謝超

摘 要：學(xué)生在解決開閉環(huán)控制系統(tǒng)的題目時，往往會出現(xiàn)思路混亂。用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析開閉環(huán)控制系統(tǒng)，既可以整體把握，又可以逐個到位。這個方法不僅僅解決了控制系統(tǒng)的難題，同樣可以培養(yǎng)學(xué)生的大局觀，處理問題面面俱到，不顧此失彼。

關(guān)鍵詞：開環(huán);閉環(huán);控制

宏觀和微觀的思想在經(jīng)濟學(xué)理論體系中占有重要地位。從宏觀角度總體分析經(jīng)濟規(guī)律的一個經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域，研究經(jīng)濟整體資源的利用問題;從微觀角度，是研究單個個體的經(jīng)濟行為，即是研究一個人、一個工廠、一個公司的經(jīng)濟行為。這樣總體考慮和局部考慮相結(jié)合的思想，在很多領(lǐng)域都能很好地應(yīng)用。

蘇教版通用技術(shù)必修二第四單元控制與設(shè)計這一章，是整個通用技術(shù)學(xué)科的重難點之一。在歷年的高考，各地模擬考試中，都有較大分值，但得分率普遍不高。究其原因不外乎以下幾點：（1）控制系統(tǒng)的流程方框圖搞不清楚;（2）搞不清是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng);（3）簡單的題目能做出來，但遇到新的、稍復(fù)雜的控制系統(tǒng)或者大系統(tǒng)中的小系統(tǒng)時，往往思路會比較亂。經(jīng)過多年的反復(fù)論證、總結(jié)，用“宏觀”和“微觀”的思想，來解決控制系統(tǒng)的問題，得心應(yīng)手。

一、“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法

1.用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析開環(huán)控制系統(tǒng)

先用宏觀整體的思想來看這個控制流程：仔細(xì)閱讀整個控制過程，然后提煉出整個系統(tǒng)到底要對什么進行控制，要實現(xiàn)怎樣的功能。對什么進行控制，什么就是被控對象;要實現(xiàn)怎樣的功能，就直接找到輸入量和輸出量。舉例：有一控制系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能，當(dāng)人靠近的時候門打開;人遠(yuǎn)離的時候，門就關(guān)閉。這里被控對象就是門（整個控制系統(tǒng)就是在對門進行控制）;輸入量是有無人的信號（開環(huán)電子控制系統(tǒng)往往需要通過傳感器把非電信號的輸入量轉(zhuǎn)化為電信號），輸出量是門打開或者關(guān)閉。

然后用微觀逐個的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：把握整個控制過程以后，按照流程方框圖，根據(jù)控制原理，逐個把各部分找出來（微觀逐個思想）。比如被控對象知道了，能控制被控對象的設(shè)備就是執(zhí)行器，能對執(zhí)行器發(fā)出指令的是控制器。

2.用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析閉環(huán)控制系統(tǒng)

同樣先用宏觀整體的思想來看這個控制流程：先仔細(xì)閱讀整個控制過程，然后提煉出整個系統(tǒng)到底要對什么進行控制，要實現(xiàn)怎樣的功能。對什么進行控制，什么就是被控對象;要實現(xiàn)怎樣的功能，就直接找到設(shè)定值和實際值。舉例：有一控制系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能：能使土壤的實際濕度與設(shè)定的濕度保持一致（土壤干了加水，讓土壤變干;土壤濕了停止加水）。這里被控對象就是土壤（整個控制系統(tǒng)就是在對土壤進行控制）;設(shè)定值是設(shè)定濕度，實際值是實際濕度。

然后用微觀逐個的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：把握整個控制過程以后，按照流程方框圖，根據(jù)控制原理，逐個把各部分找出來（微觀逐個思想）。比如知道了被控對象，能控制被控對象的設(shè)備就是執(zhí)行器，能對執(zhí)行器發(fā)出指令的是控制器（反饋裝置檢測實際值把它反饋到輸入端與設(shè)定值進行比較）。

二、用“宏觀”和“微觀”的思想在開閉環(huán)控制系統(tǒng)解題中的應(yīng)用

1.開環(huán)控制系統(tǒng)

例題1：如圖1所示是地鐵進站閘機，乘客將車票或公交卡放入讀卡感應(yīng)區(qū)，讀卡器將卡片信息發(fā)送給服務(wù)器進行驗證，驗證合格后，控制開閘機構(gòu)開啟閘門。關(guān)于閘門的開啟控制，下列說法正確的是（）

A.該控制是閉環(huán)控制

B.被控對象是乘客

C.輸出量是閘門的開啟

D.控制器是開閘機構(gòu)

解題思路：用宏觀整體的思想來看這個控制流程：先仔細(xì)閱讀整個控制過程，發(fā)現(xiàn)就是對“閘門”進行控制。要實現(xiàn)怎樣的功能？當(dāng)車票或者公交卡輸入正確的時候，閘門開啟，否則不開啟。所以我們可以快速找出被控對象是“閘門”，輸入量為車票或者公交卡信息，輸出量是閘門是否開啟。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)不一樣，不能進行比較，所以是開環(huán)控制系統(tǒng)。）

