控制與設(shè)計(jì)易混淆的幾個(gè)概念匯總控制與設(shè)計(jì)易混淆的幾個(gè)概念匯總、尸、 亠刖言有老師提出，對 控制與設(shè)計(jì)”的問題感到比較不好理解。這很正常， 因?yàn)閹煼额惤逃泻苌龠@方面的內(nèi)容，未學(xué)而不知，是正?，F(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(xué)原理， 在基 礎(chǔ)教育程中，也需要用通俗易懂的語言表述才比較恰當(dāng)。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(shè)計(jì)中幾個(gè)容易混淆概念的辨析發(fā)表于勞動(dòng)技術(shù)教育20096中央教科所主辦，教育科學(xué)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(wù)于基礎(chǔ)教育的一位普通 教研員，我的工作性質(zhì)就是為沒有高深教學(xué)功底，沒有超高學(xué)歷的普 通一線中學(xué)教師提供服務(wù)。因此我的職業(yè)習(xí)慣讓我養(yǎng)成了寫通俗， 說 通俗話的習(xí)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(gè)是我的理念！關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)教育、通用 技術(shù)、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(shù)中所涉及的重要概念，但對于缺乏專業(yè)技術(shù)背景的普通高中 學(xué)生說，卻是個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。而只有立足于學(xué)生所熟悉的生活與學(xué)習(xí)的 現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過學(xué)生熟悉的生活實(shí)例和技術(shù)案例， 采用通俗易懂的形式表述，教學(xué)才能夠做到深入淺出，順利達(dá)成程目標(biāo)。系統(tǒng)”和 控制”是普通高中通用技術(shù)程必修模塊中的兩個(gè)重要概念，也是教 學(xué)難點(diǎn)。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(xué)的專業(yè)程中， 通常是通過工程 技術(shù)設(shè)計(jì)的案例說明或者引證這些概念。 但對于缺乏專業(yè)技術(shù)背景的 普通高中學(xué)生，教師應(yīng)該如何實(shí)施教學(xué)，才能夠讓學(xué)生掌握通用技 術(shù)程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的這一部分教學(xué)內(nèi)容？是需要深入研究的新題。 一、 基礎(chǔ)教育階段學(xué)習(xí) 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(jì)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(xué)科。雖然它們僅有半個(gè)世紀(jì)，但在現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域中，已是資深望重的元老，合稱老三論” 人們摘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(gè)角度 為我們揭示了世界萬事萬物之間所存在相互關(guān)聯(lián)，也為我們提供了解 決復(fù)雜社會(huì)問題和科學(xué)技術(shù)問題的嶄新思路， 是構(gòu)成現(xiàn)在社會(huì)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(xué)生說，其最直接的價(jià)值是：讓學(xué)生能用系統(tǒng)的眼光，從 整體上理解自然與社會(huì)的組織結(jié)構(gòu)形式、 相互作用形式，并從學(xué)科整 合的角度領(lǐng)會(huì)知識體系的真諦，同時(shí)也能提高各個(gè)知識學(xué)科的學(xué)習(xí)效 率。在高中技術(shù)領(lǐng)域程中，信息技術(shù)包含了信息論的相關(guān)內(nèi)容， 而系統(tǒng)論與控制論的基本思想，被納入了通用技術(shù)程的內(nèi)容體系 之中。通過具體的技術(shù)設(shè)計(jì)闡述系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)、控制、流程等基本概念。這部分的內(nèi)容是通用技術(shù)程的精華所在，將SI論的基本內(nèi)容納入基礎(chǔ)教育程體系中，也是高中新程的一個(gè)亮點(diǎn)。遺憾的是， 絕大多數(shù)的學(xué)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(jià)值。一些人認(rèn)為，通用技術(shù)程的內(nèi)容和以前勞動(dòng)技術(shù)的內(nèi)容一樣，就是讓學(xué)生動(dòng)手操作，學(xué)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(xué)生在這門程上 多花時(shí)間。而一些任老師，由于沒有把握好這門程的教學(xué)目標(biāo)，沒有 體會(huì)到它的真實(shí)價(jià)值所在。把這樣一門精彩的程，上成了催人昏昏欲 睡的概念，或者上成了低水平的手工制作。