闭环过程自动控制系统简介

自动控制技术几乎渗透到国民经济的各个应用领域及社会生活的各个方面，如在工农业生产、交通运输、航空航天、家用电器等许多领域获得了越来越广泛的应用。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、流量、液位、或压力等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于开、闭环控制的自动控制技术。

系统的输出量对系统的控制作用不产生任何影响，即系统的输出端与输入端之间不存在反馈，这种系统称开环控制系统。

把输出量直接或间接地反馈到输入端构成闭环，实现自动控制的系统称为闭环控制系统。它是指由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。

闭环过程自动控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。

反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称自为动调节系统，而把用来精确地跟随或实现某种过程的反馈控制系统称伺为服系统或随动系统。

反馈控制系统由控制器、被控对象和反馈通路组成（图1）。图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子；输温入度变量为给定常值温度，一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。

闭环过程自动控制系统的结构组成如图1所示。

（1）控制器：是指在自动控制系统中为了保持输出量的恒定所采用的控制方法。例如：家电系列产品中最多用到的开关控制方法，但在许多工业自动化控制系统中采用的还有比例积分微分控制方法，前者是断续控制，也叫两点调节器或位式调节器，后者是随时间连续的调节方法，它可以用数学公式表达它们的输入和输出关系，通过电阻、电容和运算放大器等元件模拟它们的数学关系以达到控制的更好效果。

（2）被控对象：它指的是加热器、电机、水泵和阀门等，包括与它们配合使用的设备、仪器、装置等，还包括与之匹配的功率转换电路，不同的被控设备需要不同的功率转换。

（3）反馈环节：也叫测量变送。不同的被控量需要不同的传感器，相同的是经过传感器后需要对应转换出与输入量相同的关系量，例如电压量、电流量。

（4）给定值：即输入量，也叫目标值、设定值或理想值。例如用0V~10V表示0度~100度，当输入量是5V时就表示希望输出量要恒定在50度，也可以用0V~10V表示0~10000转/分钟，等等。有些设备也用0mA~10mA或4mA~20mA作为设定目标值。在智能化的设备仪器中很多直接用数字设定目标值。

（5）偏差量△U：它是输入量与反馈量相减。当偏差量为正偏差时说明输出量还没有达到目标值，反之表示输出量超过了目标值。控制器就是根据偏差量计算出控制量决定下一步的控制量大小，以调节输出量达到目标值或保持输出量的恒定。

（6）控制量Uk：它是控制器经过运算之后输出的量。一般这个量为0V~10V，所以它不能直接去驱动被控装置，需要功率转换。也有输出0mA~10mA或4mA~20mA，它可以直接提供给电流输入型的电动阀门。

（7）输出量Uo：也叫被控制量、测量值或实际值。不同的系统有不同的被控量，例如：温度、转速、压力、流量和水位等。

（8）反馈量Uf：是通过传感器测量后转换给输入端的量。例如将0度~100度通过温度传感器和与其对应的电路转换成0V~10V。

（9）干扰量Z：它是随机的外来作用，会对系统有不良影响的影响 。

（1）开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。而闭环控制系统不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。

（2）开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。闭环系统具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

（3）开环控制系统的稳定性比较容易解决。闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。

主要从三方面比较：

（1）工作原理：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差， 而且对系统参数的变动很敏感。 因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。 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。因此，一般广泛应用于对外界环境要求比较高、高精度场合。

（2）结构组成：开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。闭环系统具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

（3）稳定性：开环控制系统的稳定性比较容易解决。闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。2100433B

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在模拟电路学中，对于放大电路，所谓闭环是指存在反馈回路。比如笔记本的电源适配器，它对输出电压（以DC19V居多）进行了侦测反馈至前端并以此作为调节电压，使其输出恒定电压。

闭环与开环的主要区别在于，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。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，适用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。

闭环控制是应用输出与输入信号之差来作用于控制器，进而来减少系统误差。而开环系统则没有这个功能。当系统的输入量已知，并且不存在任何干扰时，采用开环系统是完全能够达到稳定化的生产的，此时并不需要闭环控制。但是这个情况几乎无法实现。当存在着无法预知的干扰或系统中元件参数存在着无法预计的变化时，闭环系统才能充分发挥作用。