開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)淺析

【摘要】自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以開環(huán)與閉環(huán)理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。本文首先介紹了開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，然后分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行了比較，最后展示了一些應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制；開環(huán)控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)；優(yōu)缺點(diǎn)

引言

目前，自動(dòng)控制技術(shù)幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域及社會(huì)生活的各個(gè)方面，如在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空航天、家用電器等許多領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)的總體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度、流量、液位、或壓力等；而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于開、閉環(huán)控制的自動(dòng)控制技術(shù)。在此基礎(chǔ)的研究中，我們必須注重開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及劣勢(shì)，進(jìn)而針對(duì)性地進(jìn)行科學(xué)研究。

一、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.1開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義

開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生任何影響，即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，這種系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)：是把輸出量直接或間接地反饋到輸入端構(gòu)成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)反饋原理按照偏差進(jìn)行控制的，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能，因此也叫反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。

1.2開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖

1.3開環(huán)閉環(huán)的區(qū)別：

①有無反饋；

②是否對(duì)當(dāng)前控制起作用。開環(huán)控制一般是在瞬間就完成的控制活動(dòng)，閉環(huán)控制一定會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間，可以借此判斷。

二、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

由圖1和圖2比較可以看出，開環(huán)控制系統(tǒng)是比較簡單的單回路控制方式，信息從輸入端到輸出端，僅有一條路徑，本身不能對(duì)被控量的偏差進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，沒有自動(dòng)糾正的能力，控制精確度相對(duì)比較低，可以節(jié)省開支，容易實(shí)現(xiàn)、適用于較穩(wěn)定的場(chǎng)合；閉環(huán)比開環(huán)控制系統(tǒng)多了一個(gè)反饋，有適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端的過程。這樣一來，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，信息流經(jīng)的路徑有兩條，構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路，不論何種原因都會(huì)產(chǎn)生控制作用來減少偏差，但設(shè)計(jì)麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，用于高精度和高可靠性的場(chǎng)合。例如在現(xiàn)實(shí)中大炮發(fā)射，是開環(huán)控制系統(tǒng)，因?yàn)殚_炮前瞄準(zhǔn)控制，炮彈一旦出了膛就不再管了；而導(dǎo)彈發(fā)射，是閉環(huán)控制系統(tǒng)，因?yàn)閷?dǎo)彈控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)目標(biāo)的偏差糾正偏差以力爭命中目標(biāo)。

2.1開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是無法消除干擾所帶來的誤差。

同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。

2.2開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

主要從三方面比較：

①工作原理：

開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測(cè)誤差，也不能校正誤差?？刂凭群鸵种聘蓴_的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。因此，一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些場(chǎng)合。 閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮了反饋的重要作用，排除了難以預(yù)料或不確定的因素，使校正行動(dòng)更準(zhǔn)確，更有力。但它缺乏開環(huán)控制的那種預(yù)防性。如在控制過程中造成不利的后果才采取糾正措施。因此，一般廣泛應(yīng)用于對(duì)外界環(huán)境要求比較高、高精度場(chǎng)合。

②結(jié)構(gòu)組成：開環(huán)系統(tǒng)沒有檢測(cè)設(shè)備，組成簡單，但選用的元器件要嚴(yán)格保證質(zhì)量要求。閉環(huán)系統(tǒng)具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

③穩(wěn)定性：開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較容易解決。閉環(huán)系統(tǒng)中反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

三、生活中常見的開閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例

3.1開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例

①十字路口的紅綠燈定時(shí)控制系統(tǒng)

②樓道燈聲控裝置系統(tǒng)

由圖3和圖4可以看出開環(huán)中輸入量與輸出量是不同性質(zhì)的量，相應(yīng)的例子還有自動(dòng)門裝置、紅外線自動(dòng)水龍頭、賓館自動(dòng)叫醒服務(wù)、公共汽車門的開與關(guān)、普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)、投影屏幕的升降控制、數(shù)控機(jī)床、電吹風(fēng)控制系統(tǒng)、手電筒控制裝置、鬧鐘定時(shí)控制系統(tǒng)、脫粒機(jī)等都是常見的開環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例

①家用電飯鍋保溫控制系統(tǒng)

②抽水馬桶的自動(dòng)控制系統(tǒng)

由圖5和圖6可以看出閉環(huán)中輸人量與輸出量是相同性質(zhì)的量，相應(yīng)的例子還有花房溫度控制系統(tǒng)、供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)、糧庫溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)、加熱爐溫度控制系統(tǒng)、能撲滅蠟燭的機(jī)器人、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)、電冰箱的溫度控制系統(tǒng)等。

四、總結(jié)

通過上述的分析，我們可以體會(huì)到只有我們充分認(rèn)識(shí)到開閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)，才可以揚(yáng)長避短，做一些有效地科學(xué)研究，也不至于事半功倍，只有這樣我們的自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)才會(huì)越來越成熟。

參考文獻(xiàn)

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