi)容是《通用技術》程的精華所在，將 SI論的基 本內(nèi)容納入基礎教育程體系中，也是高中新程的一個亮點。遺憾的是， 絕大多數(shù)的學校即使上了這門，也沒有把這部分內(nèi)容講解到位。 因此 沒有能夠體現(xiàn)出這門程的價值。一些人認為， 《通用技術》程的內(nèi)容 和以前勞動技術的內(nèi)容一樣，就是讓學生動手操作，學好這門對提高 高考成績沒有益處。因此出于功利的思想，不愿意讓學生在這門程上 多花時間。而一些任老師，由于沒有把握好這門程的教學目標，沒有 體會到它的真實價值所在。把這樣一門精彩的程，上成

6、了催人昏昏欲 睡的概念，或者上成了低水平的手工制作。確實是浪費了學生的寶貴 時間。系統(tǒng)”的概念其實無處不在。一臺機器是一個系統(tǒng)，一個教學 班級是一個系統(tǒng)，人體本身也是一個復雜的系統(tǒng)。我們既可以把整個 校園網(wǎng)絡當作一個系統(tǒng)，也可以將一臺單獨的電腦當作一個系統(tǒng)， 甚 至可以把電腦中任何一個部（比如顯示器）當作系統(tǒng) ……，我們分析 問題的目標不同，考察事物的層次不同，系統(tǒng)的范圍也就不同。 控 制”也同樣隨處可見。汽車的行駛過程中，速度、方向都需要被駕駛 者所控制；空調(diào)、冰箱、熱水器中都有對溫度的控制；普通的抽水馬 桶中也有巧妙的水位控制；人抓取桌面上一個物體的過程，同樣具有 控制?？傊?，人按照自己

7、的意愿或目的，通過一定手段，使事物朝著 期望的目標發(fā)展，就是 控制” 系統(tǒng)”與控制”的概念雖然復雜，但 并不抽象。只要立足于學生所熟悉的生活與學習的現(xiàn)實環(huán)境， 通過學 生熟悉的生活實例和技術案例，采用通俗易懂的形式表述教學內(nèi)容， 就能夠做到深入淺出，順利達成教學目標。在《通用技術》程的教學 過程中，做到貼近普通高中學生的認知水平，滿足學生的學習需求， 就顯的尤為重要。以下將按照這樣的思路，有針對性地探究幾則教學 過程中的具體問題。 二、幾個關于控制”的典型教學案例剖析 案例是《通用技術》程的最重要教學要素。各版本教材中都引用了豐 富的案例闡述問題，教師的堂教學也應該盡量使用生動形象的案例，

8、 闡述相對抽象的技術原理或技術設計思想。 教學過程中所選用的技術 案例，不僅應該具有較強的針對性，以利于闡述或辨析知識點，同時 還應該貼近學生生活實際，多選用那些離得近、看得見、摸得著的案 例，以方便學生的理解。1、關于溫度控制的教學案例 溫度控制是自動化控制的典型案例。 在生活中也很常見，且溫度控制 的系統(tǒng)比較直觀，便于理解，因此在高中《通用技術》教學中，溫度 控制的案例是教學中很好的素材。在教學中可以列舉如：普通（非調(diào) 溫）電炒鍋、電熱毯、電瓦鐺、高溫消毒柜等家用電器，作為開環(huán)溫 度控制案例；也可以列舉如：空調(diào)、冰箱、電熨斗、自動調(diào)溫電火鍋， 自動電開水器等，作為閉環(huán)溫度控制的案例。 ①

9、開環(huán)式溫度控制系統(tǒng)的基本結構：②幾種開環(huán)式溫度控制案例的分 析 器具（案例） 控制器 被控對象 輸入量 控制量 輸岀量 普通電炒鍋 電開關 電熱器 接通電 有效電流 鍋體溫度 電熱毯 溫度檔位開關 電熱絲 開關檔位 有效電流 被窩內(nèi)溫度 電瓦鐺 溫度檔位開關 電熱器 開關檔位 有效電流 鍋內(nèi)溫度③閉環(huán)式溫度控制系統(tǒng)的基本結構: ④幾種閉環(huán)式溫度控制案例的分析 器具（案例） 溫控器*類型 被控對象 控制量 輸出量 普通空調(diào)器 電子式 制冷壓縮機 開/停時間比 室內(nèi)環(huán)境溫度 家用冰箱 機械（或電子） 制冷壓縮機 開/停時間比 冷藏室溫度