確實(shí)是浪費(fèi)了學(xué)生的寶貴 時(shí)間。系統(tǒng)”的概念其實(shí)無處不在。一臺機(jī)器是一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)教學(xué) 班級是一個(gè)系統(tǒng)，人體本身也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。我們既可以把整個(gè) 校園網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，也可以將一臺單獨(dú)的電腦當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)， 甚 至可以把電腦中任何一個(gè)部（比如顯示器）當(dāng)作系統(tǒng) ，我們分析 問題的目標(biāo)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(gè)物體的過程，同樣具有 控制。總之，人按照自己的意愿或目的，通過一定手段，使事物朝著 期望的目標(biāo)發(fā)展，就是 控制” 系統(tǒng)”與控制”的概念雖然復(fù)雜，但 并不抽象。只要立足于學(xué)生所熟悉的生活與學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境， 通過學(xué) 生熟悉的生活實(shí)例和技術(shù)案例，采用通俗易懂的形式表述教學(xué)內(nèi)容， 就能夠做到深入淺出，順利達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。在通用技術(shù)程的教學(xué) 過程中，做到貼近普通高中學(xué)生的認(rèn)知水平，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué) 過程中的具體問題。二、幾個(gè)關(guān)于控制”的典型教學(xué)案例剖析案例是通用技術(shù)程的最重要教學(xué)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(xué)也應(yīng)該盡量使用生動(dòng)形象的案例， 闡述相對抽象的技術(shù)原理或技術(shù)設(shè)計(jì)思想。 教學(xué)過程中所選用的技術(shù) 案例，不僅應(yīng)該具有較強(qiáng)的針對性，以利于闡述或辨析知識點(diǎn)，同時(shí) 還應(yīng)該貼近學(xué)生生活實(shí)際，多選用那些離得近、看得見、摸得著的案 例，以方便學(xué)生的理解。1、關(guān)于溫度控制的教學(xué)案例 溫度控制是自動(dòng)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(shù)教學(xué)中，溫度 控制的案例是教學(xué)中很好的素材。在教學(xué)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(dòng)調(diào)溫電火鍋， 自動(dòng)電開水器等，作為閉環(huán)溫度控制的案例。開環(huán)式溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：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(guān)電熱器接通電有效電流鍋體溫度電熱毯溫度檔位開關(guān)電熱絲開關(guān)檔位有效電流被窩內(nèi)溫度電瓦鐺溫度檔位開關(guān)電熱器開關(guān)檔位有效電流鍋內(nèi)溫度閉環(huán)式溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):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(jī) 開/停時(shí)間比 室內(nèi)環(huán)境溫度 家用冰箱機(jī)械（或電子）制冷壓縮機(jī) 開/停時(shí)間比 冷藏室溫度 電熨斗 機(jī)械式 電熱器 電通/斷時(shí)間比底板溫度 電熱水器機(jī)械（或機(jī)電）電熱器電通/斷時(shí)間比蓄水箱中水溫*注：在實(shí)際的溫控設(shè)備中，溫控器”通常是一個(gè)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(xué)中一般應(yīng)當(dāng)按照開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，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(shù)細(xì)節(jié)中，避免涉及學(xué)生難以理解的過于專門化的技 術(shù)。2、水位控制的教學(xué)案例在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中， 常常會(huì)需要對容器中的液位（水 位）進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中 的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)進(jìn)水控制、自動(dòng)電熱水器的進(jìn)水控 制等，都屬此類。因此水位控制是生活現(xiàn)實(shí)中，比較容易觀察到的一 類控制案例。按照所采用的技術(shù)方法不同，水位控制系統(tǒng)可分為：全 機(jī)械式、機(jī)電式和電子式，各種控制方式的適用場合有別，技術(shù)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(shí)， 必須從共性的原理出發(fā)，去研究其各自的特異部分。