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

記得上大學每當上課時，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，每當工作涉及控制系統(tǒng)時，都又會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和功能的管理系統(tǒng)。

設計控制系統(tǒng)的目的是使被控制對象達到預定的理想狀態(tài)，可以認為控制系統(tǒng)就是人類想要達成某一目標的工具。

例如，有一輛在公路上行駛的汽車，假設汽車的速度與加速踏板的位置成函數(shù)關系。那么駕駛員通過控制加速踏板的壓力便可以達到所希望的速度。此時，人和汽車便組成一個控制系統(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，進而影響系統(tǒng)功能的過程。根據(jù)反饋對輸出產(chǎn)生影響的性質，反饋可分為負反饋和正反饋。

負反饋：使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

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，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。

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)。

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

當操作者啟動系統(tǒng)，使之進入運行狀態(tài)后，系統(tǒng)將操作者的指令一次性輸向受控對象，在這之后，操作者將不能對受控對象的變化而做進一步的控制。因此，開環(huán)系統(tǒng)的初始設定值非常重要，一旦出錯就要從頭再來。

例如，鐘表是一個開環(huán)系統(tǒng)，因為它本身不會在乎自己準時與否，更不用說自行調節(jié)了。

類似的開環(huán)系統(tǒng)還有很多，比如當我們夜晚睡覺前關燈時，在按下燈的開關的一瞬間，控制活動已經(jīng)結束，燈有沒有亮已經(jīng)對著這個開關沒有意義了。

在社會經(jīng)濟系統(tǒng)中很少存在開環(huán)系統(tǒng)，而在系統(tǒng)動力學模型調試初期，設計者通?？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又受到輸出的直接或間接影響的系統(tǒng)。

在一個閉環(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)，而這個狀態(tài)又影響到未來的決策，這個作用過程是連續(xù)的、循環(huán)的。

比如說水龍頭的出水，當我們需要用水時，首先要在大腦中有一個對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，然后與期望值進行比較，并不斷地用手進行調解，從而形成了一個閉環(huán)控制。

在人類活動的地方，各種社會群體、經(jīng)濟、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經(jīng)濟過程的基本模式。

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，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。

但其優(yōu)點也非常明顯，沒有檢測設備，組成結構非常簡單，比較經(jīng)濟。

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)能夠適時地檢測出控制的輸出結果，并將檢測到的信息通過反饋環(huán)節(jié)反映到輸入端，調整輸入量，使輸出量更為準確。

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

基于各項特性，閉環(huán)系統(tǒng)被廣泛應用于對外界環(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)生一個錯覺，開環(huán)系統(tǒng)是簡單的、粗糙的，系統(tǒng)無法起到自動控制效果，而閉環(huán)控制系統(tǒng)是復雜的、精確地，都屬于自動控制。

這是一個完全錯誤的觀念。

簡單的開環(huán)控制，設計恰當，通常也是能夠達到理想的自動控制效果。

比如：幾千年來，勞動人民就是依靠這樣一種簡單的梯田結構，解決了稻田的自動灌溉問題。

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。

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

反之，復雜的閉環(huán)控制也未必都屬于自動控制。

汽車的駕駛就是個常見的例子：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，我們將人與車看作為一個整體，一個系統(tǒng)。

駕駛員通過操控方向盤、油門、剎車等機構控制車輛行駛的狀態(tài)；同時，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，使車輛在預定的道路上安全行駛。

在這個過程中，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，但這個系統(tǒng)不屬于自動控制。

通過以上的描述，我們認識的“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，在日后的學習和工作中，一定要慎重選擇“開環(huán)”還是“閉環(huán)”。