《控制与设计》易混淆的几个概念汇总

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《控制与设计》易混淆的几个概念汇总

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莲山 课件 w w w.5Y k J.C om

《控制与设计》易混淆的几个概念汇总
前言
有老师提出,对“控制与设计”的问题感到比较不好理解。这很正常,因为师范类教育中很少这方面的内容,未学而不知,是正常现象。但控制问题也不是高深的理论,即便有一些比较难懂的科学原理,在基础教育课程中,也需要用通俗易懂的语言来表述才比较恰当。
想起来很多年前,我曾经尝试过用通俗语言剖析控制原理,并写了一些文章。其中有一篇《控制设计中几个容易混淆概念的辨析》发表于《劳动技术教育》2009.6中央教科所主办,教育科学出版社协办杂志。
申明,我既不是专家,也不是砖家,只是服务于基础教育的一位普通教研员,我的工作性质就是为没有高深教学功底,没有超高学历的普通一线中学教师提供服务。因此我的职业习惯让我养成了写通俗文章,说通俗话的习惯。
通俗不等于庸俗,高深也不等于高尚;知识是用来解决问题,是用来答疑解惑,而不是用来炫耀的。这个是我的理念!
 
关键词:基础教育、通用技术、系统、控制、反馈、干扰
 
摘要:“系统”和“控制”是高中新课程《通用技术》中所涉及的重要概念,但对于缺乏专业技术背景的普通高中学生来说,却是个教学难点。而只有立足于学生所熟悉的生活与学习的现实环境,通过学生熟悉的生活实例和技术案例,采用通俗易懂的形式来表述,教学才能够做到深入浅出,顺利达成课程目标。
 
“系统”和“控制”是普通高中《通用技术》课程必修模块中的两个重要概念,也是教学难点。其中:控制的概念、控制的过程、控制的方式、干扰与反馈等等,这些概念以前一般只出现在大学的专业课程中,通常是通过工程技术设计的案例来说明或者引证这些概念。但对于缺乏专业技术背景的普通高中学生,教师应该如何实施教学,才能够让学生掌握《通用技术》课程标准中规定的这一部分教学内容?是需要深入研究的新课题。
 
一、基础教育阶段学习“系统”与“控制”概念的必要性与可行性
系统论、控制论和信息论是本世纪四十年代先后创立并获得迅猛发展的三门系统理论的分支学科。虽然它们仅有半个世纪,但在现代科学技术领域中,已是资深望重的元老,合称“老三论”。 人们摘取了这三论的英文名字的首字母,把它们称之为SCI论。
 
SCI论分别从三个角度为我们揭示了世界万事万物之间所存在相互关联,也为我们提供了解决复杂社会问题和科学技术问题的崭新思路,是构成现在社会思想体系的最重要理论之一。因此,掌握SCI论中的一些基本原理与方法,不仅能提高分析问题和解决问题的能力,还有助于提升思维层次。对于现有高中学生来说,其最直接的价值是:让学生能用系统的眼光,从整体上理解自然与社会的组织结构形式、相互作用形式,并从学科整合的角度领会知识体系的真谛,同时也能提高各个知识学科的学习效率。
 
在高中技术领域课程中,《信息技术》包含了信息论的相关内容,而系统论与控制论的基本思想,被纳入了《通用技术》课程的内容体系之中。通过具体的技术设计来阐述系统的组成、设计、控制、流程等基本概念。这部分的内容是《通用技术》课程的精华所在,将SCI论的基本内容纳入基础教育课程体系中,也是高中新课程的一个亮点。
 
遗憾的是,绝大多数的学校即使上了这门课,也没有把这部分内容讲解到位。因此没有能够体现出这门课程的价值。一些人认为,《通用技术》课程的内容和以前劳动技术的内容一样,就是让学生动手操作,学好这门课对提高高考成绩没有益处。因此出于功利的思想,不愿意让学生在这门课程上多花时间。而一些任课老师,由于没有把握好这门课程的教学目标,没有体会到它的真实价值所在。把这样一门精彩的课程,上成了催人昏昏欲睡的概念课,或者上成了低水平的手工制作课。确实是浪费了学生的宝贵时间。
 
“系统”的概念其实无处不在。一台机器是一个系统,一个教学班级是一个系统,人体本身也是一个复杂的系统。我们既可以把整个校园网络当作一个系统,也可以将一台单独的电脑当作一个系统,甚至可以把电脑中任何一个部件(比如显示器)当作系统……,我们分析问题的目标不同,考察事物的层次不同,系统的范围也就不同。
 
