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控制系统从“开环”到“闭环”,究竟经历了什么?

控制系统从“开环”到“闭环”,究竟经历了什么?

记得上大学每当上课时,就听到老师在上面一顿嚷嚷“开环增益、闭环增益、开环传函、闭环传函……”老师在上面说的激情澎湃,下面大家听的一脸茫然。

如今,每当工作涉及控制系统时,都又会见到这些难分的词语,相信有很多朋友也一定遇到过这样的问题。今天,我们就一起来看看这些术语都是什么?控制系统如何从“开环”到“闭环”?

开环系统和闭环系统是从控制系统里划分出来的,而控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。

设计控制系统的目的是使被控制对象达到预定的理想状态,可以认为控制系统就是人类想要达成某一目标的工具。

例如,有一辆在公路上行驶的汽车,假设汽车的速度与加速踏板的位置成函数关系。那么驾驶员通过控制加速踏板的压力便可以达到所希望的速度。此时,人和汽车便组成一个控制系统。

图片来源:OFweek维科网

在弄清楚开环系统和闭环系统前,我们还要弄清楚一个概念:反馈。

反馈指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统功能的过程。根据反馈对输出产生影响的性质,反馈可分为负反馈和正反馈。

负反馈:使输出起到与输入相反的作用,使系统输出与系统目标的误差减小,系统趋于稳定。

正反馈:使输出起到与输入相似的作用,使系统偏差不断增大,使系统振荡,可以放大控制作用。

反馈是区分开环系统和闭环系统最重要的因素。

开环控制是指无反馈信息的系统控制方式,系统的输入影响输出而不受输出影响的系统。

由于输出不对输入施加影响,因此开环系统不能对输出偏差和扰动做出反应,只能对设定值做出规定的响应。

当操作者启动系统,使之进入运行状态后,系统将操作者的指令一次性输向受控对象,在这之后,操作者将不能对受控对象的变化而做进一步的控制。因此,开环系统的初始设定值非常重要,一旦出错就要从头再来。

例如,钟表是一个开环系统,因为它本身不会在乎自己准时与否,更不用说自行调节了。

类似的开环系统还有很多,比如当我们夜晚睡觉前关灯时,在按下灯的开关的一瞬间,控制活动已经结束,灯有没有亮已经对着这个开关没有意义了。

在社会经济系统中很少存在开环系统,而在系统动力学模型调试初期,设计者通常可以将反馈环取消,使系统成为开环系统,从而简化问题,易于调整。

闭环系统亦称“反馈系统”,系统的输入影响输出的同时又受到输出的直接或间接影响的系统。

在一个闭环系统中,反馈信息取自系统状态,是作出决策的依据;通过决策控制改变系统状态,而这个状态又影响到未来的决策,这个作用过程是连续的、循环的。

比如说水龙头的出水,当我们需要用水时,首先要在大脑中有一个对水流大小的期望流量。水龙头打开后,由眼睛观察现有水流的流量大小,然后与期望值进行比较,并不断地用手进行调解,从而形成了一个闭环控制。

在人类活动的地方,各种社会群体、经济、管理等系统都是闭环系统。闭环是自然界一切生命过程和人类的社会经济过程的基本模式。

从原理来看,“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。

反馈环节的存在与否,使得控制系统的特性和使用范围千差万别。

没有反馈环节的开环控制系统不能检测误差,更不能校正误差。其控制精度和抑制干扰的性能都比较差,而且对系统参数的变动很敏感。

但其优点也非常明显,没有检测设备,组成结构非常简单,比较经济。

因此,开环系统一般仅用于可以不考虑外界影响,或惯性小,或精度要求不高的一些场合。

存在反馈环节的闭环系统能够适时地检测出控制的输出结果,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,使输出量更为准确。

但它缺乏开环控制的那种预防性。如在控制过程中造成不利的后果后,不利后果会持续扩大。

基于各项特性,闭环系统被广泛应用于对外界环境要求比较高、高精度场合。

图片来源:OFweek维科网

通过上面的描述,我们很可能产生一个错觉,开环系统是简单的、粗糙的,系统无法起到自动控制效果,而闭环控制系统是复杂的、精确地,都属于自动控制。

这是一个完全错误的观念。

简单的开环控制,设计恰当,通常也是能够达到理想的自动控制效果。

比如: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。

山地梯田中的水位控制,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。

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,但起到了自动控制的作用。

反之,复杂的闭环控制也未必都属于自动控制。

汽车的驾驶就是个常见的例子: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,我们将人与车看作为一个整体,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,驾驶员还要通过视觉、听觉来掌握四周的信息,根据这些信息不断修正自己的操作,使车辆在预定的道路上安全行驶。

在这个过程中,驾驶员通过视觉、听觉获取的信息就是反馈量,因此属于闭环控制,但这个系统不属于自动控制。

通过以上的描述,我们认识的“开环”到“闭环”,主要就是添加了反馈环节。有无反馈环节的控制系统在特性上完全不同,在日后的学习和工作中,一定要慎重选择“开环”还是“闭环”。


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