開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析

1、令肥孽院HefeiUniversity控制理論與仿真I綜述報(bào)告報(bào)告題目：混合控制系統(tǒng)的分析專業(yè)班級：班自動化（2）班學(xué)生姓名：一頁書生教師姓名：李老師完成時(shí)間：2016.12.10混合控制系統(tǒng)的分析中文摘要自動控制理論是研究自動控制共同規(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，最后展示了一些在實(shí)際生活中應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：自動控制；開環(huán)控制

2、系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)；優(yōu)缺點(diǎn)TheanalysisofthehybridcontrolsystemChineseAbstractAutomaticcontroltheoryisthestudyofautomaticcontrolcommonlawscienceandtechnologyItsearlystageofdevelopment,isbasedonthetheoryofopenloopandclosedloopautomaticregulatingprinciple,mainlyusedinindustrialcontrol,duringthesecondworldwarinordert

3、odesignandmanufactureofaircraftandMarineautopilot,artillerypositioningsystem,radartrackingsystemandothermilitaryequipmentbasedonfeedbackprinciple,tofurtherpromoteandperfectthedevelopmentofautomaticcontroltheoryThisarticlefirstintroducestheopenloopandclosedloopcontrolsystem,thenanalyzestheirrespectiv

4、eadvantagesanddisadvantagesandonthebasisofthecomparison,finallyshowssomepracticalexamplesKeywords:automaticcontrol;Openloopcontrolsystem;Aclosed-loopcontrolsystem;Theadvantagesanddisadvantages目錄一、前言1二、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)12.1 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義12.2 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖12.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖12.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖12.3 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2三、開環(huán)閉環(huán)

5、的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)23.1 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別23.2 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析33.3 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)33.4 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較3四、生活中常見的開閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例44.1 實(shí)例分析44.2 在生活中應(yīng)用5五、總結(jié)：6參考文獻(xiàn)7一、前言目前，自動控制技術(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，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控

6、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；而控制裝置則是對被控對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被控對象進(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)勢以及劣勢，進(jìn)而針對性地進(jìn)行科學(xué)研究。二、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)2.1 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

7、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)。2.2 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖2.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖I，輸出量2.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖(軸t)2.3 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)所謂傳遞函數(shù)，只是反饋信號的數(shù)學(xué)公式/模型。傳遞函數(shù)零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)(即輸出)量的拉普拉斯變換(或z變換)與激勵(即輸入)量的拉普拉斯變換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)動態(tài)特性的基本數(shù)學(xué)工具之一，經(jīng)典控制理論的主要研究方法一一

8、頻率響應(yīng)法和根軌跡法一一都是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)之上。而在經(jīng)典控制理論中傳遞函數(shù)有兩個(gè)重要且易混淆的內(nèi)容即：開環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gk(s)=G(s)?H(s)Gk(s)=G(s)/1+G(s)?H(s)開環(huán)傳函其實(shí)是閉環(huán)傳函的一部分。開環(huán)和閉環(huán)的本質(zhì)區(qū)別是：閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控量要反饋回到給定信號端，與給定信號進(jìn)行比較(一股為負(fù)反饋)，而開環(huán)沒有這一環(huán)節(jié)。另外，還有半閉環(huán)控制系統(tǒng)，之所以叫半閉環(huán)是因?yàn)榉答伝氐浇o定輸入信號的反饋量不是直接取自被控量，而是間接取到的。三、開環(huán)閉環(huán)的區(qū)別與優(yōu)缺點(diǎn)3.1 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測誤差，也不能校正誤差。控制精度和抑制干擾的性能都比較

9、差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。合閉環(huán)控制系統(tǒng)不管出于什么原因(外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。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合。開環(huán)系統(tǒng)沒有檢測設(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，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。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。3.2 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析由開環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖可以看出，開環(huán)控制系統(tǒng)是比較簡單的單回路

10、控制方式，信息從輸入端到輸出端，僅有一條路徑，本身不能對被控量的偏差進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，沒有自動糾正的能力，控制精確度相對比較低，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前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，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)

11、會根據(jù)對目標(biāo)的偏差糾正偏差以力爭命中目標(biāo)。3.3 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（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(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)會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動的控制（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)。3.4 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)

12、的優(yōu)缺點(diǎn)比較主要從三方面比較：工作原理：開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測誤差，也不能校正誤差?？刂凭群鸵种聘蓴_的性能都比較差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。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)用于對外界環(huán)境要求比較高、高精度場合。結(jié)構(gòu)組成：開環(huán)系統(tǒng)沒有檢測設(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，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。穩(wěn)定性：

13、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。四、生活中常見的開閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)例4.1 實(shí)例分析以普通家用壓力鍋的溫度控制過程為例，在密閉狀態(tài)下，鍋內(nèi)的溫度與壓力呈對應(yīng)關(guān)系。加熱鍋體，鍋內(nèi)溫度逐步升高，鍋內(nèi)壓力也隨之升高；當(dāng)鍋內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，高壓將頂開壓在排氣閥上的重錘，排出蒸汽，使鍋內(nèi)壓力降低，壓力的降低又造成溫度的降低。由于重錘的重量是恒定，因此當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值之后，加熱量和排氣量將呈動態(tài)平衡，鍋內(nèi)壓力保持在高于大氣壓力的一個(gè)恒定值上，鍋內(nèi)溫度也保持在高于常壓水的沸點(diǎn)溫度的一個(gè)恒定值上（一般為110c左右），不再對錨律加熱升溫升溫_，轅內(nèi)壓力增壓U圖1

