如何判断开环控制系统与闭环控制系统(给学生用).doc

如何判断开环控制系统与闭环控制系统

误区：自动的控制系统是闭环控制系统；
有检测装置就是闭环控制系统（由于检测装置未必将检测到的信号信号反馈回输入端进行比较）；

基本概念：开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制；
闭环控制系统是输出量通过检测装置反馈回输入端参与控制的控制系统；
下图是一个典型的闭环控制系统——水箱水位的闭环控制系统
进水阀门
浮子
水箱
杆杠
实际水位
给定水位
注入水流量

控制方框图：

其控制过程是：
当实际水位较低时，浮子在较低的位置通过杠杆打开进水阀门，随后的实际水位会上升。（请注意：这是由于实际水位较低，通过控制让随后的实际水位上升）当实际水位上升到一定高度时，浮子处在较高的位置，通过杠杆将进水阀门关闭，随后水箱的位置保持在一定的高度。（请注意：实际水位会保持在一定高度的结果是由于实际水位达成给定值的缘故）

由此可见，闭环控制系统的带有反馈的控制过程事实上就是“结果”控制“结果”的过程。
因此，只有原输出量影响随后的输出量的控制过程才是闭环控制过程。

设计一种自动伸缩的晾衣架：

当感应器检测到有雨，把信号传给开关电路，命令开关接通电路，电动机通电而转动，带动衣架收回。当感应器检测到有阳光，命令开关倒接电路，从而电动机倒转，带动衣架伸出。请问此例是开环控制系统还是闭环控制系统？

先分析有雨收回的过程。其被控对象是衣架，输出量是收回衣架，衣架之所以收回不是由于衣架的收缩或伸出而收回，而是有雨才收回的，因此是雨对衣架的单向控制。所以它是开环的控制系统。有人就会疑问：它尚有检测到阳光而伸出的反向控制过程，这两个合在一起应当是闭环的？没有疑问，还是开环的。由于，阳光控制它伸出是阳光对衣架伸出进行的单向控制，跟雨控制衣架收回是同样的道理。没有检测本来的衣架位置，而对随后的衣架位置产生影响的反馈控制过程。

转动（倒转）
方框图：
晾衣架
电动机
感应开关

雨（阳光）
收回（伸出）

另，提供一条经验：输入量与输出量不是同一种物理量就不也许是闭环控制过程(为什么?)。

我们现在来看看，压力锅烧开水的过程：

通过仔细观测发现：通过约十分钟时间的加热，高压锅开始了第一次喷汽，随后停止喷汽，约十秒以后开始第二次喷汽，随后又停止喷汽，约五秒后开始第三次喷汽，随后又停止喷汽，约两秒后开始第四次喷汽，接着就不间断地平稳喷汽。此时锅内的气压可以这样计算：F锅=F物，由于S相等，所以
P锅= P物 =
其中mg是锅盖上压力阀的重力，s是出汽口的横截面积，也就是说平稳喷汽时锅内的气压与压力阀的重力产生的气压平衡了，即此时锅内气压就会被控制在一定值。
问：这种压力锅的压力控制系统是开环的控制系统还是闭环的控制系统？
先分析其控制过程，当实际气压较低时，出汽口被封闭，随后实际气压会升高，当实际气压升高一定值时，水蒸气会冲开压力阀门，即喷汽，以之减小锅内气压，几次调整后，锅内气压会保持在一定值。因此，它是以之前的实际气压来控制随后的实际气压，以达成限制锅内气压的目的。所以它的压力控制系统是闭环控制系统。
喷汽
方框图：
给定一定气压
实际气压

压力锅
压力阀门
控制器

检测装置

另：压力锅由间歇性喷汽到稳定的喷汽过程事实上就是闭环控制系统自动调整而稳定的过程。

总之，开环控制的特点：1、它是单向的控制过程；
2、输入量与输出量往往是不同性质的量。
闭环控制的特点：1、有反馈；
2、会调整；
3、被控量会被控制在一定的值——结果稳定；
4、“结果”会影响“结果”；
5、给定量与被控量是可比较的同一种性质的量。
分析环节：
一、 先弄清楚控制过程（过程也就是我们要教给学生的）；
二、 再根据开环或闭环的特点进行判断。
闭环控制系统方框图实例
控制器
执行器
被控对象
被控量
（输出量）