教學(xué)過程中，講 解水位控制方式的原理時(shí)，教師們常常感覺到，一些結(jié)構(gòu)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，比如抽水馬桶。 而相對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的水位控制裝置，因其結(jié)構(gòu)中各個(gè)部的作用比較 單純，控制過程明晰，反而更容易將各個(gè)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(xué)生都很難親臨 現(xiàn)場，去感受或體驗(yàn)實(shí)際的裝置。因此這兩類控制方式應(yīng)該對照講解， 才能夠讓學(xué)生認(rèn)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(jī)構(gòu) 浮球機(jī)械進(jìn)水閥閥口高度進(jìn)水口流量 工業(yè)水箱 機(jī)械（或電子控制）浮球（或液位傳感器）電磁閥閥口高度（或電位值）進(jìn)水口流量三、幾個(gè)容易混淆的基本問題辨析1、關(guān)于自動(dòng)、人工、開環(huán)、閉環(huán)的辨析自動(dòng)控制”、人工控制”是控制的兩種手段，依控制過程中人工干預(yù) 的情況分，在無人工直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確地按照 期望的方向進(jìn)行”的控制，稱為自動(dòng)控制，反之則是人工控制。根據(jù) 這一概念，對控制進(jìn)行分類，常常會(huì)出現(xiàn) 兩難”的情形：紅外線自動(dòng) 感應(yīng)門，無須人工直接干預(yù)，只要有人靠近，門就開啟，人一離開， 門就自動(dòng)關(guān)閉，屬于自動(dòng)控制，沒有歧義。然而抽水馬桶對水流的控 制過程，是自動(dòng)控制，還是人工控制？馬桶在每次沖水過程中，進(jìn)水 量、出水量都被自動(dòng)地限定為固定值，并且沒有人工直接參與”，應(yīng)該認(rèn)為是自動(dòng)控制；但是每次沖水之前，都需要人工按動(dòng)一下開關(guān)， 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(jī)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(dòng)開水壺中對電開關(guān)的控制、自動(dòng)升旗簡單控制裝置對升降旗的控制 ，等等。其實(shí)，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?yàn)闆]有明確地界定所考察的 控制系統(tǒng)的范圍。在結(jié)構(gòu)上，抽水馬桶的水流控制由進(jìn)水閥和出水閥 組成，實(shí)際上可以看作是構(gòu)成抽水馬桶的兩個(gè)子系統(tǒng)”一-水閥系 統(tǒng)、出水閥系統(tǒng)。進(jìn)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(shí)控制閥門開閉，自動(dòng)補(bǔ)充水量 ”，這個(gè)控制過程是很典型 的閉環(huán)自動(dòng)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(xì)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(shí)地檢測控制的輸出結(jié)果， 并將檢測 到的信息通過反饋環(huán)節(jié)反映到輸入端， 達(dá)到自動(dòng)調(diào)整輸入量，修正控 制誤差的目的。反饋技術(shù)被廣泛應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)的位置控制、速度控制等等。 因此常常使人覺得：閉環(huán)控制是復(fù)雜的、精確的、自動(dòng)的控制方式， 而開環(huán)控制相對的簡單、粗糙和非自動(dòng)。這種感覺常常造成初學(xué)者在 分析系統(tǒng)時(shí)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(yīng)關(guān)系。加熱鍋體， 當(dāng)鍋內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，鍋內(nèi)的壓力也將達(dá)到設(shè)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(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值之后，加熱量和排氣量呈動(dòng)態(tài)平衡，鍋 內(nèi)壓力保持在高于大氣壓力的一個(gè)恒定值上， 鍋內(nèi)溫度也保持在高于 常壓下水的沸點(diǎn)溫度的一個(gè)恒定值上（一般為110C左右），不再繼續(xù)升高。控制過程如下圖所示：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(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)極其簡單，而又非常典型的自動(dòng)控制實(shí)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(huì)影響到所獲得的溫度控制結(jié)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(gè)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，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(jié)論，但這樣的分 析可能更不便于初學(xué)者的理解。