設計與應用科技進階：核心概念深化
進階產品可以看成一個系統：輸入接收外界訊息，處理作出判斷，輸出產生動作。開環控制按預設程序行事，閉環控制則靠傳感器回饋不斷修正輸出。掌握系統框圖的分析方法，就能讀懂自動門、恆溫電器等智能產品的運作原理。
- 系統模型三環節：輸入接收訊息、處理作出判斷、輸出產生動作。
- 傳感器是輸入的靈魂，把光、溫度、距離、聲音等轉成電訊號。
- 開環控制按預設程序行事，簡單便宜；閉環控制靠回饋自我修正，穩定精準。
文體小知識：科技知識說明文——剖析「輸入—處理—輸出」的系統模型，比較開環與閉環控制，並說明傳感器與回饋在自動化產品中的角色。
§課文原文 Passage
1進階的設計思考，是把產品看成一個系統。系統模型由三個環節組成：輸入負責接收外界訊息或指令，處理負責按規則作出判斷，輸出負責產生實際動作。以電風扇為例，按鍵是輸入，調速電路是處理，摩打帶動扇葉是輸出，三個環節環環相扣，缺一不可。
2輸入環節的核心是傳感器，即把光、溫度、聲音、距離等物理量轉換成電訊號的元件。光敏電阻感應光度，熱敏電阻感應溫度，超聲波傳感器量度距離，麥克風收集聲音。處理環節多由控制電路或微控制器擔當，它比較訊號與設定值，決定輸出策略；輸出環節則有摩打、發光二極管、蜂鳴器與電熱元件等。
3控制方式分開環與閉環兩大類。開環控制按預設程序直接輸出，不理會實際結果，結構簡單、成本低，例如普通電風扇的調速檔，按下某檔便輸出固定風速。閉環控制則加入回饋：傳感器不斷量度實際輸出，控制器據此修正動作，令輸出穩定貼近目標。
4恆溫電熨斗是閉環的典型：設定溫度是目標值，熱敏元件量度實際溫度，一旦低於目標便接通電熱，高於目標便斷電，溫度因此保持在窄幅之內。自動門亦然：紅外線或超聲波傳感器偵測有人接近，控制器指揮摩打開門，人通過後自動關上。回饋令產品懂得應變。
5分析系統題宜畫系統框圖：以方塊代表輸入、處理、輸出，用箭嘴表示訊息流向，再標明回饋路徑。框圖能把複雜產品化繁為簡，也是答題的骨架：先辨認傳感器與輸出裝置，再判斷有無回饋，便能說出產品屬開環還是閉環，以及如此設計的理由。
1重點摘要 Summary
產品可以看成一個系統：輸入接收外界訊息，處理作出判斷，輸出產生動作。開環控制按預設程序行事，閉環控制則靠傳感器回饋不斷修正輸出。掌握系統框圖的分析方法，就能讀懂自動門、恆溫電器等智能產品的運作原理。
2生字卡 Vocabulary
由輸入、處理、輸出三個環節組成、互相配合的整體。
系統接收外界訊息或指令的環節。
比較訊號與設定值並作出判斷的環節。
系統產生動作或效果的環節。
把光、溫度、距離等物理量轉換成電訊號的元件。
把輸出的實際結果送回輸入端、供控制器修正動作的機制。
按預設程序輸出、不檢查實際結果的控制方式。
依靠傳感器回饋不斷修正輸出的控制方式。
以方塊與箭嘴表示系統環節與訊息流向的圖示。
3逐步講解 Steps
- 第一步：以系統眼光看產品進階分析把產品拆成輸入、處理、輸出三個環節：輸入接收訊息，處理按規則判斷，輸出產生動作。這個模型適用於由電風扇到自動門的各種產品，是分析與設計智能產品的共同語言。舉個例子：聲控夜明燈中，麥克風收音是輸入，電路判斷聲音是否足夠是處理，發光二極管亮起是輸出，用系統語言描述便一目了然。
- 第二步：認識常用傳感器傳感器是系統的感官，把物理世界轉譯成電訊號。光敏電阻感應光度變化，熱敏電阻感應溫度，超聲波傳感器以回聲量度距離，麥克風嗓音音轉成訊號，濕度傳感器監測水汽。選用傳感器要考慮感應範圍、靈敏度與安裝位置。舉個例子：設計自動晚間照明，便選光敏電阻偵測天黑；設計防撞小車，便選超聲波傳感器量度障礙物距離。
