控制系統基礎：你的終極學習指南！

各位同學好！歡迎來到刺激有趣的控制系統世界。聽起來很複雜？別擔心！你可能一生中都在使用控制系統，只是沒有察覺而已。從讓你保持涼快的冷氣機，到港鐵站的自動門，控制系統無處不在。

在本章中，我們將揭開其神秘面紗，看看這些系統是如何運作的。對於任何設計師或科技人員來說，了解這一點都非常重要，因為它可說是眾多產品的「大腦」。我們會將它分解成簡單易懂的部分。馬上開始吧！


到底甚麼是控制系統？

說到底，一個控制系統就是一個管理、指揮或調節其他事物以達到預期結果的裝置。把它想像成一個指揮機器做事的「老闆」。要理解這一點，我們需要知道任何系統的三個關鍵詞：輸入、處理和輸出。

核心概念：輸入－處理－輸出 (IPO)

每個基本系統都可以利用IPO模型來理解。這是一個你將會反覆用到的基本概念。

  • 輸入 (Input)：這是進入系統的起始信號、指令或能量。它是「觸發器」。
    例子：按下洗衣機的「啟動」按鈕。

  • 處理 (Process)：這是「思考」或「執行」的部分。它是系統根據輸入所進行的「動作」。
    例子：洗衣機的電子控制器執行洗衣程序。

  • 輸出 (Output)：這是從系統中產生的最終結果或動作。
    例子：洗衣機的滾筒轉動並清洗衣物。
類比時間：製作多士！

想像一部簡單的多士爐。

輸入：你放入麵包並按下手柄。
處理：多士爐的內部計時器會啟動加熱線圈一段固定時間。
輸出：熱騰騰的多士彈出來了！

看到了嗎？你已經掌握了基本概念！我們討論的每個控制系統都將遵循這個IPO模式。

重點歸納

一個控制系統會接收一個輸入，然後對其進行某種操作（一個處理），並產生一個結果（一個輸出）。


控制系統的兩大類別

既然我們已經了解了基本的IPO「食譜」，現在來看看控制系統的兩種主要設計方式。關鍵區別在於一個簡單而強大的概念：回饋 (feedback)。

1. 程序控制系統（一種開環系統）

一個程序控制系統會遵循預先編程好的指令清單或一系列事件。一旦啟動，它就會執行完所有步驟，然後停止。它不會檢查結果以確認是否已正確完成任務。

這就像一個「發射後不理」的任務。你發出指令，系統就執行，不問理由。

課程例子 1：洗衣機

你的洗衣機就是程序控制的完美例子。

  1. 輸入：你按下「30分鐘洗滌」按鈕。
  2. 處理：控制器遵循固定的程序：
    • 注水2分鐘。
    • 攪拌衣物15分鐘。
    • 排水3分鐘。
    • 脫水10分鐘。
    • 結束。
  3. 輸出：一系列動作（注水、攪拌、脫水）。

關鍵點：洗衣機根本不知道你的衣服是否真的洗乾淨了！如果你放入沾滿泥濘的足球裝備，它也會執行與洗滌一件只穿過一次的T恤完全相同的30分鐘循環。它不會檢查輸出（乾淨的衣服），它只是遵循預設的程序。

課程例子 2：交通燈

標準的交通燈是按簡單的計時器運作的。它們遵循一個程序：綠燈（例如，45秒）→ 黃燈（3秒）→ 紅燈（45秒）→ 重複。它們全天都這樣運作，無論有100輛車在等候還是沒有車。這就是典型的程序控制。

2. 閉環控制系統（聰明的系統！）

這就是設計變得巧妙的地方。一個閉環控制系統會利用回饋來檢查自己的輸出。它會不斷將實際結果與預期結果（「設定點」）進行比較並作出調整。

回饋就是秘密武器！它是關於輸出的資訊，會被「回饋」到系統的起點，形成一個閉環。

課程例子 1：冷氣機

冷氣機（AC）就是閉環系統的完美例子。

  1. 設定點（輸入）：你將期望溫度設定為23°C。
  2. 處理：控制器開啟製冷壓縮機。
  3. 輸出：冷氣機吹出冷風，降低室溫。
  4. 感應器與回饋：一個內置溫度計（感應器）持續測量實際室溫。這些資訊就是回饋。
  5. 比較與調整：控制器將實際溫度與你設定的23°C進行比較。
    • 如果室溫為26°C，表示太熱了，控制器會保持壓縮機開啟。
    • 當室溫達到23°C時，控制器會說：「任務完成！」並關閉壓縮機以節省電力。
    • 如果室溫回升到24°C，控制器會察覺並再次開啟壓縮機。

