控制系統(tǒng)從“開環(huán)”到“閉環(huán)”，究竟經(jīng)歷了什么？

記得上大學(xué)每當(dāng)上課時(shí)，就聽到老師在上面一頓嚷嚷“開環(huán)增益、閉環(huán)增益、開環(huán)傳函、閉環(huán)傳函……”老師在上面說的激情澎湃，下面大家聽的一臉茫然。

如今，每當(dāng)工作涉及控制系統(tǒng)時(shí)，都又會(huì)見到這些難分的詞語，相信有很多朋友也一定遇到過這樣的問題。今天，我們就一起來看看這些術(shù)語都是什么？控制系統(tǒng)如何從“開環(huán)”到“閉環(huán)”？

開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)是從控制系統(tǒng)里劃分出來的，而控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的目的是使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)，可以認(rèn)為控制系統(tǒng)就是人類想要達(dá)成某一目標(biāo)的工具。

例如，有一輛在公路上行駛的汽車，假設(shè)汽車的速度與加速踏板的位置成函數(shù)關(guān)系。那么駕駛員通過控制加速踏板的壓力便可以達(dá)到所希望的速度。此時(shí)，人和汽車便組成一個(gè)控制系統(tǒng)。

圖片來源：OFweek維科網(wǎng)

在弄清楚開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)前，我們還要弄清楚一個(gè)概念：反饋。

反饋指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過程。根據(jù)反饋對(duì)輸出產(chǎn)生影響的性質(zhì)，反饋可分為負(fù)反饋和正反饋。

負(fù)反饋：使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差減小。

正反饋：使輸出起到與輸入相似的作用，使系統(tǒng)偏差不斷增大。

反饋是區(qū)分開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)最重要的因素。

開環(huán)控制是指無反饋信息的系統(tǒng)控制方式，系統(tǒng)的輸入影響輸出而不受輸出影響的系統(tǒng)。

由于輸出不對(duì)輸入施加影響，因此開環(huán)系統(tǒng)不能對(duì)輸出偏差和擾動(dòng)做出反應(yīng)，只能對(duì)設(shè)定值做出規(guī)定的響應(yīng)。

當(dāng)操作者啟動(dòng)系統(tǒng)，使之進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，系統(tǒng)將操作者的指令一次性輸向受控對(duì)象，在這之后，操作者將不能對(duì)受控對(duì)象的變化而做進(jìn)一步的控制。因此，開環(huán)系統(tǒng)的初始設(shè)定值非常重要，一旦出錯(cuò)就要從頭再來。

例如，鐘表是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)樗旧聿粫?huì)在乎自己準(zhǔn)時(shí)與否，更不用說自行調(diào)節(jié)了。

類似的開環(huán)系統(tǒng)還有很多，比如當(dāng)我們夜晚睡覺前關(guān)燈時(shí)，在按下燈的開關(guān)的一瞬間，控制活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，燈有沒有亮已經(jīng)對(duì)著這個(gè)開關(guān)沒有意義了。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中很少存在開環(huán)系統(tǒng)，而在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型調(diào)試初期，設(shè)計(jì)者通?？梢詫⒎答伃h(huán)取消，使系統(tǒng)成為開環(huán)系統(tǒng)，從而簡化問題，易于調(diào)整。

閉環(huán)系統(tǒng)亦稱“反饋系統(tǒng)”，系統(tǒng)的輸入影響輸出的同時(shí)又受到輸出的直接或間接影響的系統(tǒng)。

在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中，反饋信息取自系統(tǒng)狀態(tài)，是作出決策的依據(jù)；通過決策控制改變系統(tǒng)狀態(tài)，而這個(gè)狀態(tài)又影響到未來的決策，這個(gè)作用過程是連續(xù)的、循環(huán)的。

比如說水龍頭的出水，當(dāng)我們需要用水時(shí)，首先要在大腦中有一個(gè)對(duì)水流大小的期望流量。水龍頭打開后，由眼睛觀察現(xiàn)有水流的流量大小，然后與期望值進(jìn)行比較，并不斷地用手進(jìn)行調(diào)解，從而形成了一個(gè)閉環(huán)控制。

在人類活動(dòng)的地方，各種社會(huì)群體、經(jīng)濟(jì)、管理等系統(tǒng)都是閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)是自然界一切生命過程和人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的基本模式。

從原理來看，“開環(huán)控制”與“閉環(huán)控制”的區(qū)別就在于控制系統(tǒng)中有無反饋環(huán)節(jié)。

反饋環(huán)節(jié)的存在與否，使得控制系統(tǒng)的特性和使用范圍千差萬別。

沒有反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測誤差，更不能校正誤差。其控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。

但其優(yōu)點(diǎn)也非常明顯，沒有檢測設(shè)備，組成結(jié)構(gòu)非常簡單，比較經(jīng)濟(jì)。

因此，開環(huán)系統(tǒng)一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些場合。

存在反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)能夠適時(shí)地檢測出控制的輸出結(jié)果，并將檢測到的信息通過反饋環(huán)節(jié)反映到輸入端，調(diào)整輸入量，使輸出量更為準(zhǔn)確。

但它缺乏開環(huán)控制的那種預(yù)防性。如在控制過程中造成不利的后果后，不利后果會(huì)持續(xù)擴(kuò)大。

基于各項(xiàng)特性，閉環(huán)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于對(duì)外界環(huán)境要求比較高、高精度場合。

圖片來源：OFweek維科網(wǎng)

通過上面的描述，我們很可能產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)覺，開環(huán)系統(tǒng)是簡單的、粗糙的，系統(tǒng)無法起到自動(dòng)控制效果，而閉環(huán)控制系統(tǒng)是復(fù)雜的、精確地，都屬于自動(dòng)控制。

這是一個(gè)完全錯(cuò)誤的觀念。

簡單的開環(huán)控制，設(shè)計(jì)恰當(dāng)，通常也是能夠達(dá)到理想的自動(dòng)控制效果。

比如：幾千年來，勞動(dòng)人民就是依靠這樣一種簡單的梯田結(jié)構(gòu)，解決了稻田的自動(dòng)灌溉問題。

山地梯田中的水位控制，只要山頭入水口的水流供給量保持在一定的范圍內(nèi)，無論蒸發(fā)量多或少，都能夠確保稻田中基本恒定的水位。

從控制設(shè)計(jì)的角度來看，梯田灌溉的水位控制沒有使用任何反饋調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，因此也屬于開環(huán)控制，但起到了自動(dòng)控制的作用。

反之，復(fù)雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動(dòng)控制。

汽車的駕駛就是個(gè)常見的例子：汽車沿著道路行駛，必須有人的操控，從控制的角度看，屬于人工控制。這時(shí)，我們將人與車看作為一個(gè)整體，一個(gè)系統(tǒng)。

駕駛員通過操控方向盤、油門、剎車等機(jī)構(gòu)控制車輛行駛的狀態(tài)；同時(shí)，駕駛員還要通過視覺、聽覺來掌握四周的信息，根據(jù)這些信息不斷修正自己的操作，使車輛在預(yù)定的道路上安全行駛。

在這個(gè)過程中，駕駛員通過視覺、聽覺獲取的信息就是反饋量，因此屬于閉環(huán)控制，但這個(gè)系統(tǒng)不屬于自動(dòng)控制。

通過以上的描述，我們認(rèn)識(shí)的“開環(huán)”到“閉環(huán)”，主要就是添加了反饋環(huán)節(jié)。有無反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)在特性上完全不同，在日后的學(xué)習(xí)和工作中，一定要慎重選擇“開環(huán)”還是“閉環(huán)”。