开环控制系统及其应用

我们已经提到过，开环控制指的是信息流不形成闭环的控制结构。用户决定控制器中的参数，控制器也对被控过程产生和应用控制信号。在存在外部干扰的情况下，被控过程动态地变化，最后由用户估计其结果。

在这种情况下，我们仍然有一个闭环，因为操作员将环闭上了，但是没有基于机器的信息环。

开环情况可以被分为：

（1）顺序控制

假设一个洗衣机或者是汽车清洗系统，或是一个简单的CD播放机：

1）这些装置很好理解，其元件、操作和所有的选择都很清晰明了。

2）被控过程是预先可以知晓的。所有的事情之前都已经做好，所有正常的和异常的事件都可以被分类。

3）我们不会真正地期待扰动的发生，但是被控过程可以被工程师设计的安全可靠。

4）对性能的要求不十分苛刻。

有很多类似的应用，像汽车引擎的起动，房屋中利用空调取暖以及摄像机的操作。在这些案例中，自动装置提供合适的语言以应对这类系统的分析和设计，如图8-5所示。自动装置可以进行编程，然后随着事件的展开执行一系列的任务。它们可能是基于事件的（在这种情形下，可能也会用到一些反馈，但在事件和时间之间是开环），或者简单地基于时间，在这种情形下，这类系统是开环的，并且即将发生的事件是完全未知的。

（2）开环控制

开环意味着不考虑被控对象的输出响应来控制可操作变量，所以没有信息闭环。

这在大多数的主/从系统中时常发生。主系统产生控制行为（很可能用一种复杂的方式），从系统实现传递命令。钥匙复制器就是机械的主从系统：“传感器”扫描了原始钥匙的轮廓，切削刀跟踪此信号，复制了新的钥匙。或许我们都有过这样的经验：不会所有配的钥匙都好使，如果是因为机器的切割过浅，通过剖光可以解决这个问题。但是如果是因为切割过于多了，就没办法弥补了。

大多数的主从应用都和远程操作比较相似。如果应用在手术上，病人就会有危险。如果应用在火星取样岩石上，那么大量的投资、精力和时间将会有很大的风险。

图8-5 顺序控制

基于计算机的开环控制系统与顺序控制器相似，程序一般都会优先被计算，储存在控制器内，稍后被应用。人类的缺点是不能及时的反馈。如果实际系统的响应和预期的不同，它就会与计算控制指令的模型产生偏离。如果在计算时没有被考虑扰动在内，那么实际系统的响应将不会和期望匹配。

另一方面，如果产生控制指令的运行条件是十分精确的，那么系统将会无错误地运行。控制器不需要误差而产生信号，在反馈控制中也是如此。整个系统更加易于实现。大多数的机器人都在开环的状态进行操作。

（3）前馈

控制信号是基于从其他系统的信号源采集的信号来实时在线产生的。前馈控制是一个开环控制结构，其控制输出是基于对扰动和参考信号的测量进行计算得到的，如图8-6所示。

让我们再次讨论锅炉系统中水箱的水位控制。用户打开一个阀门得到更多的蒸汽，不需要等到水位下降才采取动作。我们知道蒸汽的消耗需要更多的水，因此增多的蒸汽需要控制器打开进水阀（或者增大锅炉的热量输出）。

有时像多变量的系统，对其中一个控制系统的扰动实际上是由另一个子系统产生的，该子系统控制与其他子系统有交互关系的变量。如果我们想要尝试同时控制水位和水温，水温的增加需要锅炉输出热量的增加。这将改变水/蒸汽、压力和水位的平衡。这种交互必须要被考虑在内，以降低进水阀门不恰当的动作。这些想法如图8-7所示。

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图8-6 前馈控制

图8-7 液位的前馈控制

相似地，当跟踪参考信号时，我们能够预先知道参考信号，所以可以通过先前的知识确定系统的响应与参考信号相吻合。采用这个策略去驱动汽车，向前方行驶而不是向后视镜看，如果是用反馈的原理驾驶车辆，就等同于只参考后视镜和其他设备中得到的信息来驾驶。

一般前馈和反馈同时使用，必须监控报警，以修正目标的实现。

（4）质量控制

质量控制是开环控制系统的一类特例。在制造工业中非常常见，这种方法主要是在整个过程完成之后进行测量、估计和改正。

例如，在第3章曾经描述的陶瓷制造过程质量控制。该过程包括：

●测量瓷瓦的特性（尺寸、缺陷、外观等）；

●按照之前定义的标准对瓷瓦进行分类；

●对数据进行统计与分析，总结出对未来操作的建议，可能改变过程变量或在控制子系统中采用新的设定值；

●向管理员报告以上发现。

一般情况下，这些行为都是在离线的情况下进行的，其反应时间也都比制造产品的时间长。

为了从质量控制中获取更多，我们可以快速地跟踪一些关键特征以接近实时反馈。可以基于部分测量结果，采用启发式或基于规则的方法。在这种情况下，纠正工作可以在很短的时间内实施。如果因为提高质量或者产量存在丰富的经济回报，对生产线进行质量改进的投资是值得的。开环控制：

在开环控制中，信息只向着一个方向流动，如果不采用反馈，那么在以下的条件下，开环系统也可以稳定地工作：

●具有良好特性的被控过程；

●扰动可以忽略不计，或者扰动可测且可控；

●对性能指标的要求不是十分的严苛；

●但当存在以下情况时，开环控制是不适合的；

●被控过程行为存在不确定性；

●存在未知和不可测的扰动。

整个系统的动态行为可以由子系统的动态行为推导得到。