给定量
（输入量）

检测装置
控制量
比较器

1、投篮
控制器
（大脑）
执行器
（手）
被控对象
（篮球）
被控量
（篮球位置）

给定量
（篮圈位置）

检测装置
（眼睛）
控制量
（投掷力）
比较器

2、供水水箱的水位自动控制系统
控制器
（机械或电气控制装置）
执行器
（阀门）
被控对象
（水箱）
被控量
（水箱水位）

给定量
（设定的水位高度）

检测装置
（浮球或液位传感）器）
控制量
（进水量）
比较器

控制器
（电子或微机控制装置）
执行器
（加热器）
被控对象
（加热炉）
被控量
（炉内温度）

给定量
（设定的温度）

检测装置
（热电偶）
控制量
（电压）
比较器
3、加热炉的温度自动控制系统

给定量
（设定的温度）

控制器
（温控装置）
执行器
（电热盘）
被控对象
（电饭锅）
被控量
（电饭锅温度70—80℃）

）

检测装置
（双金属片）
控制量
（加热时间）
比较器
4、家用电饭锅保温控制系统

控制器
（控制装置）
执行器
（制冷装置）
被控对象
（电冰箱）
被控量
（冰箱实际温度）

给定量
（设定的温度）

检测装置
（冰箱温控装置）
控制量
（制冷量）
比较器
5、家用电冰箱温度控制系统

给定量
（设定的温度）

控制器
（温控装置）
执行器
（加热器）
被控对象
（水壶）
被控量
（水温）

检测装置
（测温装置）
控制量
（加热时间）
比较器
6、自动保温电热水壶控制系统

开环控制系统方框图实例
输入量
（给定量）
控制器

执行器

被控对象

输出量
（被控量）
控制量

输入量
（接通电源）
控制器
（控制电路）
执行器
（水泵）
被控对象
（水管）
输出量
（水管排出水）
控制量
（水流量）
1、水泵抽水控制系统

输入量
（天亮或暗）
控制器
（光的检测装置）
执行器
（电动机）
被控对象
（窗帘）
输出量
（窗帘开或闭）
控制量
（转动）
2、家用窗帘自动控制系统

输入量
（人热辐射发出的信号）
控制器
（控制电路）
执行器
（电动机）
被控对象
（自动门）
输出量
（门开或闭）
控制量
（转动）

3、宾馆自动门控制系统

输入量
（有无声音）
控制器
（声电传感器）
执行器
（触点延时开关）
被控对象
（楼道灯）
输出量
（灯亮或灭）
控制量
（电流）
4、楼道自动声控灯装置

输入量
（设定亮、灭时序）
控制器
（电脑）
执行器
（时序控制装置）
被控对象
（红绿灯）
输出量
（灯亮、灭时序）
控制量
（电流）
5、十字路口的红绿灯定期控制系统

输入量
（音乐信号）
控制器
（声控装置）
执行器
（阀门）
被控对象
（喷嘴）
输出量
（喷水与否）
控制量
（开、关）

6、公园音乐喷泉自动控制系统

输入量
（定期时间）
控制器
（定期装置）
执行器
（电动机）
被控对象
（滑轮、国旗）
输出量
（升旗速度）
控制量
（转动）
7、自动升旗控制系统

输入量
（烟雾信号）
控制器
（感烟控制装置）
执行器
（报警电路）
被控对象
（报警部件）
输出量
（报警信号）
控制量
（电流）
8、宾馆火灾自动报警系统

输入量
（开、关）
控制器
（控制电路）
执行器
（执行活塞）
被控对象
（车门）
输出量
（车门的开或关）
控制量
（压缩空气流向）
9、公共汽车车门开关控制系统

10、可调光控制量
（电流大小）
输出量
（灯泡亮度）
被控对象
（灯泡）
执行器
（可变电阻）
控制器
（控制电路）
输入量
（设定的档位）
台灯控制系统