“控制”也同样随处可见。汽车的行驶过程中,速度、方向都需要被驾驶者所控制;空调、冰箱、热水器中都有对温度的控制;普通的抽水马桶中也有巧妙的水位控制;人抓取桌面上一个物体的过程,同样具有控制。总之,人按照自己的意愿或目的,通过一定手段,使事物朝着期望的目标发展,就是“控制”。
 
“系统”与“控制”的概念虽然复杂,但并不抽象。只要立足于学生所熟悉的生活与学习的现实环境,通过学生熟悉的生活实例和技术案例,采用通俗易懂的形式来表述教学内容,就能够做到深入浅出,顺利达成教学目标。在《通用技术》课程的教学过程中,做到贴近普通高中学生的认知水平,满足学生的学习需求,就显的尤为重要。以下将按照这样的思路,有针对性地探究几则教学过程中的具体问题。
 

二、几个关于“控制”的典型教学案例剖析
案例是《通用技术》课程的最重要教学要素。各版本教材中都引用了丰富的案例来阐述问题,教师的课堂教学也应该尽量使用生动形象的案例,来阐述相对抽象的技术原理或技术设计思想。教学过程中所选用的技术案例,不仅应该具有较强的针对性,以利于阐述或辨析知识点,同时还应该贴近学生生活实际,多选用那些离得近、看得见、摸得着的案例,以方便学生的理解。
 
1、关于温度控制的教学案例
温度控制是自动化控制的典型案例。在生活中也很常见,且温度控制的系统比较直观,便于理解,因此在高中《通用技术》教学中,温度控制的案例是教学中很好的素材。在教学中可以列举如:普通(非调温)电炒锅、电热毯、电瓦铛、高温消毒柜等家用电器,作为开环温度控制案例;也可以列举如:空调、冰箱、电熨斗、自动调温电火锅,自动电开水器等,作为闭环温度控制的案例。
①开环式温度控制系统的基本结构:
 
②几种开环式温度控制案例的分析
器具(案例)
控制器
被控对象
输入量
控制量
输出量
普通电炒锅
电源开关
电热器
接通电源
有效电流
锅体温度
电热毯
温度档位开关
电热丝
开关档位
有效电流
被窝内温度
电瓦铛
温度档位开关
电热器
开关档位
有效电流
锅内温度
 
③闭环式温度控制系统的基本结构:
④几种闭环式温度控制案例的分析


器具(案例)
温控器*类型
被控对象
控制量
输出量
普通空调器
电子式
制冷压缩机
开/停时间比
室内环境温度
家用冰箱
机械(或电子)
制冷压缩机
开/停时间比
冷藏室温度
电熨斗
机械式
电热器
电源通/断时间比
底板温度
电热水器
机械(或机电)
电热器
电源通/断时间比
蓄水箱中水温
                                                             
*注:在实际的温控设备中,“温控器”通常是一个组件,它包括了温度控制系统中的控制器、检测器、比较器、执行器的功能。
教学中一般应当按照开环或闭环系统的基本结构,从整体层面阐述或分析温度控制系统的原理,尽量不要过多地深入到检测、反馈、控制等具体环节的技术细节中,避免涉及学生难以理解的过于专门化的技术。
 
2、水位控制的教学案例
在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容器中的液位(水位)进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水马桶的自动进水控制、自动电热水器的进水控制等,都属此类。因此水位控制是生活现实中,比较容易观察到的一类控制案例。
 
按照所采用的技术方法不同,水位控制系统可分为:全机械式、机电式和电子式,各种控制方式的适用场合有别,技术要求不同,精度、可靠性、成本也不同,但基本的控制原理却相同,都可以归纳为一般的反馈控制模式。它们的主要区别仅在于检测液位的方式、反馈的形式,以及控制器的差异。因此在分析水位控制系统时,必须从共性的原理出发,去研究其各自的特异部分。
 