14、壓力鍋的溫度控制過程原理圖繼續(xù)升高。過程如下圖所示：原IL分析這樣一個(gè)控制問題，首先要界定所考察的系統(tǒng)范圍。從整體效果上看，該控制過程的輸入量是加熱鍋體，加熱鍋體導(dǎo)致的三個(gè)結(jié)果：鍋體升溫、鍋內(nèi)升壓以及排氣孔排氣，都是輸出量，而輸出量并未反饋回來影響輸入量，因此它是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。而更細(xì)致的分析，應(yīng)該把升溫過程與恒壓/恒溫過程分別進(jìn)行分析。分析時(shí)考察的系統(tǒng)范圍不同，結(jié)論也不同壓力鍋的加熱、升溫、升壓過程。把加熱爐具與壓力鍋看成一個(gè)系統(tǒng)，壓力鍋體因外部加熱而升溫，分析加熱的過程。輸入量一一接通電源或點(diǎn)火，輸出量一一鍋體升溫、鍋內(nèi)升壓以及排氣孔排氣?？刂七^程如下圖所示，與用爐火加熱普通鍋體的過程相

15、同，屬于開環(huán)自動控制，如下圖：裱拄對象（m轄出量h,升溫升壓攆氣輸入堂接通電源L或點(diǎn)火“圖2開環(huán)控制壓力鍋的恒壓、恒溫控制過程。壓力鍋能夠保持鍋內(nèi)壓力與溫度恒定，主要是依靠了壓在排氣閥上的重錘的作用，因此還可以分析重錘電鍋內(nèi)壓力的控制過程。輸入量一一重錘的重量，輸出量一一鍋內(nèi)氣體的壓力（溫度），在輸入端重錘重力與鍋內(nèi)壓力（反饋量）進(jìn)行比較,力的差值通過重錘控制排氣孔的排氣量，該過程屬于閉環(huán)自動控制過程，如下圖：瑯建過象（弱閭氣體Ir鍋內(nèi)無體壓力（海度）4.2 在生活中應(yīng)用類似的自動控制例子還很多，比如：山地梯田中的水位控制，從山頭到山腳梯狀層疊的平面稻田，水流自上而下逐層灌溉著每一塊田地，稻田

16、中水位的高低由田燒上的排水口的高度決定，每一塊稻田的水位都可以單獨(dú)的設(shè)定。只要山頭入水口的水流供給量保持在一定的范圍內(nèi)，無論蒸發(fā)量多或少，都能夠確保稻田中基本恒定的水位。幾千年來，勞動人民就是依靠這樣一種簡單的梯田結(jié)構(gòu)，解決了稻田的自動灌溉問題，從控制設(shè)計(jì)的角度來看，梯田灌溉的水位控制沒有使用任何反饋調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，因此也屬于開環(huán)控制。簡單的開環(huán)控制，應(yīng)用得當(dāng)，通常能夠達(dá)到理想的自動控制效果。反之，復(fù)雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動控制。汽車的駕駛就是一個(gè)常見的實(shí)例：汽車沿著道路行駛，必須有人的操控，從控制的角度看，屬于人工控制，這時(shí)我們是將人與車作為一個(gè)整體，看成一個(gè)系統(tǒng)。駕駛員通過操控方向盤、油門

17、、剎車等機(jī)構(gòu)，控制車輛行駛的狀態(tài)；同時(shí)，駕駛員還通過視覺，查看車輛與前方道路或障礙物的位置關(guān)系信息，根據(jù)這一信息不斷修正自己的操作，使車輛按照預(yù)定的路線軌跡行駛。在這一過程中，駕駛員通過視覺獲取的信息就是反饋量，因此屬于閉環(huán)控制。五、總結(jié)自動控制原理是一門理論性較強(qiáng)的課程，所涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)從微積分、復(fù)變函數(shù)。學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)很多問題其實(shí)是被數(shù)學(xué)問題難倒，從而產(chǎn)生了畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果。為此我認(rèn)為，首先要明確自控原理課的學(xué)習(xí)目的：讓自己建立控制理論的概念，學(xué)會控制系統(tǒng)的分析方法，為今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)過程中更應(yīng)注重對每個(gè)定理，公式的物理意義的理解，學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在對計(jì)算結(jié)果的分析上，這樣有助于今后專業(yè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)。另外，在學(xué)習(xí)中要還可通過分析各種理論方法之間的關(guān)聯(lián)，起到溫故而知新的作用。比如，通過對同一開環(huán)傳遞函數(shù)繪制根軌跡、伯德圖和奈氏圖，使我進(jìn)一步了解根軌跡的用途和穩(wěn)定判據(jù)的用法。參考文獻(xiàn)1吳健強(qiáng).現(xiàn)代傳動及其控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20032徐益民.開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析D.哈爾濱：黑龍江科技學(xué)院，2005.3廖高華.有關(guān)閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)淺析D西安：西安科技大學(xué)，2004.4胡壽松.自動控制原理（第六版）M.北京：科學(xué)出版社，2016.目錄摘要錯(cuò)誤！未定義書簽。ABSTRAC錯(cuò)誤！未定義書簽。一