开环与闭环控制系统的分析Word下载.docx

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李老师

完成时间：

2016.12.10

混合控制系统的分析

中文摘要

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。

它的发展初期，是以开环与闭环理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。

本文首先介绍了开环与闭环控制系统，然后分析了它们各自的优缺点并进行了比较，最后展示了一些在实际生活中应用实例。

关键词：

自动控制；

开环控制系统；

闭环控制系统；

优缺点

Theanalysisofthehybridcontrolsystem

ChineseAbstract

AutomaticcontroltheoryisthestudyofautomaticcontrolcommonlawscienceandtechnologyItsearlystageofdevelopment,isbasedonthetheoryofopenloopandclosedloopautomaticregulatingprinciple,mainlyusedinindustrialcontrol,duringthesecondworldwarinordertodesignandmanufactureofaircraftandMarineautopilot,artillerypositioningsystem,radartrackingsystemandothermilitaryequipmentbasedonfeedbackprinciple,tofurtherpromoteandperfectthedevelopmentofautomaticcontroltheoryThisarticlefirstintroducestheopenloopandclosedloopcontrolsystem,thenanalyzestheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesandonthebasisofthecomparison,finallyshowssomepracticalexamples

Keywords:

automaticcontrol;

Openloopcontrolsystem;

Aclosed-loopcontrolsystem;

Theadvantagesanddisadvantages

一、前言

目前，自动控制技术几乎渗透到国民经济的各个应用领域及社会生活的各个方面，如在工农业生产、交通运输、航空航天、家用电器等许多领域获得了越来越广泛的应用。

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。

在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、流量、液位、或压力等；

而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于开、闭环控制的自动控制技术。

在此基础的研究中，我们必须注重开环与闭环控制系统的优势以及劣势，进而针对性地进行科学研究。

二、开环与闭环控制系统

2.1开环与闭环控制系统的定义

开环控制系统：

系统的输出量对系统的控制作用不产生任何影响，即系统的输出端与输入端之间不存在反馈，这种系统称开环控制系统。

闭环控制系统：

是把输出量直接或间接地反馈到输入端构成闭环，实现自动控制的系统称为闭环控制系统。

由于系统是根据负反馈原理按照偏差进行控制的，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能，因此也叫反馈控制系统或偏差控制系统。

2.2开环与闭环控制系统的框图

2.2.1开环控制系统框图

2.2.2闭环控制系统框图

2.3开环与闭环控制系统的传递函数

所谓传递函数，只是反馈信号的数学公式/模型。

传递函数零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或z变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。

记作G（s）＝Y（s）／U（s），其中Y（s）、U（s）分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。

传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一，经典控制理论的主要研究方法——频率响应法和根轨迹法——都是建立在传递函数的基础之上。

而在经典控制理论中传递函数有两个重要且易混淆的内容即：

Gk（s）=G（s）•H（s）开环传递函数

Gk（s）=G（s）/1+G（s）•H（s）闭环传递函数

开环传函其实是闭环传函的一部分。

开环和闭环的本质区别是：

闭环控制系统的被控量要反馈回到给定信号端，与给定信号进行比较（一般为负反馈），而开环没有这一环节。

另外，还有半闭环控制系统，之所以叫半闭环是因为反馈回到给定输入信号的反馈量不是直接取自被控量，而是间接取到的。

三、开环闭环的区别与优缺点

3.1开环与闭环控制系统的区别

开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。

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。

合闭环控制系统不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，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。

开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。

闭环系统具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

开环控制系统的稳定性比较容易解决。

闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。

3.2开环与闭环控制系统的优缺点分析

由开环闭环控制系统框图可以看出，开环控制系统是比较简单的单回路控制方式，信息从输入端到输出端，仅有一条路径，本身不能对被控量的偏差进行调整和补偿，没有自动纠正的能力，控制精确度相对比较低，可以节省开支，容易实现、适用于较稳定的场合；

闭环比开环控制系统多了一个反馈，有适当的检测装置把系统的输出量返回到输入端的过程。

这样一来，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，信息流经的路径有两条，构成一个闭合环路，不论何种原因都会产生控制作用来减少偏差，但设计麻烦，结构复杂，成本高，用于高精度和高可靠性的场合。

例如在现实中大炮发射，是开环控制系统，因为开炮前瞄准控制，炮弹一旦出了膛就不再管了；

而导弹发射，是闭环控制系统，因为导弹控制系统会根据对目标的偏差纠正偏差以力争命中目标。

3.3开环与闭环控制系统的优缺点

开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。

缺点是无法消除干扰所带来的误差。

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。

为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。

3.4开环与闭环控制系统的优缺点比较

主要从三方面比较：

①工作原理：

闭环控制的优点是充分发挥了反馈的重要作用，排除了难以预料或不确定的因素，使校正行动更准确，更有力。

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才采取纠正措施。

因此，一般广泛应用于对外界环境要求比较高、高精度场合。

②结构组成：

③稳定性：

四、生活中常见的开闭环控制系统实例

4.1实例分析

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：

图1压力锅的温度控制过程原理图

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，如下图：

图2开环控制

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，如下图：

图3闭环控制

4.2在生活中应用

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。

五、总结

自动控制原理是一门理论性较强的课程，所涉及的数学基础从微积分、复变函数。

学习过程中发现很多问题其实是被数学问题难倒，从而产生了畏难情绪，影响学习效果。

为此我认为，首先要明确自控原理课的学习目的：

让自己建立控制理论的概念，学会控制系统的分析方法，为今后的专业课学习打下良好的基础。

在学习过程中更应注重对每个定理，公式的物理意义的理解，学习重点放在对计算结果的分析上，这样有助于今后专业技术课程的学习。

另外，在学习中要还可通过分析各种理论方法之间的关联，起到温故而知新的作用。

比如，通过对同一开环传递函数绘制根轨迹、伯德图和奈氏图，使我进一步了解根轨迹的用途和稳定判据的用法。

参考文献

[1]吴健强.现代传动及其控制技术[M].北京：

机械工业出版社，2003

[2]徐益民.开环控制系统优缺点分析[D].哈尔滨：

黑龙江科技学院，2005.

[3]廖高华.有关闭环控制系统优缺点浅析[D]西安：

西安科技大学，2004.

[4]胡寿松.自动控制原理（第六版）[M].北京：

科学出版社，2016.