自动控制原理.doc

如何判断开环控制系统与闭环控制系统
浙江省仓南县勤奋高中林伯宽2008-6-22

误区：自动的控制系统是闭环控制系统；
有相反的控制过程的控制系统是闭环控制系统；
有检测装置就是闭环控制系统；

基本概念：开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制；
闭环控制系统是输出量反馈回输入端参与控制的控制系统；

下图是一个典型的闭环控制系统——水箱水位的闭环控制系统

注入水流量
控制方框图：
实际水位
给定水位

水箱
进水阀门
杆杠

浮子

其控制过程是：
当实际水位较低时，浮子在较低的位置通过杠杆打开进水阀门，随后的实际水位会上升。（请注意：这是由于实际水位较低，通过控制让随后的实际水位上升）当实际水位上升到一定高度时，浮子处在较高的位置，通过杠杆将进水阀门关闭，随后水箱的位置保持在一定的高度。（请注意：实际水位会保持在一定高度的结果是由于实际水位达到给定值的缘故）

由此可见，闭环控制系统的带有反馈的控制过程实际上就是“结果”控制“结果”的过程。

因此，只有原输出量影响随后的输出量的控制过程才是闭环控制过程。

设计一种自动伸缩的晾衣架：

当感应器检测到有雨，把信号传给开关电路，命令开关接通电路，电动机通电而转动，带动衣架收回。当感应器检测到有阳光，命令开关倒接电路，从而电动机倒转，带动衣架伸出。请问此例是开环控制系统还是闭环控制系统？

先分析有雨收回的过程。其被控对象是衣架，输出量是收回衣架，衣架之所以收回不是因为衣架的收缩或伸出而收回，而是有雨才收回的，它的控制不是“结果”控制“结果”，而是雨对衣架的单向控制。所以它是开环的控制系统。有人就会疑问：它还有检测到阳光而伸出的反向控制过程，这两个合在一起应该是闭环的？没有疑问，还是开环的。因为，阳光控制它伸出是阳光对衣架伸出进行的单向控制，跟雨控制衣架收回是一样的道理。没有检测原来的衣架位置，而对随后的衣架位置产生影响的反馈控制过程。

转动（倒转）
方框图：
晾衣架
电动机
感应开关

雨（阳光）
收回（伸出）

另，提供一条经验：输入量与输出量不是同一种物理量就不可能是闭环控制过程。（当然要建立在输入量、输出量非常明确的基础上）

我们现在来看看，压力锅烧开水的过程：

经过约十分钟时间的加热，高压锅开始了第一次喷汽，随后停止喷汽，约十秒以后开始第二次喷汽，随后又停止喷汽，约五秒后开始第三次喷汽，随后又停止喷汽，约两秒后开始第四次喷汽，接着就不间断地平稳喷汽。（以上是本人仔细观察一次加热开水的过程）
此时锅内的气压可以这样计算：
P= P物 =
其中mg是锅盖上压力阀的重力，s是出汽口的横截面积，也就是说平稳喷汽时锅内的气压与压力阀的重力产生的气压平衡了，即此时锅内气压就会被控制在一定值。

问：这种压力锅的压力控制系统是开环的控制系统还是闭环的控制系统？
先分析其控制过程，当实际气压较低时，出汽口被封闭，随后实际气压会升高，当实际气压升高一定值时，水蒸气会冲开压力阀门，即喷汽，以之减小锅内气压，几次调整后，锅内气压会保持在一定值。因此，它是以之前的实际气压来控制随后的实际气压，以之达到限制锅内气压的目的。所以它的压力控制系统是地地道道的闭环控制系统。有人会疑问：锅内气压之所以升高是因为输入热量的结果，这里的温度控制应该是开环的。是有这么个过程，但不能影响闭环的性质。犹如闭环的水箱水位控制系统中，由于水的注入，而水位上升的控制过程，这部分控制也是开环的，却不会影响它整体的闭环性质。实际上闭环控制系统本身是以开环控制系统为基础的，任何闭环的都有开环的部分！

喷汽
方框图：
给定一定气压
实际气压

压力锅
压力阀门
控制器

检测装置

另：压力锅由间歇性喷汽到稳定的喷汽过程实际上就是闭环控制系统自动调整而稳定的过程。

总之，开环控制的特点：1、它是单向的控制过程；
2、输入量与输出量往往是不同性质的量。

闭环控制的特点：1、有反馈；
2、会调整；
3、被控量会被控制在一定的值——结果稳定；
4、“结果”会影响“结果”；
5、给定量与被控量是可比较的同一种性质的量。
分析步骤：

一、 先弄清楚控制过程（过程也就是我们要教给学生的）；
二、 再根据开环或闭环的特点进行判断。