闭环控制

控制论的一个基本概念
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闭环控制是指控制论的一个基本概念。指作为被控的输出量以一定方式返回到作为控制的输入端,并对输入端施加控制影响的一种控制关系。带有反馈信息的系统控制方式。
当操作者启动系统后,通过系统运行将控制信息输向受控对象,并将受控对象的状态信息反馈到输入中,以修正操作过程,使系统的输出符合预期要求。
闭环控制是一种比较灵活、工作绩效较高的控制方式,工业生产中的多数控制方式采用闭环控制的设计。 [1]
中文名
闭环控制
外文名
closed-loop control
所属类别
控制论
定    义
输出端反馈输入端,参与再控制
实现方式
反馈
基本形式
正反馈与负反馈
开闭环区别
有无反馈;是否对当前控制作用

闭环控制简介

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闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式,它是在测量出实际与计划发生偏差时,按定额或标准来进行纠正的。闭环控制,从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量,一般这个取出量和输入量相位相反,所以叫负反馈控制,自动控制通常是闭环控制。比如家用空调温度的控制。

原理

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闭环控制
当受控客体受干扰的影响,其实现状态与期望状态出现偏差时,控制主体将根据这种偏差发出新的指令,以纠正偏差,抵消干扰的作用。在闭环控制中,由于控制主体能根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差,所以有较强的抗干扰能力,能进行有效的控制,从而保证预定目标的实现。管理中所实行的控制大多是闭环控制,所用的控制原理主要是反馈原理。这种控制如果我们把输入值用x表示,输出值用y表示,客体的功能用s表示,控制系统也即反馈系统的作用用R表示,偏差信息用△x表示,
则有:y=S(X+△X)=S(X+Ry)=SX+SRy
式中R称反馈因子或控制参数,它反映闭环控制系统的反馈功能或控制功能。

应用

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发动机电喷系统的闭环控制是一个实时的氧传感器、计算机和燃油量控制装置三者之间闭合的三角关系。氧传感器“告诉”计算机混合气空燃比情况,计算机发出命令给燃油量控制装置,向理论值的方向调整空燃比(14.7:1)。这一调整经常会超过一点理论值,氧传感器察觉出来,并报告计算机,计算机再发出命令调回到14.7:1。因为每一个调整的循环都很快,所以空燃比不会偏离14.7:1,一旦运行,这种闭环调整就连续不断。采用闭环控制的电喷发动机,由于能使发动机始终在较理想的工况下运行(空燃比偏离理论值不会太多),从而能保证汽车不仅具有较好的动力性能,还能省油。

基本表现形式

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闭环控制在各种控制实例中有具体的表现方式:
正反馈与负反馈是闭环控制常见的两种基本形式。其中负反馈与正反馈从达到目的的角度讲具有相同的意义。从反馈实现具体方式来看,正反馈与负反馈属于代数或者算术意义上的“加减”反馈方式,即输出量回馈至输入端后,和输入量进行加减的统一性整合后,作为新控制输出,去进一步控制输出量。实际上,输出量对输入量回馈远不止这些方式。这表现为:运算上,不仅仅是加减运算,还包括了更广域的数学运算;回馈方式上,输出量对输入量回馈,也不一定采取和输入量进行综合运算形成统一的控制输出,输出量能通过控制链直接施控于输入量等等。

评价

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在闭环控制系统里,即使有干扰,也能通过自己的调节保持原来的状态。实施闭环控制的抗干扰能力来自于反馈作用。因为在组织形式上增设了一个反馈机构,能把造成偏离目标的原因以及一贯干扰的因素及时地反馈给控制者,使决策控制层作出正确的决策,随时修正目标。
闭环控制的优点是充分发挥了反馈的重要作用,排除了难以预料或不确定的因素,使校正行动更准确,更有力。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才采取纠正措施

控制扩展

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开环控制没有反馈环节,系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统,开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作,没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响,没有自动修正或补偿的能力。
闭环控制有反馈环节,通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。
半闭环控制系统是在开环控制系统伺服机构中装有角位移检测装置,通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移,然后反馈到数控装置比较器中,与输入原指令位移值进行比较,用比较后的差值进行控制,使移动部件补充位移,直到差值消除为止的控制系统。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构,为大多数中小型数控机床所采用。

对照

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开环控制系统:不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统
举例:打开灯的开关——按下开关后的一瞬间,控制活动已经结束,灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响;投篮——篮球出手后就无法再继续对其控制,无论球进与否,球出手的一瞬间控制活动即结束。
闭环控制系统:可以将控制的结果反馈回来与希望值比较,并根据它们的误差调整控制作用的系统
举例:调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量,水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较,并不断的用手进行调节形成一个反馈闭环控制;骑自行车——同理,不断的修正行进的方向与速度形成闭环控制。
开环闭环的区别:1、有无反馈;2、是否对当前控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动,闭环控制一定会持续一定的时间,可以借此判断。
投篮第一次投篮投近了第二次投的时候用力一些,这也是一种反馈但不会对第一次产生影响了,所以是开环控制。

相关书籍

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《自动控制理论》、《现代控制理论》、《数控技术》等。