10、電熨斗 機械式 電熱器 電通/斷時間比 底板溫度 電熱水器 機械（或機電） 電熱器 電通/斷時間比 蓄水箱中水溫 *注：在實際的溫控設備中， 溫控器”通常是一個組，它包括了溫度 控制系統(tǒng)中的控制器、檢測器、比較器、執(zhí)行器的功能。 教學中一般應當按照開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的基本結構， 從整體層面闡述或 分析溫度控制系統(tǒng)的原理，盡量不要過多地深入到檢測、反饋、控制 等具體環(huán)節(jié)的技術細節(jié)中，避免涉及學生難以理解的過于專門化的技 術。2、水位控制的教學案例 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應用中， 常常會需要對容器中的液位（水 位）進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中 的蓄水量

11、，生活中抽水馬桶的自動進水控制、自動電熱水器的進水控 制等，都屬此類。因此水位控制是生活現(xiàn)實中，比較容易觀察到的一 類控制案例。按照所采用的技術方法不同，水位控制系統(tǒng)可分為：全 機械式、機電式和電子式，各種控制方式的適用場合有別，技術要求 不同，精度、可靠性、成本也不同，但基本的控制原理卻相同，都可 以歸納為一般的反饋控制模式。它們的主要區(qū)別僅在于檢測液位的方 式、反饋的形式，以及控制器的差異。因此在分析水位控制系統(tǒng)時， 必須從共性的原理出發(fā)，去研究其各自的特異部分。教學過程中，講 解水位控制方式的原理時，教師們常常感覺到，一些結構比較簡單的 水位控制裝置，欲分析其工作原理卻顯得更為困難，比如

12、抽水馬桶。 而相對結構比較復雜的水位控制裝置，因其結構中各個部的作用比較 單純，控制過程明晰，反而更容易將各個部與系統(tǒng)方框圖對照講解說 明原理，如教材中所列舉的：工業(yè)用水箱的水位控制、大樓二次供水 水箱的水位控制等等，都屬于這類案例。但這些案例學生都很難親臨 現(xiàn)場，去感受或體驗實際的裝置。因此這兩類控制方式應該對照講解， 才能夠讓學生認識水位控制的基本過程與原理。 家用抽水馬桶與工業(yè) 水箱的水位控制原理對照器具（案例） 控制器 檢測器 執(zhí)行器 控制量 抽水馬桶 連桿機構 浮球 機械進水閥 閥口高度 進水口流量 工業(yè)水箱 機械（或電 子控制） 浮球（或液 位傳感器） 電磁閥 閥

13、口高度 （或電位值） 進水口流量 三、幾個容易混淆的基本問題辨析 1、關于自動、人工、開環(huán)、閉環(huán)的辨析 自動控制”、人工控制”是控制的兩種手段，依控制過程中人工干預 的情況分，在無人工直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照 期望的方向進行”的控制，稱為自動控制，反之則是人工控制。根據(jù) 這一概念，對控制進行分類，常常會出現(xiàn) 兩難”的情形：紅外線自動 感應門，無須人工直接干預，只要有人靠近，門就開啟，人一離開， 門就自動關閉，屬于自動控制，沒有歧義。然而抽水馬桶對水流的控 制過程，是自動控制，還是人工控制？馬桶在每次沖水過程中，進水 量、出水量都被自動地限定為固定值，并且沒有 人工直接

14、參與”，應 該認為是自動控制；但是每次沖水之前，都需要人工按動一下開關， 這一操作又符合人工控制的特征。類似這樣不易區(qū)分控制手段或類型 的例子還很多：電腦打印過程中對機器操作的控制、 家用冰箱或者家 用空調(diào)器中對溫度的控制、自動開水壺中對電開關的控制、自動升旗 簡單控制裝置對升降旗的控制 ……，等等。其實，以上這些例子中， 之所以不易區(qū)分控制的手段或類型，是因為沒有明確地界定所考察的 控制系統(tǒng)的范圍。在結構上，抽水馬桶的水流控制由進水閥和出水閥 組成，實際上可以看作是構成抽水馬桶的兩個子系統(tǒng)”一-水閥系 統(tǒng)、出水閥系統(tǒng)。進水閥系統(tǒng)所完成的功能是： 根據(jù)水箱中水位的 高低，適時控制閥門開閉

