时间

：2020-12-29来源：

导语



：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
。

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。

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”


。