開環與閉環控制系統
基礎控制系統分開環與閉環兩類：開環只按指令行事，輸出不影響控制；閉環以感測器量度輸出，經回授與設定值比較後自動修正。比較電風扇與冷氣機，便能掌握兩種系統的分別。
- 控制系統按指令或目標自動管理輸出，可用方塊圖分析
- 開環系統只按指令行事，結構簡單、成本低，但無法自我修正
- 閉環系統有感測、比較、修正三要素，靠回授維持目標狀態
文體小知識：科技知識說明文以定義、比較和實例講解控制系統概念，令讀者能準確分辨和分析身邊的開環與閉環系統。
§課文原文 Passage
1家居裏的電器看似各自為政，其實大部分都是控制系統：它們接收輸入，按指令或目標管理輸出。分析時沿用輸入–處理–輸出的方塊圖，再加上一條關鍵問題——系統會否量度自己的輸出？答案決定了它屬於開環還是閉環，也決定了它的行為特性。
2開環系統只按指令行事：電風扇調到中速便一路中速，多士爐設定了時間便烘到跳掣，它們不會理會實際結果。這類系統結構簡單、成本低、易於維修，適合結果容易預計的任務；缺點是一旦出現干擾，例如天氣轉變或電壓波動，輸出便會偏離預期而無法自救。
3閉環系統加入感測器與回授路徑：感測器不斷量度輸出，控制器把量度結果與設定值比較，有偏差便自動修正。冷氣機正是典範——室溫高於設定值便製冷，達標便暫停，房間溫度因而穩定。雪櫃、恆溫電熨斗、抽濕機同理，人體的體溫調節更是精妙的天然閉環。
4兩類系統各有價值：開環便宜易維修，閉環準確、能應對干擾。設計產品時，先想清楚目標是否需要維持、干擾是否頻繁、成本限制多少，再決定控制方式，而不是盲目追求複雜。學會以感測、比較、修正三要素分析身邊的系統，你已經踏進控制工程的大門。
1重點摘要 Summary
控制系統分開環與閉環兩類：開環只按指令行事，輸出不影響控制；閉環以感測器量度輸出，經回授與設定值比較後自動修正。比較電風扇與冷氣機，便能掌握兩種系統的分別。
2生字卡 Vocabulary
按指令或目標自動管理輸出的系統。
只按指令行事、輸出不影響控制的系統。
量度輸出並經回授自動修正的系統。
把輸出資訊送回輸入端與設定值比較的機制。
量度溫度、濕度、光線等物理量的元件。
用戶為系統定下的目標狀態，如目標溫度。
把量度結果與設定值比對、找出偏差的部分。
感測溫度並維持設定溫度的控制裝置。
以方塊代表處理、箭嘴代表訊號流向的系統圖。
按偏差調整輸出、令系統回到目標的動作。
3逐步講解 Steps
- 從系統到控制系統中一學過系統的輸入–處理–輸出結構；控制系統是按指令或目標自動管理輸出的系統，當中處理部分擔任指揮角色，決定輸出何時開、何時停、開多大。家居和學校到處都是控制系統：電飯煲控制加熱、升降機控制樓層、紅綠燈控制車流。分析控制系統同樣用方塊圖：方塊代表處理，箭嘴代表訊號流向。舉個例子：按動電風扇的按鍵，這個輸入令電動機以設定風速運轉，訊號由按鍵流向馬達，一路單向。
- 開環系統：只按指令行事開環系統的特點是輸出對控制沒有影響：輸入給出指令後，系統按預設程序一路執行，不理會實際結果如何。它的結構簡單、成本低、容易維修，適合結果容易預計的場合，但一旦出現干擾便無法自我修正。舉個例子：電風扇調到中速後便一直中速，不管天氣轉涼；多士爐設定了時間便烘到跳掣，麵包是否金黃它並不知道；傳統電水壺按下開關便全速加熱，只靠預設的滾沸保護掣斷電，過程中不會按實際水溫調整火力——這些都是開環系統。
- 閉環系統：懂得自我修正閉環系統在開環的基礎上加入感測器和回授路徑：感測器不斷量度輸出的實際情況，把訊號回傳給控制器，控制器與設定值比較，出現偏差便自動修正。感測、比較、修正，是閉環的三要素。舉個例子：冷氣機設定攝氏二十五度後，溫度感測器不斷量度室溫，室溫高於設定值，控制器便開動壓縮機製冷；降到設定值以下，壓縮機暫停。室溫是輸出，回傳成為輸入的一部分，控制形成一個閉合的環，房間溫度因此穩定。