15、，自動補充水量 ”，這個控制過程是很典型 的閉環(huán)自動控制類型；而出水閥系統(tǒng)則是人工開環(huán)控制類型。 由此可 見，只要界定了所分析的系統(tǒng)范圍，就能夠清楚的辨析控制的類型， 其他的一些例子也是如此，不再細述。 2、開環(huán)控制未必都是人工控 制 開環(huán)與閉環(huán)的區(qū)別就在于有無反饋環(huán)節(jié)， 所謂閉環(huán)控制就是存在反饋 環(huán)節(jié)的控制。這樣的系統(tǒng)能夠適時地檢測控制的輸出結果， 并將檢測 到的信息通過反饋環(huán)節(jié)反映到輸入端， 達到自動調(diào)整輸入量，修正控 制誤差的目的。反饋技術被廣泛應用在各種需要精確控制的系統(tǒng)中， 尤其是電子控制系統(tǒng)，比如：各種放大電路中的增益控制；環(huán)境的溫 度、濕度、水位、壓力的控制；機械結構的位置控制

16、、速度控制等等。 因此常常使人覺得：閉環(huán)控制是復雜的、精確的、自動的控制方式， 而開環(huán)控制相對的簡單、粗糙和非自動。這種感覺常常造成初學者在 分析系統(tǒng)時的誤判，需要特別注意。以普通家用壓力鍋的溫度控制過 程為例，在密封狀態(tài)下，鍋內(nèi)的溫度與壓力呈對應關系。加熱鍋體， 當鍋內(nèi)溫度達到設定值時，鍋內(nèi)的壓力也將達到設定值，高壓頂開排 氣閥上的重錘，排出蒸汽，使鍋內(nèi)壓力減小下。由于重錘的重量是恒 定的，因此當溫度達到設定值之后，加熱量和排氣量呈動態(tài)平衡，鍋 內(nèi)壓力保持在高于大氣壓力的一個恒定值上， 鍋內(nèi)溫度也保持在高于 常壓下水的沸點溫度的一個恒定值上（一般為 110C左右），不再繼 續(xù)升高?？刂七^

17、程如下圖所示： 從壓力鍋的這一溫度控制過程看， 沒有 人工直接參與”，屬于自動控制；而且輸出量（溫度）并沒有反 饋到輸入端（加熱爐），去調(diào)節(jié)輸入量（加熱量），因此屬于開環(huán)控制。 這是一個結構極其簡單，而又非常典型的自動控制實例，在環(huán)境氣壓 恒定的情況下，其溫度的控制精度較高。如果環(huán)境氣壓發(fā)生變化，也 會影響到所獲得的溫度控制結果，因此在這里例子中，環(huán)境氣壓就成 為影響控制精度的 干擾量”。也有人將高壓鍋的溫度控制過程理解為 閉環(huán)控制，也不無道理！主要是看所分析的系統(tǒng)范圍如何界定。上述 分析是將高壓鍋與加熱爐共同作為一個系統(tǒng)看待。假如不考慮加熱 爐，只分析高壓鍋排氣閥門對鍋內(nèi)氣壓的控制原理，

18、將所分析的系統(tǒng) 界定在高壓鍋本身，那么，就可以得出閉環(huán)控制的結論，但這樣的分 析可能更不便于初學者的理解。類似的開環(huán)自動控制的例子還很多， 比如：地梯田中的水位控制，從頭到腳梯狀層疊的平面稻田，水流自 上而下逐層灌溉著每一塊田地，稻田中水位的高低由田埂上的排水口 的高度決定，每一塊稻田的水位都可以單獨的設定。 只要頭入水口的 水流供給量保持在一定的范圍內(nèi)，無論蒸發(fā)量多或少，都能夠確保稻 田中基本恒定的水位。幾千年，勞動人民就是依靠這樣一種簡單的梯 田結構，解決了稻田的自動灌溉問題，從控制設計的角度看，梯田灌 溉的水位控制沒有使用任何反饋調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，因此也屬于開環(huán)控制。 簡單的開環(huán)控制，應用

