臺州市椒江五中沈朝陽
《技術與設計2》中的閉環控制與開環控制是教學中的難點，究其原因，一個可能是教材對開環與閉環的界定條件還不夠嚴格，造成許多案例的不同爭議，當然有些案例屬于復雜案例，兩者可能兼而有之，我們分析不透，形成不同的答案。另一個原因是，學生遇到的控制類案例雖然很多，但能深入分析的卻不多，更缺少實踐這一環節，因此也難形成較系統的概念。教材上的游泳池水位控制系統是一個典型的控制類案例，由于缺少具體的實現方法的介紹，失去了對學生設計觀念的形成及設計能力的提高一次較好的機會，而我們介紹給學生的其他案例大多不夠典型，以機械類控制較多，它們的優點顯而易見，結構簡單，學生容易理解整個控制過程，但缺點是環節劃分不明顯，甚至許多環節由一個部件來擔任，如高壓鍋壓力控制系統，檢測、比較、控制、執行可以說都集中于重錘部分，因此學生難以適應。所以，在介紹完游泳池控制系統后，緊接著一個具體的實踐活動，無論對學生的概念的形成，還是控制部分的設計能力的提高，都會產生積極的影響。設計一個環節典型，結構簡單，趣味性較強，學生又易于理解，并能方便擴展應用的實踐活動就顯得尤為重要。本文就此問題作一粗淺的探討，希望能對大家有所啟發。
水塔控制系統的設計思路：
普通水箱由于用自來水供水，只要通過浮子連桿閥門組成的機構即可實現自動進水。但水塔中水的來源一般來自江河水庫等，因此需要啟動水泵進水。水泵的進水控制與一般的水箱進水控制就有許多不同。
（一）水泵進水控制的初步設想。（見下圖）
當水塔中水位較低時，浮球下降，連桿順時針轉動，使開關接通，水泵抽水；水位上升，浮球上升，在重錘的作用下連桿逆時針轉動，開關斷開，水泵停止抽水。這一設計思路比較簡單，水位高低的調節可以通過移動觸點的位置來實現，但存在著一些缺點：一、水塔一般在高處、遠處，移動、調整觸點的位置不大方便。二、當水池水位稍有下降，水泵就會重新啟動，因此水泵會被頻繁開關，大大縮短了水泵的使用壽命。
（二）將水位的變化轉變為電信號來實現遠程控制
電路的設計與制作，是這部分教學中的難題，一是學生基礎較差，二是教學時間緊。因此降低電路設計與制作的難度，是我們首先要解決的問題。為此，我們將控制電路分解為幾個功能模塊，將電路的復雜部分設計在模塊內部。各模塊基本對應于《技術與設計2》中的開環和閉環控制系統的幾個環節。這樣一方面降低了學生的實踐難度，又使學生通過實踐活動對開環控制系統和閉環控制系統的各環節有了較深刻的認識。通過實踐活動，學生對模塊本身有了較多的了解，可以將模塊應用到更廣的范圍。
1、幾種模塊介紹
A、比較器模塊
①模塊外形結構：
模塊有4個固定孔，用來固定模塊。7個接線螺絲與下面介紹的連接件一起，實現與電源、其他模塊、被控對象等的連接。電源指示能方便的顯示出模塊與電源連接情況，使學生在實踐活動中，及時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，幫助學生及時發現問題，及各模塊工作配合的情況，利于學生的理解。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模塊內部電路：
模塊內部電路的引線與模塊的外接線柱基本對應。模塊內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，都是為了保護模塊，防止學生連接錯誤時，也不會造成模塊的損壞，保證了實踐活動的順利展開。
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，模塊與萬用表等電器設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，要特別注意防止短路。
④模塊使用的電源
采用市售12V、2A的直流穩壓電源，或學生電源為模塊供電。
B、與比較器相連的設定水位用電位器模塊
模塊的三個接線端分別與模塊內部的電位器的三個端相連。位置設定滑塊與內部的電位器滑動片相連。模塊上面的刻度沒有絕對意義，0表示電位器處于中間，-4和+4表示的意義：當滑塊滑到-4處，藍色接線柱與灰色接線柱間的電阻為零；當滑塊移到+4處，藍色接線柱與橙色接線柱間的電阻為零。（實際上為了保護本模塊，電位器的動觸片通過一個1KΩ的定值電阻與藍色接線柱相連，這樣上述兩個接線柱之間的電阻都為1KΩ。這在其他實踐活動的應用中，要引起注意。）
C、與比較器相連的檢測用電位器模塊
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，本文中的檢測用電位器模塊就與連桿、重錘、浮球等共同組成檢測裝置。
D、認識比較器
有了上述材料，我們就可認識一下比較器是怎樣一種器材。具體的接線見下圖。
體驗過程：
①將水位設定電位器滑塊移到-3處，測出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測電位器滑塊移到-4處，測出同相輸入端（+）與地之間的電壓，輸出端與地之間的電壓，同時觀察輸出指示燈的亮滅，記在表一中。
②將水位設定電位器滑塊移到-2處，測出反相輸入端（-）與地之間的電壓，將水位檢測電位器滑塊移到-3處，測出同相輸入端（+）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分析表中數據得出結論。
表一：
水位設定電位器滑塊位置
-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）
結論
上述探究得出的初步結論應是：當反相端電壓高于同相端電壓時，輸出電壓約為0V，指示燈熄滅。
按同樣的方法繼續完成下表二。
表二：
水位設定電位器滑塊位置
-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）
結論
上述探究得出的初步結論應是：當反相端電壓低于同相端電壓時，輸出電壓約為6V，指示燈亮。
通過這一探究，學生對比較器有所了解，為了強化對比較器功能的進一步理解，我們又讓學生思考。
當同相輸入端電壓為4V，反相輸入端電壓1V時，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？
當同相輸入端電壓為3V，反相輸入端電壓6V時，輸出端電壓是多少，指示燈亮還是滅？
小結：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、執行器
①執行器模塊（嚴格地說本模塊在本文的案例中不是執行器，而是與下面的水泵才能構成執行器，當然本模塊也可與后面講到的控制器一起構成控制器）外形結構：
執行器的功能是：當輸入高電平時，它就輸出12V電壓和較大的電流，以驅動水泵等用電器工作。
為了使學生理解，可以將上面的認識比較器中的輸出端接一個普通的12V燈泡，讓學生觀察，當比較器輸出高電平時，燈泡能否發光；然后通過執行器接12V的燈泡，讓學生觀察，燈泡的發光情況。
b、水泵
采用市售12V微型潛水泵。
F、被控對象
水池用1000毫升以上飲料瓶改制
G、檢測裝置
浮球、連桿機構、檢測電位器模塊等組成檢測裝置
