“控制与设计”难点问题的分析与研讨

摘 要：“控制与设计”是通用技术必修内容中公认的对专业依赖度最高的一个章节，但任课教师几乎都没有系统的学习过《控制论》《自动控制技术》《模拟、数字电子技术》等专业课程，本文针对“有检测就一定是闭环控制系统吗？”，“投篮（投飞镖、打靶）是开环还是闭环控制？”，“是不是闭环控制精度高，我们应尽可能地采用？”等难点问题做了分析与研讨。

关键词：难点问题;开环控制;闭环控制;干扰与反馈;控制框图

一、 研究背景

“控制与设计”是通用技术必修内容中公认的对专业依赖度最高、最难开展教学、争议问题最多的一个章节;与之矛盾的是，这是一门新兴学科，任课教师几乎都没有系统的学习过《控制论》《自动控制技术》《模拟电子技术》《数字电子技术》等专业课程，本文正是选取了其中的难点问题来进行分析与研讨，希望借此给大家解开困扰多时的疑惑。

二、 难点问题分析与研讨

【在开环控制系统中一定没有检测，反馈环节吗？如果有就一定是闭环控制系统吗？】

在开环控制系统中，如果有检测，反馈环节，是不能起到任何作用的。所以在人为设计、制造的开环控制系统中，就没有检测和反馈环节。但在非人为制造的开环控制系统中，就可能有这些环节，例如人开关电灯，人投篮球，其检测、反馈环节是存在的，我们不能要求人开关完电灯，投出篮球后眼睛不去看它。有人说不能看，一看就有检测和反馈，就成了闭环控制了，这个说法是荒谬的，因为这个反馈并没有形成较正作用，去较正被控对象。有的书中说，有无检测，反馈环节是区别开、闭环系统的重要因素，这个说法是不准确的。

【怎样判断一个控制系统是开环还是闭环控制系统？闭环控制的最终结果一定是被控量等于基准量吗？】

判断一个控制系统是否闭环，首先可以用系统有无抗干扰能力的方法来判断。因为干扰可使被控量偏离原来的值，闭环控制系统在检测到偏离值后，会自动进行校正，无抗干扰能力的系统不是闭环控制系统。

判断一个控制系统是否闭环，还可以用被控量有无跟踪基准量的能力来判断。把基准量改变一个量，系统经一段时间调控后仍然能使被控量接近基准量，这个系统就是闭环控制系统，如没有跟踪基准量的能力，就是开环控制系统。例如人骑自行车时，道路方向（基准量）不断改变，车头方向可以不断跟踪;又如导弹打飞机，飞机不断改变方向和位置，导弹照样可以跟踪空中飞机，这两个系统都是闭环控制系统。

在闭环控制系统中，控制是一个动态过程，只能说控制的结果是被控量不断接近基准量（期望值）。例如我们骑车时，前轮未必一定压在道路的中线上;导弹打飞机时，也可能有某一架敌机逃跑了，导弹没打中。

【投篮（投飞镖、打靶）是开环还是闭环控制？】

投篮时，发生了这样的情况：

第一次投掷：由于用力太大，篮球碰到了篮板上弹了回来，没有命中;

第二次投掷：吸取第一次的经验，减小了用力，但用力过小，篮球没有碰到篮圈;

第三次投掷：吸取了前两次投掷的经验，终于投中了。

在这里，可以将人看作控制系统，眼睛把接收到的篮圈位置以及实际投掷位置等信息输送给大脑，经大脑分析和加工处理后，发出指令，指挥手投掷篮球，直到投篮命中。（如下框图所示）

所以，我们可以看出，类似的人参与其中的控制活动，若只进行1次是开环控制，而重复进行N次则是闭环控制！

当然，称其为闭环控制的前提是需要考虑投掷的次与次的间隔时间T1（控制系统中的环节中断时间）。控制系统中某环节中断的时间T1应远小干扰存在（或需调控校正）的时间T2，即T1T2，此时，T1相对于T2可以略去！例如，我们第一次、第二次、第三次投掷的间隔时间为3秒，并不影响这系统的正常运行和抗干扰性能，可看作是闭环控制系统;但假设我们第一次、第二次、第三次投掷的间隔时间变为1天，它就不再是闭环控制系统了！

【是不是闭环控制精度高，我们应尽可能地采用？】

有这样一个故事：联合利华引进了一条香皂包装生产线，但这条生产线有个缺陷：常常会有盒子里没装入香皂。他们只好请了一个高级工程师设计一个控制系统来分拣空的香皂盒。工程师综合采用了机械、微电子、X射线探测等技术，设计了一套闭环控制系统，每当生产线上有空香皂盒通过，两旁的探测器会检测到，并且驱动一只机械手把空皂盒推走。

中国南方某乡镇企业也买了同样的生产线，老板发现这个问题后发动工人想解决办法。工人果然想出了办法：在生产线旁边放了台风扇（开环控制），空皂盒自然会被吹走。

通过这个故事，大家肯定能达成共识：闭环控制精度高，成本也高;开环控制相对精度低，但是成本也低。使用哪一种控制系统，还需要根据实际情况，综合优选。

三、 结语

专业知识的欠缺和缺少必要的资源，造成我们师生在“控制与设计”的教与学过程中产生了困难，本文作者通过长期的一线教学和与广大教师的深入沟通，总结了该章节内容中存在难点的问题，以自己“自动控制技术”专业的背景做出了相应的分析与研讨，希望能帮大家解开困扰多时的疑惑。

参考文献：

[1]顾建军.技术课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004.

[2]顾建军.通用技术教学研究与案例[M].北京：高等教育出版社，2007.

作者簡介：

代超，云南省昆明市，云南师大附中。