开与闭环控制

可以说，控制工程专业中最巧妙的工具是基本反馈回路图形中所示的反馈回路。它包括五个基本要素:

• 被控制的过程
• 一种带有传感器的仪器，用来测量过程的状态
• 把测量结果转换成电子信号的发射机
• 一个控制器，读取发射机的信号，并决定进程的当前状态是否可接受
• 执行器作为最后的控制元件，根据控制器的指令对过程进行校正。

在闭环控制系统中，信息沿反馈环流动，从过程到传感器到变送器到控制器到执行器，然后返回到过程。这种测量-决定-驱动序列称为闭环控制，在必要时经常重复，直到达到所需的工艺条件。常见的例子包括使用恒温器控制火炉来保持房间的温度，或者使用巡航控制来保持汽车的速度。

但并非所有的自动控制操作都需要反馈。在开环配置中可以执行更大类型的控制命令，无需确认或进一步调整。开环控制足以用于可预测的操作，如开门、启动电机或关闭泵。

连续闭环控制

继续分析，很明显，所有闭环操作都不相同。对于连续过程，a反馈回路试图将过程变量(或受控变量)维持在一个称为设定值的期望值。控制器从设定值中减去过程变量的最新测量值，以产生错误信号。然后，误差信号的幅度和持续时间决定了控制器输出或操纵变量的值，这反过来又决定了执行器应用的纠正努力。

例如，配备巡航控制系统的汽车使用速度计来测量和保持汽车的速度。如果汽车行驶过慢，控制器就会指示加速器向发动机注入更多燃料。如果汽车行驶太快，控制器就会停止油门。汽车是过程，速度计是传感器，加速器是执行器。

汽车的速度是过程变量。其他常见的工艺变量包括温度、压力、流速和储罐液位。这些都是可以不断变化的量，可以在任何时候测量。用于操纵这种条件的常见执行器包括加热元件、阀门和阻尼器。

离散闭环控制

对于一个离散的过程，仅在触发事件发生时测量感兴趣的变量，并且测量-决定-驱动序列通常只对每个事件执行一次。例如，驾驶汽车的人类控制器在每次旅行开始时用眼睛测量环境的光照水平。如果她觉得天太黑看不清楚，她就会打开车灯。在下一次触发事件(例如行程结束)之前，不需要进一步调整。

离散过程的反馈回路通常比连续控制回路简单得多，因为离散过程不涉及那么多的惯性。开灯后，控制汽车的司机会得到即时的结果，而巡航控制系统则会在汽车缓慢加速或减速时看到更渐进的结果。

惯性往往会使连续控制回路的设计复杂化，因为连续控制器通常需要在其早期努力的结果完全明显之前做出一系列决策。它必须预测其最近纠正努力的累积效果，并相应地计划未来的努力。在尝试另一个之前，等待每一个结果会花费太长时间。

开环控制

开环控制器不要使用反馈本身。当接到命令时，他们只进行一次控制，并认为会达到预期的结果。开环控制器仍然可以测量其命令的结果:门真的打开了吗?马达真的启动了吗?水泵真的关了吗?一般来说，这些操作是出于安全考虑，而不是作为控制序列的一部分。

即使是闭环反馈控制器有时也必须在开环模式下运行。传感器可能无法产生反馈信号，或者操作员可能为了手动操作控制器的输出而接管反馈操作。

当反馈控制器被证明无法保持稳定时，通常需要操作员干预闭环控制．例如，一个特别激进的压力控制器可能会过度补偿管线压力的下降。如果控制器对其过补偿进行过补偿，那么压力可能会比以前低，然后更高，然后更低，然后更高，等等。终止这种不稳定振荡的最简单方法是打破循环，手动重新获得控制。