類似的開環(huán)自動(dòng)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(dú)的設(shè)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(dòng)人民就是依靠這樣一種簡單的梯 田結(jié)構(gòu)，解決了稻田的自動(dòng)灌溉問題，從控制設(shè)計(jì)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(yīng)用得當(dāng)，通常能夠達(dá)到理想的自動(dòng)控制效果。反 之，復(fù)雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動(dòng)控制。 汽車的駕駛就是一個(gè)常 見的實(shí)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(shí)我們是將人與車看成了一個(gè)整體的系統(tǒng)。駕駛員 通過操控方向盤、油門、剎車等機(jī)構(gòu)，控制車輛行駛的狀態(tài)；同時(shí)， 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(guān)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(yù)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(xué)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(guān)系，注意區(qū)分 系統(tǒng)的層次關(guān)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(yīng)注意考察時(shí)間維度以射擊過程中子彈瞄準(zhǔn)靶心的控制為例，子彈能夠準(zhǔn)確地射中靶心， 顯然是一個(gè)控制的過程，它屬于自動(dòng)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(gè)常常讓人含糊不清的控制問題。 要分析這個(gè)控制問題，首先 應(yīng)當(dāng)明確所考察的系統(tǒng)的范圍，范圍不同，結(jié)論也不同。只考慮槍 和子彈構(gòu)成的系統(tǒng)，不考慮人和靶。控制的過程是：扳機(jī)被扣動(dòng) -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(gè)過程是開環(huán)控制，而且扳機(jī)被扣動(dòng)之后的過程，沒有人 工干預(yù)，屬于自動(dòng)控制； 將人、槍、子彈、靶作為一個(gè)整體的系統(tǒng)考慮?？刂频倪^程是：瞄 準(zhǔn)（人利用槍上的準(zhǔn)心裝置將槍對準(zhǔn)靶心位置） T扣動(dòng)扳機(jī)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(gè)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； 在上述系統(tǒng)中，增加時(shí)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(shí)，不能夠單獨(dú)地看待每 一次的射擊，而應(yīng)當(dāng)將發(fā)生在不同時(shí)刻的相關(guān)事， 組合起作為一個(gè)整 體看待，也就是同時(shí)考察控制系統(tǒng)的空間維度和時(shí)間維度。四、結(jié)束 語系統(tǒng)是人們?yōu)榱朔奖惴治鼍唧w事物而創(chuàng)造的概念。 系統(tǒng)的概念體現(xiàn)了 事物構(gòu)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(guān)系?？刂频膶?shí)施需要依托于一個(gè)物質(zhì)的載 體，這個(gè)載體稱為 控制系統(tǒng)”，因此對任何控制問題的分析其實(shí)也是 系統(tǒng)分析。系統(tǒng)分析方法不僅僅是解決技術(shù)設(shè)計(jì)問題、 控制分析問題 的核心方法，也是解決生活問題、教學(xué)問題、學(xué)習(xí)問題，以及科學(xué)問 題的基本方法之一。在普通高中通用技術(shù)程中，以技術(shù)設(shè)計(jì)作為 內(nèi)容載體，通過具體的設(shè)計(jì)案例，比較通俗地學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析的基本方 法，因此這部分的內(nèi)容應(yīng)該是普通高中通用技術(shù)程的一個(gè)亮點(diǎn)， 也應(yīng)該是該程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。只有立足于學(xué)生所熟悉的生活與學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過學(xué)生熟悉的生活實(shí)例和技術(shù)案例， 采用通俗易懂的形式表述教學(xué)內(nèi)容，才能夠做到深入淺出，順利達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。