臺(tái)州市椒江五中沈朝陽(yáng)
《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中的閉環(huán)控制與開環(huán)控制是教學(xué)中的難點(diǎn)，究其原因，一個(gè)可能是教材對(duì)開環(huán)與閉環(huán)的界定條件還不夠嚴(yán)格，造成許多案例的不同爭(zhēng)議，當(dāng)然有些案例屬于復(fù)雜案例，兩者可能兼而有之，我們分析不透，形成不同的答案。另一個(gè)原因是，學(xué)生遇到的控制類案例雖然很多，但能深入分析的卻不多，更缺少實(shí)踐這一環(huán)節(jié)，因此也難形成較系統(tǒng)的概念。教材上的游泳池水位控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的控制類案例，由于缺少具體的實(shí)現(xiàn)方法的介紹，失去了對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)觀念的形成及設(shè)計(jì)能力的提高一次較好的機(jī)會(huì)，而我們介紹給學(xué)生的其他案例大多不夠典型，以機(jī)械類控制較多，它們的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，學(xué)生容易理解整個(gè)控制過(guò)程，但缺點(diǎn)是環(huán)節(jié)劃分不明顯，甚至許多環(huán)節(jié)由一個(gè)部件來(lái)?yè)?dān)任，如高壓鍋壓力控制系統(tǒng)，檢測(cè)、比較、控制、執(zhí)行可以說(shuō)都集中于重錘部分，因此學(xué)生難以適應(yīng)。所以，在介紹完游泳池控制系統(tǒng)后，緊接著一個(gè)具體的實(shí)踐活動(dòng)，無(wú)論對(duì)學(xué)生的概念的形成，還是控制部分的設(shè)計(jì)能力的提高，都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)節(jié)典型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，趣味性較強(qiáng)，學(xué)生又易于理解，并能方便擴(kuò)展應(yīng)用的實(shí)踐活動(dòng)就顯得尤為重要。本文就此問(wèn)題作一粗淺的探討，希望能對(duì)大家有所啟發(fā)。
水塔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：
普通水箱由于用自來(lái)水供水，只要通過(guò)浮子連桿閥門組成的機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)水。但水塔中水的來(lái)源一般來(lái)自江河水庫(kù)等，因此需要啟動(dòng)水泵進(jìn)水。水泵的進(jìn)水控制與一般的水箱進(jìn)水控制就有許多不同。
（一）水泵進(jìn)水控制的初步設(shè)想。（見下圖）
當(dāng)水塔中水位較低時(shí)，浮球下降，連桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使開關(guān)接通，水泵抽水；水位上升，浮球上升，在重錘的作用下連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，開關(guān)斷開，水泵停止抽水。這一設(shè)計(jì)思路比較簡(jiǎn)單，水位高低的調(diào)節(jié)可以通過(guò)移動(dòng)觸點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，但存在著一些缺點(diǎn)：一、水塔一般在高處、遠(yuǎn)處，移動(dòng)、調(diào)整觸點(diǎn)的位置不大方便。二、當(dāng)水池水位稍有下降，水泵就會(huì)重新啟動(dòng)，因此水泵會(huì)被頻繁開關(guān)，大大縮短了水泵的使用壽命。
（二）將水位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制
電路的設(shè)計(jì)與制作，是這部分教學(xué)中的難題，一是學(xué)生基礎(chǔ)較差，二是教學(xué)時(shí)間緊。因此降低電路設(shè)計(jì)與制作的難度，是我們首先要解決的問(wèn)題。為此，我們將控制電路分解為幾個(gè)功能模塊，將電路的復(fù)雜部分設(shè)計(jì)在模塊內(nèi)部。各模塊基本對(duì)應(yīng)于《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中的開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的幾個(gè)環(huán)節(jié)。這樣一方面降低了學(xué)生的實(shí)踐難度，又使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)對(duì)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)有了較深刻的認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生對(duì)模塊本身有了較多的了解，可以將模塊應(yīng)用到更廣的范圍。
1、幾種模塊介紹
A、比較器模塊
①模塊外形結(jié)構(gòu)：
模塊有4個(gè)固定孔，用來(lái)固定模塊。7個(gè)接線螺絲與下面介紹的連接件一起，實(shí)現(xiàn)與電源、其他模塊、被控對(duì)象等的連接。電源指示能方便的顯示出模塊與電源連接情況，使學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中，及時(shí)了解模塊與電源的連接情況。輸出指示能顯示模塊的工作情況，幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及各模塊工作配合的情況，利于學(xué)生的理解。下面介紹的其他模塊與本模塊相似的地方，下文中就不再介紹。
