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开环控制VS.闭环控制

作者:Vance Vandoren2015.03.24阅读 5049

  控制工程工专业最精妙的工具之一就是反馈回路,一般来说它由5个基本要素构成:
  ■ 被控制的过程;
  ■ 装有可以测量过程状态的传感器仪器;
  ■ 将测量转换为电子信号的转换装置;
  ■ 控制器读取传感器的信号,并判断该进程的当前状态是否是可接受的;
  ■ 通过控制器的指令,一个执行机构作为最终控制元件用于纠错。
  在闭环控制系统中,信息是通过从过程机构到传感器到变送器到控制器到执行机构再回到过程这样反馈回路流动的。这种“测量-决策-执行”的往复过程,就是闭环控制,这一过程会不断重复,直到所需的工艺条件得以实现。较为熟悉的案例包括使用恒温器控制炉子,以保持一个房间里的温度,或者维持一辆汽车的巡航速度。


■ 基本控制回路是自动控制的重要组成部分,“测量-决策-执行”过程可以根据需求运转得足够快。

  但并不是所有的自动控制操作都需要反馈,更多的应用实际上是一个开环控制而不需要确认后序的调整是否符合要求。开环控制在满足可预见的操作需求时是足够的,比如打开一扇门,启动电机或者关闭一个泵。
  连续闭环控制
  当然,并不是所有的闭环操作都是一样的。对于连续过程来说,反馈回路试图保持一个过程变量(或控制变量)所需要的值,这个值被称为设定点。控制器减去由对过程变量最新测量值和设定点之间的差异,创建一个纠错信号。纠错信号的幅度和持续时间可以确定控制器的输出或控制变量的值(通过执行机构纠偏)。
  比如www.cechina.cn,一辆装有巡航控制器的汽车,通过速度测量保持汽车的速度。如果汽车行驶太慢,控制器指挥油门补给更多的燃料。如果车辆速度较快,控制器就会调低油门。汽车就像一个进程,速度表就是传感器,而油门就是执行机构。
  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、流速以及水箱水位。这些都是可以被随时监控的经常变化的数值。常见的执行结构包括加热元件、阀门和阻尼器。
  离散闭环控制
  对于离散过程,重点在于只有当触发事件发生时,变量才被测量的,而且“测量-决策-执行”这一过程每次事件通常只执行一次。例如,人只在每次驾车开始时通过眼睛来测量环境光线,如果她觉得太暗无法看清的话,就会打开车灯CONTROL ENGINEERING China版权所有,而不需要进一步的调整,直到下一个触发事件出现,比如驾车的结束。
  离散过程的反馈回路比连续控制回路简单很多,因为离散过程不涉及到惯性参数。司机控制汽车瞬间打开车灯就满足需求了,但定速巡航需则要控制汽车缓慢加速或减速。
  惯性往往使连续控制回路设计非常复杂,因为一个连续的控制器通常需要在先前的控制完全见效前做出一些列的决策。它会预测最近的纠偏措施的累积效应,从而计划未来的控制决策,如果要完全等到前一个操作的结果在决策的话会耗时过长。
  开环控制
  开环控制本身不需要反馈。只要命令下达,就会有一个控制动作,并被假设为这个控制动作会实现所需的结果。一个开环控制器也可能会对命令的结果进行测量:比如www.cechina.cn,门真的打开了吗?电机真的启动了吗?泵确定被关掉了吗?一般来说这些检查是出于安全方面的考虑,而非控制回路的一部分。
  在有些突发情况下闭环反馈控制器必须在开环下操作。传感器可能无法产生反馈信号或者操作员为了手动操作控制器的输出从而接管了反馈回路。
  当反馈控制器无法保持稳定的闭环控制时,通常就需要操作员来干预。例如,压力控制器可能对于一条线路压力下降进行了过补偿,如果控制器对于过补偿进行过补偿,那么最终的结果可能会低于之前的压力。终止这样不稳定的振荡最简单的方法是人为打破循环,手动重新获得控制权。
  在有许多工业应用中,有经验的操作员可以比反馈装置更快地纠错。通过他们对这些进程过去行为的了解,操作者可以通过操纵过程输入,以获得想要的输出值。另一方面来说,反馈控制器必须等到最新的控制结果可以被测量到才可以决定下一个合适的操作。手动开环操作是适用于长时间的恒定或失效情况下可预测的过程。


