开环与闭环控制

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
• 将测量值转换成电子信号的变送器
• 读取发送器信号并决定进程的当前状态是否可接受的控制器
• 一种执行器，作为最终控制元件，根据控制器的指令对过程进行纠正。

在闭环控制系统中，信息沿着一个反馈回路流动，从过程到传感器到变送器到控制器到执行器，再回到过程。这种测量-决定-驱动的程序——被称为闭环控制——只要有必要就重复，直到达到所需的工艺条件。熟悉的例子包括使用恒温器控制炉子来保持房间的温度或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。更大的一类控制命令可以在开环配置中执行，而无需确认或进一步调整。开环控制是足够的可预测的操作，如开门，启动电机，或关闭泵。

连续闭环控制

继续分析，很明显，所有闭环操作都是不一样的。对于连续过程，a反馈回路试图将过程变量(或受控变量)维持在称为设定值的期望值上。控制器从设定值中减去过程变量的最新测量值以产生误差信号。然后，误差信号的大小和持续时间决定了控制器输出或被操纵变量的值，这反过来又决定了执行器施加的纠正努力。

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。如果汽车行驶太慢，控制器会指示加速器向发动机提供更多的燃料。如果汽车行驶太快，控制器就会松开油门。汽车是过程，速度计是传感器，油门是执行器。

汽车的速度是过程变量。其他常见的过程变量包括温度、压力、流量和储罐液位。这些都是可以不断变化的量，可以在任何时候测量。操纵这种情况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，感兴趣的变量仅在触发事件发生时进行测量，并且对于每个事件通常只执行一次度量-决定-驱动序列。例如，驾驶汽车的人类控制器在每次旅行开始时用她的眼睛测量环境光线水平。如果她觉得太黑看不清，她就打开汽车的灯。在下一次触发事件(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太多的惯性。在打开车灯后，控制汽车的驾驶员会得到即时的结果，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工作的累积效果，并相应地计划今后的工作。在尝试另一个之前，等待每一个结果的时间太长了。

开环控制

开环控制器不要使用反馈本身。当有命令时，他们应用单一的控制努力，并假设期望的结果将得到实现。开环控制器可能仍然会测量其命令的结果:门真的开了吗?发动机真的启动了吗?泵真的关了吗?通常，这些动作是出于安全考虑，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工作。传感器可能无法产生反馈信号，或者操作员可能接管反馈操作，以便手动操作控制器的输出。

当反馈控制器被证明不能保持稳定时，通常需要操作员的干预闭环控制。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。如果控制器随后对其过度补偿进行过度补偿，则压力可能最终比之前低，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并手动重新获得控制。

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。利用他们对工艺过去行为的了解，操作员可以操纵现在的工艺输入，以实现以后所需的输出值。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。具有长期常数或过多死区时间的可预测过程特别适合开环手动控制。

开闭环控制相结合

开环控制的主要缺点是精度的损失。没有反馈，就不能保证应用于过程的控制工作实际会产生预期的效果。如果速度和精度都有要求，开环和闭环控制可以同时应用前馈策略。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那样。然后，它测量其开环努力的结果，并像传统的反馈控制器一样进行必要的额外修正。

当传感器可用来测量即将到来的干扰时，前馈特别有用。如果过程模型可以准确地预测其对过程的未来影响，控制器可以在干扰发生时采取先发制人的行动来抵消干扰。

例如，如果一辆装有巡航控制系统和雷达的汽车能看到一座小山的到来，它甚至可以在减速之前开始加速。在爬坡时，汽车可能不会以理想的速度结束，但即使是这种误差最终也可以通过巡航控制器的正常反馈控制算法消除。如果没有雷达提供的提前通知，巡航控制器将不会知道需要加速，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

许多自动控制系统采用开环和闭环并联控制。例如，考虑一家酿造啤酒并装瓶的啤酒厂。

现代啤酒厂的酿造壶依靠连续的闭环控制来保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使用离散闭环控制和开环控制来灌装和盖瓶。

冲泡壶内的状态由闭环控制器维持，该控制器使用反馈回路测量温度和压力，然后调整进入壶内的蒸汽流量和流量泵，以补偿超出规格的情况。开环控制也需要用于一次性操作，如启动和停止混合器电机或打开和关闭通往热交换器的蒸汽管道。

同时，用开环和离散闭环控制将成品啤酒装瓶。在开始灌装之前，一个接近传感器确定瓶子的存在，然后一个阀门打开来填充每个瓶子，直到液位传感器确定瓶子已经满了。

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回路。

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它们:

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 <>指定条件)
take_action (X)
测量(Y)
等待(Z)
重复

在前两种情况下，动作的时间通常意味着控制序列中的特定步骤已经达到。此时，开环控制器将简单地执行动作X并进入程序的下一步。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。一旦被激活，一个连续的闭环控制器总是准备好行动。它采取动作X，测量条件Y，等待Z秒，然后重复循环，除非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，例如完成先前的任务或更改某些执行/不执行决策标准。在连续情况下，通常在被测变量达到期望值时满足规定的条件。

万斯·范多伦，博士，体育博士控制工程贡献内容专家。打电话给他。controleng@msn.com。

关键概念:

• 有不同类型的控制回路，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

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