②模塊內(nèi)部電路：
模塊內(nèi)部電路的引線與模塊的外接線柱基本對(duì)應(yīng)。模塊內(nèi)部還加接了較多的電阻、二極管，其他模塊還加了三極管、集成電路等，都是為了保護(hù)模塊，防止學(xué)生連接錯(cuò)誤時(shí)，也不會(huì)造成模塊的損壞，保證了實(shí)踐活動(dòng)的順利展開。
③模塊間、模塊與其他元件的連接材料
模塊間的連接一般采用兩端都是接線片的這種連接件，模塊與萬(wàn)用表等電器設(shè)備的連接可采用一端是接線片另一端是鱷魚夾的連接件，在連接時(shí)，要特別注意防止短路。
④模塊使用的電源
采用市售12V、2A的直流穩(wěn)壓電源，或?qū)W生電源為模塊供電。
B、與比較器相連的設(shè)定水位用電位器模塊
模塊的三個(gè)接線端分別與模塊內(nèi)部的電位器的三個(gè)端相連。位置設(shè)定滑塊與內(nèi)部的電位器滑動(dòng)片相連。模塊上面的刻度沒(méi)有絕對(duì)意義，0表示電位器處于中間，-4和+4表示的意義：當(dāng)滑塊滑到-4處，藍(lán)色接線柱與灰色接線柱間的電阻為零；當(dāng)滑塊移到+4處，藍(lán)色接線柱與橙色接線柱間的電阻為零。（實(shí)際上為了保護(hù)本模塊，電位器的動(dòng)觸片通過(guò)一個(gè)1KΩ的定值電阻與藍(lán)色接線柱相連，這樣上述兩個(gè)接線柱之間的電阻都為1KΩ。這在其他實(shí)踐活動(dòng)的應(yīng)用中，要引起注意。）
C、與比較器相連的檢測(cè)用電位器模塊
本模塊與上面B模塊基本相似，唯一不同的是，滑塊上有連接螺栓，便于與其他裝置連接，本文中的檢測(cè)用電位器模塊就與連桿、重錘、浮球等共同組成檢測(cè)裝置。
D、認(rèn)識(shí)比較器
有了上述材料，我們就可認(rèn)識(shí)一下比較器是怎樣一種器材。具體的接線見下圖。
體驗(yàn)過(guò)程：
①將水位設(shè)定電位器滑塊移到-3處，測(cè)出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測(cè)電位器滑塊移到-4處，測(cè)出同相輸入端（+）與地之間的電壓，輸出端與地之間的電壓，同時(shí)觀察輸出指示燈的亮滅，記在表一中。
②將水位設(shè)定電位器滑塊移到-2處，測(cè)出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測(cè)電位器滑塊移到-3處，測(cè)出同相輸入端（+）與地之間的電壓，輸出端與地之間的電壓，同時(shí)觀察輸出指示燈的亮滅，記在表一中。
③改變滑塊位置，完成下表。
④分析表中數(shù)據(jù)得出結(jié)論。
表一：
水位設(shè)定電位器滑塊位置
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
反相端（-）電壓（V）
水位檢測(cè)電位器滑塊位置
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
同相端（+）電壓（V）
輸出端電壓（V）
指示燈（亮/滅）
結(jié)論
上述探究得出的初步結(jié)論應(yīng)是：當(dāng)反相端電壓高于同相端電壓時(shí)，輸出電壓約為0V，指示燈熄滅。
按同樣的方法繼續(xù)完成下表二。
表二：
水位設(shè)定電位器滑塊位置
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
反相端（-）電壓（V）
水位檢測(cè)電位器滑塊位置
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
同相端（+）電壓（V）
輸出端電壓（V）
指示燈（亮/滅）
結(jié)論
上述探究得出的初步結(jié)論應(yīng)是：當(dāng)反相端電壓低于同相端電壓時(shí)，輸出電壓約為6V，指示燈亮。
通過(guò)這一探究，學(xué)生對(duì)比較器有所了解，為了強(qiáng)化對(duì)比較器功能的進(jìn)一步理解，我們又讓學(xué)生思考。
當(dāng)同相輸入端電壓為4V，反相輸入端電壓1V時(shí)，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？
當(dāng)同相輸入端電壓為3V，反相輸入端電壓6V時(shí)，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？
小結(jié)：不論電壓高低（0——6V），只要反相端電壓低于同相端電壓，比較器就輸出高電平（6V）。同樣，只要反相端電壓高于同相端電壓，比較器就輸出低電平（0V）。
E、執(zhí)行器
①執(zhí)行器模塊（嚴(yán)格地說(shuō)本模塊在本文的案例中不是執(zhí)行器，而是與下面的水泵才能構(gòu)成執(zhí)行器，當(dāng)然本模塊也可與后面講到的控制器一起構(gòu)成控制器）外形結(jié)構(gòu)：
執(zhí)行器的功能是：當(dāng)輸入高電平時(shí)，它就輸出12V電壓和較大的電流，以驅(qū)動(dòng)水泵等用電器工作。
為了使學(xué)生理解，可以將上面的認(rèn)識(shí)比較器中的輸出端接一個(gè)普通的12V燈泡，讓學(xué)生觀察，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，燈泡能否發(fā)光；然后通過(guò)執(zhí)行器接12V的燈泡，讓學(xué)生觀察，燈泡的發(fā)光情況。
b、水泵
采用市售12V微型潛水泵。
F、被控對(duì)象
水池用1000毫升以上飲料瓶改制
G、檢測(cè)裝置
浮球、連桿機(jī)構(gòu)、檢測(cè)電位器模塊等組成檢測(cè)裝置
