自动控制原理概述及开闭环实例分析
摘要
本文简单介绍了自动控制的基本原理和发展概况，并从开环控制和闭环控制两方面对自动控制原理进行了详细介绍。

列举了开环控制和闭环控制的几个实例，结合实例分析了开环控制和闭环的优缺点，并对两种控制方式进行了对比。

关键词：自动控制、基本原理、开环、闭环
1自动控制基本原理及发展概述
所谓的自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备(称为控制器)操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量），使其按预先设定的规律自动运行。

一般情况下自动控制理论的发展过程可以分为以下三个阶段：
1.1经典控制理论时期
时间为20世纪40-60年代，经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。

此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般不超过两个变量。

1.2现代控制理论时期
时间为20世纪60-70年代，这个时期由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。

经典控制理论中的高阶常微分方程可以转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。

1.3大系统理论、智能控制理论时期
时间为20世纪70年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。

“大系统理论”是用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术理论基础。

而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。

2自动控制系统分类
按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

2.1开环控制系统
开环控制系统是一种简单的控制系统，在控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响，如图1所示。

在该类控制系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于元件的精度和执行机构的调整精度。

输入量控制量输出量
控制器控制对象
图1 开环控制系统
2.2闭环控制系统
闭环控制系统指的是系统输出量对控制作用有直接影响的一类控制系统。

在闭环控制系统中，需要对系统输出不断地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进行比较，产生偏差信号，实现按差别控制。

因此闭环控制又称为反馈控制，其控制结构如图2所示。

3 开环与闭环控制实例及优缺点分析
3.1开环控制
以走道路灯的声光控制系统为例，研究开环控制系统的特性。

声光自动控制白炽灯开关的基本工作原理如下：白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。

当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。

电路是否接通，取决于声音信号强度。

当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。

这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成电路通断的自动开关控制。

其声控部分的参考框图如图3所示：
3.2闭环控制 以先进的汽车控制技术为例，研究汽车的纵向控制和横向控制。

3.2.1汽车的纵向控制
纵向控制是在行车速度方向上的控制，即车速以及本车与前后车或障碍物距离的自动控制。

巡航控制就是一种纵向控制。

这类控制问题可归结为对发动机输出和刹车的控制。

各种发动机模型、汽车运行模型和刹车过程模型与不同的控制器算法结合，构成了各种各样的纵向控制模式，典型结构如图4所示。

控制器 控制对象 偏差量 控制量 输出量 图2 闭环控制系统
反馈装置
输入量 刹车控制 刹车系统 车速 图4 纵向控制基本结构
发动机控制 发动机
传感器
车距 车 辆 控制器 设定目标 传动系 \灭 图3声控开环方框图 声—电传感器 走道灯 有\无声音 触点延时开关
汽车的纵向控制系统包括传动闭环控制和刹车闭环控制。

在传动闭环控制系统中，输入量为设定的车速；通过控制器，将输入量转换成控制量对发动机进行控制；通过调节节气门开度和发动机的转速，输出合适的车速；将输出的车速通过传感器反馈到控制器，与设定的车速进行比较，使输出车速按照输入车速进行变化。

刹车闭环控制的原理和传动闭环控制相似。

3.2.2汽车的横向控制
横向控制指垂直于运动方向上的控制，对于汽车也就是转向控制。

典型结构如图5所示。

汽车的横向控制系统是闭环控制，目标是控制汽车自动保持期望的行车路线，并在不同的车速、载荷、风阻、路况下有很好的乘坐舒适性，因此输入量为设定的行车路线；通过控制单元，将输入量转换成控制量对汽车的执行机构进行控制；输出量为偏移和偏移角；将偏移和偏移角通过姿态传感器反馈到控制单元，与输入量进行比较，使输出量按照输入量进行变化。

3.3开环与闭环控制优缺点分析
3.3.1开环与闭环控制系统的优缺点
开环控制系统的优点是结构简单，比较经济。

缺点是无法消除干扰所带来的误差。

同开环控制系统相比，闭环控制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。

但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。

3.3.2开环与闭环控制系统的优缺点比较
主要从三方面比较：
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。

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。

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。

偏移 图5 横向控制基本结构 控制单元 执行机构 姿态传感器
偏转角 车 辆 控制目标 转向系统 偏移 偏转角。