教学过程中,讲解水位控制方式的原理时,教师们常常感觉到,一些结构比较简单的水位控制装置,欲分析其工作原理却显得更为困难,比如抽水马桶。而相对结构比较复杂的水位控制装置,因其结构中各个部件的作用比较单纯,控制过程明晰,反而更容易将各个部件与系统方框图对照讲解说明原理,如教材中所列举的:工业用水箱的水位控制、大楼二次供水水箱的水位控制等等,都属于这类案例。但这些案例学生都很难亲临现场,去感受或体验实际的装置。因此这两类控制方式应该对照讲解,才能够让学生认识水位控制的基本过程与原理。
 
家用抽水马桶与工业水箱的水位控制原理对照
 
器具(案例)
控制器
检测器
执行器
设定量
控制量
抽水马桶
连杆机构
浮球
机械进水阀
阀口高度
进水口流量
工业水箱
机械(或电
子控制)
浮球(或液
位传感器)
电磁阀
阀口高度
(或电位值 )
进水口流量
                                         
三、几个容易混淆的基本问题辨析
1、关于自动、人工、开环、闭环的辨析
“自动控制”、“人工控制”是控制的两种手段,依控制过程中人工干预的情况来分,“在无人工直接参与的情况下,使事物的变化准确地按照期望的方向进行”的控制,称为自动控制,反之则是人工控制。根据这一概念,对控制进行分类,常常会出现“两难”的情形:
 
红外线自动感应门,无须人工直接干预,只要有人靠近,门就开启,人一离开,门就自动关闭,属于自动控制,没有歧义。然而抽水马桶对水流的控制过程,是自动控制,还是人工控制?马桶在每次冲水过程中,进水量、出水量都被自动地限定为固定值,并且没有“人工直接参与”,应该认为是自动控制;但是每次冲水之前,都需要人工按动一下开关,这一操作又符合人工控制的特征。
 
类似这样不易区分控制手段或类型的例子还很多:电脑打印过程中对机器操作的控制、家用冰箱或者家用空调器中对温度的控制、自动开水壶中对电源开关的控制、自动升旗简单控制装置对升降旗的控制……,等等。
 
其实,以上这些例子中,之所以不易区分控制的手段或类型,是因为没有明确地界定所考察的控制系统的范围。在结构上,抽水马桶的水流控制由进水阀和出水阀组成,实际上可以看作是构成抽水马桶的两个“子系统”——进水阀系统、出水阀系统。进水阀系统所完成的功能是:“根据水箱中水位的高低,适时控制阀门开闭,自动补充水量”,这个控制过程是很典型的闭环自动控制类型;而出水阀系统则是人工开环控制类型。由此可见,只要界定了所分析的系统范围,就能够清楚的辨析控制的类型,其他的一些例子也是如此,不再细述。
 
2、开环控制未必都是人工控制
开环与闭环的区别就在于有无反馈环节,所谓闭环控制就是存在反馈环节的控制。这样的系统能够适时地检测控制的输出结果,并将检测到的信息通过反馈环节反映到输入端,达到自动调整输入量,修正控制误差的目的。反馈技术被广泛应用在各种需要精确控制的系统中,尤其是电子控制系统,比如:各种放大电路中的增益控制;环境的温度、湿度、水位、压力的控制;机械结构的位置控制、速度控制等等。因此常常使人觉得:闭环控制是复杂的、精确的、自动的控制方式,而开环控制相对的简单、粗糙和非自动。这种感觉常常造成初学者在分析系统时的误判,需要特别注意。
 
以普通家用压力锅的温度控制过程为例,在密封状态下,锅内的温度与压力呈对应关系。加热锅体,当锅内温度达到设定值时,锅内的压力也将达到设定值,高压顶开排气阀上的重锤,排出蒸汽,使锅内压力减小下来。由于重锤的重量是恒定的,因此当温度达到设定值之后,加热量和排气量呈动态平衡,锅内压力保持在高于大气压力的一个恒定值上,锅内温度也保持在高于常压下水的沸点温度的一个恒定值上(一般为110℃左右),不再继续升高。控制过程如下图所示:
 
从压力锅的这一温度控制过程来看,没有“人工直接参与”,属于自动控制;而且输出量(温度)并没有反馈到输入端(加热炉),去调节输入量(加热量),因此属于开环控制。这是一个结构极其简单,而又非常典型的自动控制实例,在环境气压恒定的情况下,其温度的控制精度较高。如果环境气压发生变化,也会影响到所获得的温度控制结果,因此在这里例子中,环境气压就成为影响控制精度的“干扰量”。
 