- 第三步：處理與輸出環節處理環節像系統的腦袋，由控制電路或微控制器擔當，工作是把輸入訊號與設定值比較，再決定輸出策略；輸出環節則像手腳，常見有摩打產生轉動、發光二極管發出燈光、蜂鳴器發聲、電熱元件發熱。舉個例子：電飯煲中，微控制器按溫度與時間判斷米飯是否煮熟，然後指揮電熱盤加熱或停止，處理與輸出環環相扣。
- 第四步：開環控制的特點開環控制按預設程序行事，輸出之後不再理會實際結果，結構簡單、成本低、反應直接，適合結果容易預期的場合；弱點是無法自行修正偏差，一旦外界條件改變，輸出便可能失準。舉個例子：普通風扇調速檔屬於開環，按下中檔便輸出固定風速，但房間愈擠迫、氣流愈受阻，實際涼感便愈差，風扇本身不會察覺。
- 第五步：閉環控制與回饋閉環控制把輸出的實際結果經傳感器送回輸入端，控制器比較實際值與目標值，按差距不斷修正動作，這個機制稱為回饋。回饋令系統能自我修正，輸出穩定、抗干擾，但結構與成本較高。以恆溫電熨斗為例：熱敏元件持續量溫，低於目標即通電加熱，達標即斷電，溫度因而鎖定在窄幅之內。
- 第六步：開環與閉環的選擇兩類控制各有舞台：結果可預期、要求不高時用開環，省錢省事；環境多變、要求精準時用閉環，以回饋換穩定。判斷關鍵在於產品需不需要「知道」自己的輸出結果。舉個例子：交通燈按既定時間轉燈，屬開環已足夠；冷氣機要維持室溫，必須量度室溫並調節壓縮機與風速，便非閉環不可。
- 第七步：系統框圖分析與答題系統框圖以方塊代表輸入、處理、輸出，以箭嘴表示訊號流向，回饋路徑則由輸出繞回輸入。答系統題時，先認出傳感器與輸出裝置，再追蹤訊號流向，判斷有無回饋路徑，便能確定控制類型並解釋理由。舉個例子：畫自動門框圖，紅外線傳感器指向控制電路，電路指向摩打；若圖上沒有由門的位置返回電路的路徑，便屬開環描述，與實際的閉環設計不符。
5例題示範 Example
例題：某停車場出入口使用自動欄杆，車輛駛近時欄杆自動升起，車輛通過後自動降下。試指出系統的輸入、處理與輸出環節，並判斷屬開環還是閉環控制。
- 找輸入：地面感應線圈或紅外線傳感器偵測車輛駛近與離開，把情況轉成訊號。
- 找處理：控制電路比較訊號與設定條件，決定升桿、保持或降桿。
- 找輸出：摩打帶動欄杆升起與降下，另有指示燈顯示狀態。
- 判斷控制類型：傳感器持續回報車輛位置，系統按實際情況修正動作，存在回饋路徑。
- 答案：輸入是偵測車輛的傳感器，處理是判斷升降的控制電路，輸出是帶動欄杆的摩打；由於傳感器不斷把實際情況回饋給控制器修正動作，此系統屬閉環控制。答題時宜畫出含回饋路徑的框圖，並說明回饋如何令欄杆在車輛未離開前保持升起，避免誤降。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1系統模型的三個基本環節是什麼？
Q2傳感器的作用是什麼？試舉一例。
Q3開環與閉環控制的根本分別是什麼？
Q4恆溫電熨斗靠什麼保持溫度穩定？
Q5畫系統框圖時，回饋路徑應如何表示？
8重點回顧 Recap
- 系統模型三環節：輸入接收訊息、處理作出判斷、輸出產生動作。
- 傳感器是輸入的靈魂，把光、溫度、距離、聲音等轉成電訊號。
- 開環控制按預設程序行事，簡單便宜；閉環控制靠回饋自我修正，穩定精準。
- 恆溫電熨斗與自動門是閉環典型：傳感器量度實際情況，控制器不斷修正。
- 答系統題先畫框圖：認傳感器與輸出裝置、追訊號流向、判斷回饋有無。