接著用微觀逐個的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：輸入信號由服務(wù)器接收，是控制器，控制器發(fā)出指令給執(zhí)行器，所以執(zhí)行器為開閘機構(gòu)，開閘機構(gòu)對外做功，來控制“閘門”，完成最終的控制任務(wù)。根據(jù)以上內(nèi)容，就可以寫出完整的開環(huán)控制系統(tǒng)流程圖。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

例題2：如圖2所示是三相異步電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)通過改變交流電的頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速。通過觸摸屏設(shè)定電動機的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成與設(shè)定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)頻率的交流電，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動;在電動機輸出軸上的測速發(fā)電機隨電動機一起轉(zhuǎn)動并發(fā)電;PLC根據(jù)測速發(fā)電機的電流大小，判斷電動機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值，向變頻調(diào)速器發(fā)出指令，改變驅(qū)動電流的頻率。下列說法正確的是（? ）

A.執(zhí)行器是電動機

B.控制器是變頻調(diào)速器

C.輸出量是測速發(fā)電機的電流信號

D.控制量是變頻調(diào)速器輸出的電流頻率

解題思路：用宏觀整體的思想來看這個控制流程：仔細(xì)閱讀整個控制過程，發(fā)現(xiàn)就是對“三相異步電動機”進行控制，要使電動機的實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速保持一致。所以我們能快速找到被控對象就是“三相異步電動機”，輸入量為設(shè)定轉(zhuǎn)速，輸出量為實際轉(zhuǎn)速。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)一樣，可以進行比較，所以是閉環(huán)控制系統(tǒng)。）

接著用微觀逐個的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：這里我們可以倒推，什么能改變電動機的轉(zhuǎn)速？是交流電的頻率，所以其是控制量。什么能改變控制量？是變頻調(diào)速器，所以其是執(zhí)行器。什么能向變頻調(diào)速器發(fā)出指令？是PLC，所以其是控制器。什么能實時檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，并能把它反饋給PLC（控制器）？是發(fā)電機，所以其是檢測（反饋）裝置（閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測裝置來檢測輸出量，所以往往裝在被控對象上面）。根據(jù)以上內(nèi)容，就可以寫出完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖。

3.開閉環(huán)控制系統(tǒng)

例題3：如圖3所示為滑臺的運動系統(tǒng)示意圖，由電機控制子系統(tǒng)和機械傳動子系統(tǒng)組成。在電機控制子系統(tǒng)中，傳感器檢測電機的轉(zhuǎn)動角度，并反饋到控制裝置與設(shè)定值比較，控制裝置根據(jù)差值發(fā)出運動信號，驅(qū)動器將運動信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。在機械傳動子系統(tǒng)中，電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿通過螺母驅(qū)動滑臺移動。系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)動角度和絲桿的螺紋間距計算出滑臺移動的距離，從而實現(xiàn)對滑臺位置的間接控制。

由于絲桿傳動的誤差和滑臺移動時的摩擦，導(dǎo)致滑臺移動的距離存在誤差。為了提高滑臺位置的控制精度，下列措施中合理的是（）

A.將電機換成高精度電機，控制方式改成開環(huán)控制

B.將傳感器換成高精度傳感器，提高電機及轉(zhuǎn)動角度的檢測精度

C.將傳感器安裝在絲桿上，檢測絲桿的轉(zhuǎn)動角度

D.在滑臺上安裝傳感器，檢測滑臺的位置

解題思路：同樣先用宏觀整體的思想來看這個控制流程：仔細(xì)閱讀整個控制過程，發(fā)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)分成兩個部分：一部分是來控制電機轉(zhuǎn)動角度;另一部分就是通過控制電機轉(zhuǎn)動角度從而來最終控制滑臺的前后運動。所以對于滑臺位置的控制，被控對象就是“滑臺”，要實現(xiàn)的控制功能是輸入相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動角度時，對應(yīng)輸出滑臺的相應(yīng)位置。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)不一樣，不能進行比較，所以是開環(huán)控制系統(tǒng)。）開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量由于不會對前面的控制產(chǎn)生影響，不能消除控制誤差，所以要把它改進成閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)前面的介紹，可以在被控對象上加一個檢測裝置，實時來反饋輸出量，并將其與設(shè)定值進行比較，從而消除偏差。故這個檢測裝置應(yīng)該裝在滑臺上面。

三、結(jié)束語

用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法來解決控制系統(tǒng)中的難題，可以培養(yǎng)大家的大局觀，看問題更加全面細(xì)致，不至于顧此失彼。其實很多時候，也可以用這個方法解決其他工作，學(xué)習(xí)和生活中遇到的問題。筆者本人發(fā)表這個方法，希望學(xué)生可以多掌握一種解題技巧，同時與各位同行相互探討學(xué)習(xí)。

參考文獻：

[1]黃春花.經(jīng)濟學(xué)原理[M].東南大學(xué)出版社，2017.

[2]顧建軍.技術(shù)與設(shè)計2[M].江蘇鳳凰教育出版社，2004.

編輯 王亞青