19、得當，通常能夠達到理想的自動控制效果。反 之，復雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動控制。 汽車的駕駛就是一個常 見的實例：汽車沿著道路行駛，必須有人的操控，從控制的角度看， 屬于人工控制，這時我們是將人與車看成了一個整體的系統(tǒng)。駕駛員 通過操控方向盤、油門、剎車等機構，控制車輛行駛的狀態(tài)；同時， 駕駛員還通過視覺，查看車輛與前方道路或障礙物的位置關系信息， 根據(jù)這一信息不斷修正自己的操作，使車輛按照預定的路線軌跡行 駛。在這一過程中，駕駛員通過視覺獲取的信息就是反饋量，因此屬 于閉環(huán)控制。在教學中，通過深入地剖析一些典型控制案例，注重分 析其輸入量、輸出量、反饋量、干擾因素之間的相互關系，注意區(qū)分

20、系統(tǒng)的層次關系，明確界定所研究的系統(tǒng)范圍，就能夠抓住要害，化 繁為簡，深刻地理解問題的本質(zhì)。 3、分析控制問題應注意考察時間維度 以射擊過程中子彈瞄準靶心的控制為例，子彈能夠準確地射中靶心， 顯然是一個控制的過程，它屬于自動控制還是人工控制？是開環(huán)控制 還是閉環(huán)控制？ 這是一個常常讓人含糊不清的控制問題。 要分析這個控制問題，首先 應當明確所考察的系統(tǒng)的范圍，范圍不同，結論也不同。①只考慮槍 和子彈構成的系統(tǒng)，不考慮人和靶?？刂频倪^程是：扳機被扣動 -觸 發(fā)撞針敲擊子彈引信 -引爆彈殼中的火藥 -高壓氣流將子彈推出槍 管。顯然這個過程是開環(huán)控制，而且扳機被扣動之后的過程，沒有人 工干預，

21、屬于自動控制； ② 將人、槍、子彈、靶作為一個整體的系統(tǒng)考慮?？刂频倪^程是：瞄 準（人利用槍上的準心裝置將槍對準靶心位置） T扣動扳機激發(fā)子彈 T高壓氣流將子彈推出槍管 T子彈飛行后射中靶的某個位置。這一過 程還是屬于開環(huán)控制，但由于人的介入，成為人工控制； ③ 在上述系統(tǒng)中，增加時間維度的考察。即：射擊者通過多次射擊， 不斷調(diào)整，逐步提高射擊精度?？刂七^程為：上圖清楚地表明，這一一 控制過程屬于人工的閉環(huán)控制。在分析問題時，不能夠單獨地看待每 一次的射擊，而應當將發(fā)生在不同時刻的相關事， 組合起作為一個整 體看待，也就是同時考察控制系統(tǒng)的空間維度和時間維度。四、結束 語 系統(tǒng)是人們?yōu)榱?/p>

22、方便分析具體事物而創(chuàng)造的概念。 系統(tǒng)的概念體現(xiàn)了 事物構成從部分到整體的一般規(guī)律，反映了事物的部分與部分之間， 部分與整體之間的相互關系。控制的實施需要依托于一個物質(zhì)的載 體，這個載體稱為 控制系統(tǒng)”，因此對任何控制問題的分析其實也是 系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析方法不僅僅是解決技術設計問題、 控制分析問題 的核心方法，也是解決生活問題、教學問題、學習問題，以及科學問 題的基本方法之一。在普通高中《通用技術》程中，以技術設計作為 內(nèi)容載體，通過具體的設計案例，比較通俗地學習系統(tǒng)分析的基本方 法，因此這部分的內(nèi)容應該是普通高中《通用技術》程的一個亮點， 也應該是該程的重點內(nèi)容之一。只有立足于學生所熟悉的生活與學習 的現(xiàn)實環(huán)境，通過學生熟悉的生活實例和技術案例， 采用通俗易懂的 形式表述教學內(nèi)容，才能夠做到深入淺出，順利達成教學目標。