這種檢查和調整的循環，正是使閉環系統如此精準和高效的原因。

課程例子 2：控制水箱液位

想像一個農場用的自動水箱。你需要將水位保持在特定高度。

目標：將水位保持在「滿水位」線（這是設定點）。
系統組件：

  • 一個水泵（處理部分）用於加水。
  • 一個浮球感應器（感應器）用於測量水位（輸出）。
  • 一個控制器用於將感應器讀數與設定點進行比較。

控制器從浮球獲取回饋。如果水位太低，它會開啟水泵。當水位達到「滿水位」線時，感應器會通知控制器，控制器隨即關閉水泵。這就是一個閉環！

快速複習：程序控制 vs. 閉環控制
  • 程序控制（開環系統）：
    • 運作方式：遵循預設的程序。
    • 回饋？：沒有。它對輸出「視而不見」。
    • 複雜性：簡單且成本較低。
    • 例子：普通多士爐或交通燈。

  • 閉環控制：
    • 運作方式：利用感應器傳來的回饋來調整其動作。
    • 回饋？：有！這是它的主要特點。
    • 複雜性：更複雜且成本較高。
    • 例子：冷氣機或汽車的定速巡航系統。

積木式建構：理解子系統

很少有產品只是一個單一系統。像汽車或機械人這樣的複雜產品，實際上是由許多較小的系統協同運作組成的。我們稱這些較小的部分為子系統 (sub-systems)。

把它想像成玩樂高積木。每塊樂高積木都是一個簡單的子系統。當你以正確的方式將它們連接起來時，你就能得到一個複雜的模型（主系統）。

課程例子：汽車

汽車是一個龐大的系統，但我們可以將它分解為：

  • 引擎系統：它的職責是產生動力。
  • 制動系統：它的職責是煞停汽車。
  • 轉向系統：它的職責是控制方向。
  • 電力系統：它的職責是為車燈、收音機和電腦供電。

這些都是子系統。它們彼此相互關聯。引擎系統提供動力，而制動系統必須能夠將其停止。電力系統為控制引擎的電腦提供電力。了解這些連結是理解整個產品的關鍵。

繪製圖表：方塊圖

設計師會使用方塊圖 (block diagrams) 來展示系統和子系統如何連接。它們是簡單的圖形，包含方塊和箭頭，能讓你輕鬆看清系統的運作。

一個閉環系統的簡單方塊圖看起來是這樣的：

[Desired Value / Input] --> [Controller] --> [Process / Machine] --> [Output]
                                      ^                                        |
                    |_________________ [Sensor / Feedback] ________________|

能夠繪製和閱讀這些圖表是一項非常重要的技能！

重點歸納

複雜的系統是由更小、相互連結的子系統構建而成。我們使用方塊圖來視覺化它們如何協同運作。


像設計師一樣思考：評估控制系統

設計與應用科技（DAT）的一個重要部分，就是要能夠檢視一個產品並弄清楚它是如何運作的。當你看到一個具有控制功能的產品時，這裡有一個簡單的清單來幫助你評估它：

  1. 主要目標是什麼？ （例如，對於一部自動循線車，目標是沿著線行駛）。
  2. 它是程序控制還是閉環控制？ 尋找感應器！如果你看到有感應器測量輸出，那它幾乎肯定是閉環系統。如果它只是遵循計時器或簡單的程序，那就是程序控制。
  3. 控制變數是什麼？ 這是被測量和控制的具體事物。
    • 對於冷氣機：控制變數是溫度。
    • 對於生產線上的輸送帶：它可能是速度或位置。
    • 對於自動循線車：它可能是與牆壁的距離或在線上的位置。
  4. 你能識別出子系統嗎？ 嘗試將產品分解為更小的功能方塊。
你知道嗎？

最早著名的閉環控制系統之一，是詹姆斯·瓦特在1788年發明的「飛球調速器」，用於控制蒸汽機的速度。它利用旋轉的重錘（一個速度感應器）來自動開啟或關閉閥門，使引擎保持穩定的速度。這個概念是所有現代閉環系統的始祖！


章節總結：你的控制系統工具箱

快速回顧
  • 所有系統都遵循基本的輸入－處理－輸出 (IPO) 模型。
  • 程序控制系統遵循預設的任務順序。它們沒有回饋。（想想：交通燈）。
  • 閉環控制系統之所以「聰明」，是因為它們利用來自感應器的回饋來檢查工作並進行調整。（想想：冷氣機）。
  • 複雜的產品由許多較小的子系統協同運作組成。
  • 方塊圖是簡單的圖形，幫助我們理解和設計系統。
  • 控制變數 (Control Variable) 是系統旨在控制的特定物理量（例如溫度、速度或位置）。

太棒了！你現在已經對控制系統的基本概念有了扎實的理解。記住這些想法，你會開始在周圍的每個地方看到這些智能系統的運作。你一定能做到！