开环与闭环控制系统
基础控制系统分开环与闭环两类：开环只按指令行事，输出不影响控制；闭环以感测器量度输出，经回授与设定值比较后自动修正。比较电风扇与冷气机，便能掌握两种系统的分别。
- 控制系统按指令或目标自动管理输出，可用方块图分析
- 开环系统只按指令行事，结构简单、成本低，但无法自我修正
- 闭环系统有感测、比较、修正三要素，靠回授维持目标状态
文体小知识：科技知识说明文以定义、比较和实例讲解控制系统概念，令读者能准确分辨和分析身边的开环与闭环系统。
§课文原文 Passage
1家居里的电器看似各自为政，其实大部分都是控制系统：它们接收输入，按指令或目标管理输出。分析时沿用输入–处理–输出的方块图，再加上一条关键问题——系统会否量度自己的输出？答案决定了它属于开环还是闭环，也决定了它的行为特性。
2开环系统只按指令行事：电风扇调到中速便一路中速，多士炉设定了时间便烘到跳掣，它们不会理会实际结果。这类系统结构简单、成本低、易于维修，适合结果容易预计的任务；缺点是一旦出现干扰，例如天气转变或电压波动，输出便会偏离预期而无法自救。
3闭环系统加入感测器与回授路径：感测器不断量度输出，控制器把量度结果与设定值比较，有偏差便自动修正。冷气机正是典范——室温高于设定值便制冷，达标便暂停，房间温度因而稳定。雪柜、恒温电熨斗、抽湿机同理，人体的体温调节更是精妙的天然闭环。
4两类系统各有价值：开环便宜易维修，闭环准确、能应对干扰。设计产品时，先想清楚目标是否需要维持、干扰是否频繁、成本限制多少，再决定控制方式，而不是盲目追求复杂。学会以感测、比较、修正三要素分析身边的系统，你已经踏进控制工程的大门。
1重点摘要 Summary
控制系统分开环与闭环两类：开环只按指令行事，输出不影响控制；闭环以感测器量度输出，经回授与设定值比较后自动修正。比较电风扇与冷气机，便能掌握两种系统的分别。
2生字卡 Vocabulary
按指令或目标自动管理输出的系统。
只按指令行事、输出不影响控制的系统。
量度输出并经回授自动修正的系统。
把输出资讯送回输入端与设定值比较的机制。
量度温度、湿度、光线等物理量的元件。
用户为系统定下的目标状态，如目标温度。
把量度结果与设定值比对、找出偏差的部分。
感测温度并维持设定温度的控制装置。
以方块代表处理、箭嘴代表讯号流向的系统图。
按偏差调整输出、令系统回到目标的动作。
3逐步讲解 Steps
- 从系统到控制系统中一学过系统的输入–处理–输出结构；控制系统是按指令或目标自动管理输出的系统，当中处理部分担任指挥角色，决定输出何时开、何时停、开多大。家居和学校到处都是控制系统：电饭煲控制加热、升降机控制楼层、红绿灯控制车流。分析控制系统同样用方块图：方块代表处理，箭嘴代表讯号流向。举个例子：按动电风扇的按键，这个输入令电动机以设定风速运转，讯号由按键流向马达，一路单向。
- 开环系统：只按指令行事开环系统的特点是输出对控制没有影响：输入给出指令后，系统按预设程序一路执行，不理会实际结果如何。它的结构简单、成本低、容易维修，适合结果容易预计的场合，但一旦出现干扰便无法自我修正。举个例子：电风扇调到中速后便一直中速，不管天气转凉；多士炉设定了时间便烘到跳掣，面包是否金黄它并不知道；传统电水壶按下开关便全速加热，只靠预设的滚沸保护掣断电，过程中不会按实际水温调整火力——这些都是开环系统。
- 闭环系统：懂得自我修正闭环系统在开环的基础上加入感测器和回授路径：感测器不断量度输出的实际情况，把讯号回传给控制器，控制器与设定值比较，出现偏差便自动修正。感测、比较、修正，是闭环的三要素。举个例子：冷气机设定摄氏二十五度后，温度感测器不断量度室温，室温高于设定值，控制器便开动压缩机制冷；降到设定值以下，压缩机暂停。室温是输出，回传成为输入的一部分，控制形成一个闭合的环，房间温度因此稳定。