在许多应用中，经验丰富的操作员可以比反馈控制器更快地进行手动校正。使用他们对流程过去行为的了解，操作员现在可以操作流程输入，以在以后实现所需的输出值。另一方面，反馈控制器必须等到其最新努力的效果是可测量的，然后才能决定下一个适当的控制动作。具有长时间常数或过多死区时间的可预测过程特别适合于开环手动控制。

开闭环控制相结合

开环控制的主要缺点是精度降低。没有反馈，就不能保证应用到过程中的控制工作将实际产生预期的效果。如果同时要求速度和精度，可以使用前馈策略同时应用开环和闭环控制。前馈控制器使用过程的数学模型使其初始控制动作像有经验的操作员一样。然后，它测量其开环工作的结果，并像传统的反馈控制器一样在必要时进行额外的修正。

前馈是特别有用的传感器可用来测量即将到来的扰动之前，它击中过程。如果过程模型能准确预测其对过程的未来影响，控制器就能在扰动发生时采取先发制人的措施来抵消扰动。

例如，如果一辆配备了巡航控制系统和雷达的汽车可以看到一个山丘，它甚至可以在开始减速之前开始加速。在爬坡的过程中，汽车可能无法以理想的速度结束，但即使是这样的误差，也可以通过巡航控制器的正常反馈控制算法最终消除。如果没有雷达提供的提前通知，巡航控制器不会知道需要加速，直到汽车已经在半山腰减速到所需速度以下。

开、闭环并联控制

许多自动控制系统同时采用开环和闭环控制。例如，考虑一个啤酒厂发酵和装瓶啤酒。

现代啤酒厂的酿造壶依靠连续闭环控制来维持规定的温度和压力，同时将水和谷物转化为可发酵的麦芽浆。

啤酒厂的装瓶生产线同时使用离散闭环控制和开环控制来灌装和盖单个瓶子。

酿造壶内的条件由闭环控制器保持，使用反馈回路测量温度和压力，然后调整蒸汽流入水壶和流量泵，以补偿不符合规格的条件。开环控制也需要一次性操作，如启动和停止混合器电机或打开和关闭蒸汽管道到热交换器。

同时，采用开环控制和离散闭环控制对啤酒成品批次进行装瓶。在开始灌装之前，接近传感器确定瓶子存在，然后阀门打开，灌装每个瓶子，直到液位传感器确定瓶子已满。

一般来说，连续闭环控制应用至少需要一些辅助的开环控制操作，而许多开环控制应用根本不需要反馈环。

哪个是哪个?

连续闭环控制、离散闭环控制和开环控制之间的区别可能是微妙的。下面是一些伪代码片段来说明每一个:

开环控制

IF (time_for_action = TRUE) THEN
take_action (X)
结束

离散闭环控制

IF (time_for_action = TRUE) THEN
测量(Y)
IF (Y =指定条件)THEN
take_action (X)
结束
结束

连续闭环控制

WHILE (Y <> specified_condition)
take_action (X)
测量(Y)
等待(Z)
重复

在前两种情况下，行动的时间通常意味着在控制序列中已经达到了特定的步骤。在这一点上，开环控制器将简单地执行动作X并继续到程序的下一步。离散闭环控制器将首先测量或观察过程中的某些条件Y，以确定是否需要执行动作X。一旦激活，一个连续的闭环控制器总是准备行动。它采取行动X，测量条件Y，等待Z秒，然后重复循环，直到Y达到指定的条件。在离散的情况下，指定的条件通常是一个离散的事件，例如先前任务的完成或某些去/不去决策标准的更改。在连续情况下，当被测变量达到期望值时，通常满足规定的条件。

Vance VanDoren，博士，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是controleng@msn.com．

关键概念:

• 控制循环有不同类型，区分它们的最关键特征是它们如何处理反馈。
• 应用程序的需求应该是选择一种类型或另一种类型的主要原因。
• 在某些情况下，人工干预可能比自动方法更可取。

在线

www.twobrothersbrewing.com

阅读下面关于控制方法的更多信息。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。