“宏觀”和“微觀”思想在控制系統中的解題應用

謝超

摘 要：學生在解決開閉環控制系統的題目時，往往會出現思路混亂。用“宏觀”和“微觀”相結合的方法分析開閉環控制系統，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的難題，同樣可以培養學生的大局觀，處理問題面面俱到，不顧此失彼。

關鍵詞：開環;閉環;控制

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

蘇教版通用技術必修二第四單元控制與設計這一章，是整個通用技術學科的重難點之一。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）控制系統的流程方框圖搞不清楚;（2）搞不清是開環控制系統還是閉環控制系統;（3）簡單的題目能做出來，但遇到新的、稍復雜的控制系統或者大系統中的小系統時，往往思路會比較亂。經過多年的反復論證、總結，用“宏觀”和“微觀”的思想，來解決控制系統的問題，得心應手。

一、“宏觀”和“微觀”相結合的方法

1.用“宏觀”和“微觀”相結合的方法分析開環控制系統

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

然后用微觀逐個的思想把控制系統的各部分找出來：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備就是執行器，能對執行器發出指令的是控制器。

2.用“宏觀”和“微觀”相結合的方法分析閉環控制系統

同樣先用宏觀整體的思想來看這個控制流程：先仔細閱讀整個控制過程，然后提煉出整個系統到底要對什么進行控制，要實現怎樣的功能。對什么進行控制，什么就是被控對象;要實現怎樣的功能，就直接找到設定值和實際值。舉例：有一控制系統能實現的功能：能使土壤的實際濕度與設定的濕度保持一致（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（整個控制系統就是在對土壤進行控制）;設定值是設定濕度，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備就是執行器，能對執行器發出指令的是控制器（反饋裝置檢測實際值把它反饋到輸入端與設定值進行比較）。

二、用“宏觀”和“微觀”的思想在開閉環控制系統解題中的應用

1.開環控制系統

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區，讀卡器將卡片信息發送給服務器進行驗證，驗證合格后，控制開閘機構開啟閘門。關于閘門的開啟控制，下列說法正確的是（）

A.該控制是閉環控制

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

解題思路：用宏觀整體的思想來看這個控制流程：先仔細閱讀整個控制過程，發現就是對“閘門”進行控制。要實現怎樣的功能？當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。（輸入量的性質與輸出量的性質不一樣，不能進行比較，所以是開環控制系統。）

接著用微觀逐個的思想把控制系統的各部分找出來：輸入信號由服務器接收，是控制器，控制器發出指令給執行器，所以執行器為開閘機構，開閘機構對外做功，來控制“閘門”，完成最終的控制任務。根據以上內容，就可以寫出完整的開環控制系統流程圖。

2.閉環控制系統

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

A.執行器是電動機

B.控制器是變頻調速器

C.輸出量是測速發電機的電流信號

D.控制量是變頻調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：仔細閱讀整個控制過程，發現就是對“三相異步電動機”進行控制，要使電動機的實際轉速與設定轉速保持一致。所以我們能快速找到被控對象就是“三相異步電動機”，輸入量為設定轉速，輸出量為實際轉速。（輸入量的性質與輸出量的性質一樣，可以進行比較，所以是閉環控制系統。）

接著用微觀逐個的思想把控制系統的各部分找出來：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？是變頻調速器，所以其是執行器。什么能向變頻調速器發出指令？是PLC，所以其是控制器。什么能實時檢測電動機的實際轉速，并能把它反饋給PLC（控制器）？是發電機，所以其是檢測（反饋）裝置（閉環控制系統中的檢測裝置來檢測輸出量，所以往往裝在被控對象上面）。根據以上內容，就可以寫出完整的閉環控制系統流程圖。

3.開閉環控制系統

例題3：如圖3所示為滑臺的運動系統示意圖，由電機控制子系統和機械傳動子系統組成。在電機控制子系統中，傳感器檢測電機的轉動角度，并反饋到控制裝置與設定值比較，控制裝置根據差值發出運動信號，驅動器將運動信號轉變成相應的電流驅動電機轉動。在機械傳動子系統中，電機帶動絲桿轉動，絲桿通過螺母驅動滑臺移動。系統根據電機的轉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，控制方式改成開環控制

B.將傳感器換成高精度傳感器，提高電機及轉動角度的檢測精度

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：仔細閱讀整個控制過程，發現整個控制系統分成兩個部分：一部分是來控制電機轉動角度;另一部分就是通過控制電機轉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”，要實現的控制功能是輸入相應的電機轉動角度時，對應輸出滑臺的相應位置。（輸入量的性質與輸出量的性質不一樣，不能進行比較，所以是開環控制系統。）開環控制系統的輸出量由于不會對前面的控制產生影響，不能消除控制誤差，所以要把它改進成閉環控制系統。根據前面的介紹，可以在被控對象上加一個檢測裝置，實時來反饋輸出量，并將其與設定值進行比較，從而消除偏差。故這個檢測裝置應該裝在滑臺上面。

三、結束語

用“宏觀”和“微觀”相結合的方法來解決控制系統中的難題，可以培養大家的大局觀，看問題更加全面細致，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，學習和生活中遇到的問題。筆者本人發表這個方法，希望學生可以多掌握一種解題技巧，同時與各位同行相互探討學習。

參考文獻：

[1]黃春花.經濟學原理[M].東南大學出版社，2017.

[2]顧建軍.技術與設計2[M].江蘇鳳凰教育出版社，2004.

編輯 王亞青