- 回授的角色回授是闭环系统的灵魂：把输出的资讯送回输入端，令系统按实际结果行事，而不是按预期行事。人体也有大量回授机制：体温偏高便出汗散热，偏低便发抖产热，把体温维持在很小的范围内。日常经验中，调校淋浴水温正是手动回授——感觉太冷便调热，太热便调冷，直至满意。举个例子：抽湿机以湿度感测器量度房间湿度，达到设定湿度便停机，储水箱满了又会自动停止——感测、比较、修正不断循环，这就是回授的力量。
- 开环与闭环的比较两类系统各有价值：开环结构简单、便宜、易维修，适合输出容易预计、干扰少的任务，例如电风扇和门钟；闭环准确、能应对干扰，但结构复杂、成本较高，适合需要维持目标状态的任务，例如恒温和恒湿。设计时按需要选择，不是越先进越好。举个例子：厕所的抽气扇只需开和关便足够，用开环；雪柜必须长期保持摄氏四度左右，食物才不易变坏，必须用闭环；若把雪柜设计成开环，温度便会随天气和开关门次数大幅波动。
- 家居系统分类实战判断家居系统属开环还是闭环，只要问一条问题：系统会否量度输出并自动修正？会量度温度、湿度、光线或位置的，是闭环；只按设定或时间行事的是开环。举个例子：雪柜、恒温电熨斗、电饭煲的保温功能、自动感应灯和升降机都会感测实际状态，属闭环；电风扇、门钟、传统多士炉和定时电掣只按指令工作，属开环。留意同一件电器可以同时包含两类控制，例如洗衣机的转速感测是闭环，预设洗衣时间则是开环。
- 为产品选择控制方式懂得分类之后，更要懂得选择：为产品加入控制功能时，先问目标是否需要维持、干扰是否频繁、成本限制是多少，再决定用开环还是闭环。这个判断在中三学习自动化与专题设计时会大派用场，亦是下一课学习电子与气动控制的基础。举个例子：设计课室植物浇水装置，若只是每天定时滴水，开环已足够且便宜；若想按土壤湿度自动调节，便要加入湿度感测器组成闭环——先想清楚需要，再选择技术，才是工程师的思路。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
例题：试判断以下十个家居系统属开环还是闭环，并指出闭环系统的回授来源：电风扇、冷气机、多士炉、雪柜、电饭煲保温、恒温电暖炉、传统电水壶、自动感应灯、门钟、抽湿机。
- 判断准则 → 系统会否量度输出（温度、湿度、光线、位置）并自动修正
- 温湿控制类 → 冷气机、雪柜、电饭煲保温、恒温电暖炉、抽湿机都有感测器回授，属闭环
- 按指令行事类 → 电风扇、多士炉、传统电水壶、门钟不量度输出，属开环
- 感应触发类 → 自动感应灯以光线或人体感测触发，属简单的闭环
- 答案：十个系统中，闭环有六个：冷气机（温度回授）、雪柜（温度回授）、电饭煲保温（温度回授）、恒温电暖炉（温度回授）、抽湿机（湿度回授）和自动感应灯（光线或人体回授）。开环有四个：电风扇、多士炉、传统电水壶和门钟，它们只按指令行事，输出结果不会影响控制。掌握「有否量度输出并自动修正」这条准则，面对任何新系统都能快速分类。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1开环系统和闭环系统最大的分别是什么？
Q2冷气机维持室温的过程中，感测、比较、修正分别指什么？
Q3以下哪个是开环系统？A. 雪柜 B. 电风扇 C. 抽湿机
Q4人体调节体温的机制属于哪类控制？试举例说明。
Q5为厕所抽气扇和雪柜选择控制方式，你会怎样决定？
8重点回顾 Recap
- 控制系统按指令或目标自动管理输出，可用方块图分析
- 开环系统只按指令行事，结构简单、成本低，但无法自我修正
- 闭环系统有感测、比较、修正三要素，靠回授维持目标状态
- 电风扇是开环例子，冷气机恒温是闭环例子
- 按需要选择控制方式：结果易预计用开环，要维持目标用闭环