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开环控制与闭环控制的区别

由哈哈2022-01-20原创

“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。

①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。

②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。

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