■ Two Brothers 酿酒公司的麦芽汁浸煮锅采用蒸气加热,通过闭环温度控制器
调节流量以保持最优的温度。

  开环和闭环控制相结合
  开环控制的主要缺点是精度比较低,没有反馈就不能保证施加到进程的控制措施能够达到预期效果。如果速度和准确度都是必须的,那么开环和闭环可以同时进行,并适当地加入前馈策略。前馈控制器使用的数学模型就类似一个有经验的操作人员。然后检测开环控制的结果,需要的话采用额外的纠偏措施CONTROL ENGINEERING China版权所有,如传统的反馈控制器。
  当传感器可用于测量即将发生的干扰,并在它影响到进程之前时,前馈测试是非常有效的。如果这种干扰对于进程的影响可以通过过程模型准确地预测,控制器可以采取先发制人的动作以消除可能产生的影响。
  例如,如果一辆配备巡航控制系统和雷达的汽车看到前面有一座小山,它甚至可以在速度变慢之前就加速。汽车并不会以最初期望的速度爬到山顶,但是这种偏差会被巡航控制器的反馈控制算法所忽略。没有雷达提供的预先通知,巡航控制器直到上山过程中控制工程网版权所有,速度放缓时才知道需要加速。


■ Two Brothers公司的瓶装生产线:每分钟可封装300个瓶子;控制器测量每个瓶子中灌装了多少啤酒,传感器检查每瓶的液位、标签位置是否正确,以及瓶盖是否被完全密封。

  开环和闭环控制并行
  许多自动控制系统同时并行使用开环和闭环控制策略。例如,啤酒厂的发酵和罐装工艺。现代啤酒厂的麦芽汁浸煮锅是依赖持续闭环控制来保持规定的温度和压力,从而将水和粮食转化为可发酵的麦芽浆。啤酒厂的装瓶线使用离散的闭环控制与开环控制为每一个瓶子进行罐装和封盖。
  麦芽汁浸煮锅内部的条件是由闭环控制器和反馈回路,通过测量温度和压力调整加热器和蒸气流和流泵来保证的。同时的,当通过开环和离散闭环控制完成了一批次的啤酒生产后。接近传感器可以确定瓶在封盖之前里面是否被充满,然后阀开始填满每个瓶子直到液位传感器检测瓶子已经满了。一般来说,连续闭环控制应用是需要几个辅助开环控制操作,而许多开环控制应用程序则不需要反馈回路。
        开环与闭环控制的区别
        连续闭环控制、离散闭环控制及开环控制之间的差异是微妙的。 以下用一小段代码来描述它们之间的不同:
        开环控制:
        IF (time_for_action = TRUE) THEN
        take_action(X)
        END
        离散闭环控制:
        IF (time_for_action = TRUE) THEN
        measure(Y)
        IF (Y = specified_condition) THEN
        take_action(X)
        END
        END
        连续闭环控制:
        WHILE (Y <> specified_condition)
        take_action(X)
        measure(Y)
        wait(Z)
        REPEAT
        前两种情况下,通常意味着一个特定的动作已经在控制序列中 被触发。一个开环控制器只会执行动作X 并等下一个动作。一个离 散的闭环控制器首先测量或观察条件Y 来确定是否需要执行动作X。 一旦被激活,连续闭环控制器将随时准备采取行动。它采取动作XCONTROL ENGINEERING China版权所有, 测量条件Y,等待Z 秒,然后重复循环,直到Y 达到既定的条件。 在离散情况下,既定的条件通常是一个离散事件,如一个预先假设 的任务是否完成或一些“执行”还是“非执行”的策略。在连续的 情况下,是否满足既定条件的标准是变量是否达到预期值。

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