也有人将高压锅的温度控制过程理解为闭环控制,也不无道理!主要是看所分析的系统范围如何界定。上述分析是将高压锅与加热炉共同作为一个系统来看待。假如不考虑加热炉,只分析高压锅排气阀门对锅内气压的控制原理,将所分析的系统界定在高压锅本身,那么,就可以得出闭环控制的结论,但这样的分析可能更不便于初学者的理解。
 
类似的开环自动控制的例子还很多,比如:山地梯田中的水位控制,从山头到山脚梯状层叠的平面稻田,水流自上而下逐层灌溉着每一块田地,稻田中水位的高低由田埂上的排水口的高度决定,每一块稻田的水位都可以单独的设定。只要山头入水口的水流供给量保持在一定的范围内,无论蒸发量多或少,都能够确保稻田中基本恒定的水位。几千年来,劳动人民就是依靠这样一种简单的梯田结构,解决了稻田的自动灌溉问题,从控制设计的角度来看,梯田灌溉的水位控制没有使用任何反馈调节的环节,因此也属于开环控制。
 
简单的开环控制,应用得当,通常能够达到理想的自动控制效果。反之,复杂的闭环控制也未必都属于自动控制。汽车的驾驶就是一个常见的实例:汽车沿着道路行驶,必须有人的操控,从控制的角度看,属于人工控制,这时我们是将人与车看成了一个整体的系统。驾驶员通过操控方向盘、油门、刹车等机构,控制车辆行驶的状态;同时,驾驶员还通过视觉,查看车辆与前方道路或障碍物的位置关系信息,根据这一信息不断修正自己的操作,使车辆按照预定的路线轨迹行驶。在这一过程中,驾驶员通过视觉获取的信息就是反馈量,因此属于闭环控制。
 
在教学中,通过深入地剖析一些典型控制案例,注重分析其输入量、输出量、反馈量、干扰因素之间的相互关系,注意区分系统的层次关系,明确界定所研究的系统范围,就能够抓住要害,化繁为简,深刻地理解问题的本质。
 
3、分析控制问题应注意考察时间维度
以射击过程中子弹瞄准靶心的控制为例,子弹能够准确地射中靶心,显然是一个控制的过程,它属于自动控制还是人工控制?是开环控制还是闭环控制?
这是一个常常让人含糊不清的控制问题。要分析这个控制问题,首先应当明确所考察的系统的范围,范围不同,结论也不同。
 
①只考虑枪和子弹构成的系统,不考虑人和靶。控制的过程是:扳机被扣动→触发撞针敲击子弹引信→引爆弹壳中的火药→高压气流将子弹推出枪管。显然这个过程是开环控制,而且扳机被扣动之后的过程,没有人工干预,属于自动控制;
②将人、枪、子弹、靶作为一个整体的系统考虑。控制的过程是:瞄准(人利用枪上的准心装置将枪对准靶心位置)→扣动扳机激发子弹→高压气流将子弹推出枪管→子弹飞行后射中靶的某个位置。这一过程还是属于开环控制,但由于人的介入,成为人工控制;
③在上述系统中,增加时间维度的考察。即:射击者通过多次射击,不断调整,逐步提高射击精度。控制过程为:
 
上图清楚地表明,这一控制过程属于人工的闭环控制。在分析问题时,不能够单独地看待每一次的射击,而应当将发生在不同时刻的相关事件,组合起来作为一个整体来看待,也就是同时考察控制系统的空间维度和时间维度。
 
四、结束语
系统是人们为了方便分析具体事物而创造的概念。系统的概念体现了事物构成从部分到整体的一般规律,反映了事物的部分与部分之间,部分与整体之间的相互关系。控制的实施需要依托于一个物质的载体,这个载体称为“控制系统”,因此对任何控制问题的分析其实也是系统分析。系统分析方法不仅仅是解决技术设计问题、控制分析问题的核心方法,也是解决生活问题、教学问题、学习问题,以及科学问题的基本方法之一。在普通高中《通用技术》课程中,以技术设计作为内容载体,通过具体的设计案例,比较通俗地学习系统分析的基本方法,因此这部分的内容应该是普通高中《通用技术》课程的一个亮点,也应该是该课程的重点内容之一。
 
只有立足于学生所熟悉的生活与学习的现实环境,通过学生熟悉的生活实例和技术案例,采用通俗易懂的形式来表述教学内容,才能够做到深入浅出,顺利达成教学目标。

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