“开环控制”与“闭环控制”的区别.pdf

开环控制与闭环控制的区别 开环控制与闭环控制的区别 “开环控制”与“闭环控制”的区别就在于控制系统中有无反馈环节，所谓闭环控 制就是存在反馈环节的控制。这样的系统能够适时地检测控制的输出结果，并将检测到的 信息通过反馈环节反映到输入端，调整输入量，达到修正控制误差、提高控制精确度的目 的。反馈技术被广泛应用在各种需要精确控制的系统中，尤其是电子控制系统，比如：各 种放大电路中的增益控制；环境的温度、湿度、水位、压力的控制；机械结构的位置控制、 速度控制等等。因此常常使人觉得：闭环控制是复杂的、精确的、自动的控制方式，而开 环控制相对的简单、粗糙和非自动。这种感觉常常造成初学者在分析系统时的误判，需要 特别注意。 以普通家用压力锅的温度控制过程为例，在密闭状态下，锅内的温度与压力呈对应 关系。加热锅体，锅内温度逐步升高，锅内压力也随之升高；当锅内的压力达到设定值时， 高压将顶开压在排气阀上的重锤，排出蒸汽，使锅内压力降低，压力的降低又造成温度的 降低。由于重锤的重量是恒定，因此当温度达到设定值之后，加热量和排气量将呈动态平 衡，锅内压力保持在高于大气压力的一个恒定值上，锅内温度也保持在高于常压水的沸点 温度的一个恒定值上（一般为 110左右），不再继续升高。过程如下图所示： 分析这样一个控制问题，首先要界定所考察的系统范围。从整体效果上看，该控制 过程的输入量是加热锅体，加热锅体导致的三个结果：锅体升温、锅内升压以及排气孔排 气，都是输出量，而输出量并未反馈回来影响输入量，因此它是一个开环控制系统。而更 细致的分析， 应该把升温过程与恒压/恒温过程分别进行分析。 分析时考察的系统范围不同， 结论也不同。 压力锅的加热、升温、升压过程 把加热炉具与压力锅看成一个系统，压力锅体因外部加热而升温，分析加热的过程。 输入量接通电源或点火，输出量锅体升温、锅内升压以及排气孔排气。控制过程 如下图所示，与用炉火加热普通锅体的过程相同，属于开环自动控制。 压力锅的恒压、恒温控制过程 压力锅能够保持锅内压力与温度恒定，主要是依靠了压在排气阀上的重锤的作用， 因此还可以分析重锤对锅内压力的控制过程。输入量重锤的重量，输出量锅内气 体的压力（温度），在输入端重锤重力与锅内压力（反馈量）进行比较，力的差值通过重 锤控制排气孔的排气量，该过程属于闭环自动控制过程。 类似的自动控制例子还很多，比如：山地梯田中的水位控制，从山头到山脚梯状层 叠的平面稻田，水流自上而下逐层灌溉着每一块田地，稻田中水位的高低由田埂上的排水 口的高度决定，每一块稻田的水位都可以单独的设定。只要山头入水口的水流供给量保持 在一定的范围内，无论蒸发量多或少，都能够确保稻田中基本恒定的水位。几千年来，劳 动人民就是依靠这样一种简单的梯田结构，解决了稻田的自动灌溉问题，从控制设计的角 度来看，梯田灌溉的水位控制没有使用任何反馈调节的环节，因此也属于开环控制。 简单的开环控制，应用得当，通常能够达到理想的自动控制效果。反之，复杂的闭 环控制也未必都属于自动控制。汽车的驾驶就是一个常见的实例：汽车沿着道路行驶，必 须有人的操控，从控制的角度看，属于人工控制，这时我们是将人与车作为一个整体，看 成一个系统。驾驶员通过操控方向盘、油门、刹车等机构，控制车辆行驶的状态；同时， 驾驶员还通过视觉，查看车辆与前方道路或障碍物的位置关系信息，根据这一信息不断修 正自己的操作，使车辆按照预定的路线轨迹行驶。在这一过程中，驾驶员通过视觉获取的 信息就是反馈量，因此属于闭环控制。