- 回授的角色回授是閉環系統的靈魂：把輸出的資訊送回輸入端，令系統按實際結果行事，而不是按預期行事。人體也有大量回授機制：體溫偏高便出汗散熱，偏低便發抖產熱，把體溫維持在很小的範圍內。日常經驗中，調校淋浴水溫正是手動回授——感覺太冷便調熱，太熱便調冷，直至滿意。舉個例子：抽濕機以濕度感測器量度房間濕度，達到設定濕度便停機，儲水箱滿了又會自動停止——感測、比較、修正不斷循環，這就是回授的力量。
- 開環與閉環的比較兩類系統各有價值：開環結構簡單、便宜、易維修，適合輸出容易預計、干擾少的任務，例如電風扇和門鐘；閉環準確、能應對干擾，但結構複雜、成本較高，適合需要維持目標狀態的任務，例如恆溫和恆濕。設計時按需要選擇，不是越先進越好。舉個例子：廁所的抽氣扇只需開和關便足夠，用開環；雪櫃必須長期保持攝氏四度左右，食物才不易變壞，必須用閉環；若把雪櫃設計成開環，溫度便會隨天氣和開關門次數大幅波動。
- 家居系統分類實戰判斷家居系統屬開環還是閉環，只要問一條問題：系統會否量度輸出並自動修正？會量度溫度、濕度、光線或位置的，是閉環；只按設定或時間行事的是開環。舉個例子：雪櫃、恆溫電熨斗、電飯煲的保溫功能、自動感應燈和升降機都會感測實際狀態，屬閉環；電風扇、門鐘、傳統多士爐和定時電掣只按指令工作，屬開環。留意同一件電器可以同時包含兩類控制，例如洗衣機的轉速感測是閉環，預設洗衣時間則是開環。
- 為產品選擇控制方式懂得分類之後，更要懂得選擇：為產品加入控制功能時，先問目標是否需要維持、干擾是否頻繁、成本限制是多少，再決定用開環還是閉環。這個判斷在中三學習自動化與專題設計時會大派用場，亦是下一課學習電子與氣動控制的基礎。舉個例子：設計課室植物澆水裝置，若只是每天定時滴水，開環已足夠且便宜；若想按土壤濕度自動調節，便要加入濕度感測器組成閉環——先想清楚需要，再選擇技術，才是工程師的思路。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：試判斷以下十個家居系統屬開環還是閉環，並指出閉環系統的回授來源：電風扇、冷氣機、多士爐、雪櫃、電飯煲保溫、恆溫電暖爐、傳統電水壺、自動感應燈、門鐘、抽濕機。
- 判斷準則 → 系統會否量度輸出（溫度、濕度、光線、位置）並自動修正
- 溫濕控制類 → 冷氣機、雪櫃、電飯煲保溫、恆溫電暖爐、抽濕機都有感測器回授，屬閉環
- 按指令行事類 → 電風扇、多士爐、傳統電水壺、門鐘不量度輸出，屬開環
- 感應觸發類 → 自動感應燈以光線或人體感測觸發，屬簡單的閉環
- 答案：十個系統中，閉環有六個：冷氣機（溫度回授）、雪櫃（溫度回授）、電飯煲保溫（溫度回授）、恆溫電暖爐（溫度回授）、抽濕機（濕度回授）和自動感應燈（光線或人體回授）。開環有四個：電風扇、多士爐、傳統電水壺和門鐘，它們只按指令行事，輸出結果不會影響控制。掌握「有否量度輸出並自動修正」這條準則，面對任何新系統都能快速分類。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1開環系統和閉環系統最大的分別是什麼？
Q2冷氣機維持室溫的過程中，感測、比較、修正分別指什麼？
Q3以下哪個是開環系統？A. 雪櫃 B. 電風扇 C. 抽濕機
Q4人體調節體溫的機制屬於哪類控制？試舉例說明。
Q5為廁所抽氣扇和雪櫃選擇控制方式，你會怎樣決定？
8重點回顧 Recap
- 控制系統按指令或目標自動管理輸出，可用方塊圖分析
- 開環系統只按指令行事，結構簡單、成本低，但無法自我修正
- 閉環系統有感測、比較、修正三要素，靠回授維持目標狀態
- 電風扇是開環例子，冷氣機恆溫是閉環例子
- 按需要選擇控制方式：結果易預計用開環，要維持目標用閉環