关于控制系统中开闭环结构的教学及案例的思考

1、.关于控制系统中开闭环结构教学及案例的思考王振强在技术与设计2的控制与设计章节的教学内容中，开环控制系统与闭环控制系统是重要内容之一。而开环控制系统与闭环控制系统的判断又是其中的难点。如何判断一个控制系统是开环控制系统还是闭环控制系统，是控制与设计这一章节教学过程中一个极其重要的一块基础性内容，如果能让学生轻松掌握判断依据方法，并能结合生活中常见控制系统结构作出准确判断，不仅可以培养学生对控制系统的学习兴趣，更加有利于学生更的好学习控制系统第二节的内容：控制系统组成与分析。下面就从以下几个方面来来谈下如何判断一个控制系统是开环结构还是闭环结构。一、基于基本概念的理解首先看下必修教材对关于对开闭

2、环控制系统的定义说明：闭环控制系统：能将控制的结果反馈回来并与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用的系统，称之为闭环控制系统。开环控制系统：而不将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统称为开环的控制系统。在教学过程中，如果老师不对开闭结构的定义作出详细分析和说明，学生往往出现片面性理解问题。这是个很普遍的问题，往往更多老师简单说下定义后就举例说明。这种做法不是很好，对于学生来说理解能力是有限的，而且控制系统这章节教学不像前面结构的教学，因为结构知识学习学生有丰富的社会生活经验可以做依靠。例如一个板凳结构设计不稳定，学生即便没有学习过影响结构稳定性因素，判断问题也较容易。而控制系统是相

3、对陌生的一块内容，学生没有更多基础知识背景，所以在概念分析介绍的时候一定要详细深刻。举例说明例1：飞镖比赛中，选手投掷出飞镖击中靶心是一个控制过程，是开环控制系统还是闭环控制系统？例2：在体育课上练习立定投蓝投了若干次才投中。投篮过程是一个控制过程试分析该控制过程是开环控制系统还是单闭环控制系统这两个例子中，学生往往会把投篮和投掷飞镖当成一回事情来处理，会判断其是闭环控制系统。理由是投篮和投掷飞镖的控制过程中人的眼睛的作用就是反馈环节将信息反馈回来，这样形成了反馈环节，所以判断会有这样的一个误区：有反馈环节的就是闭环控制系统，没有反馈环节的就是开环控制系统。其实产生这种误区的主要是对概念的理解

4、不够清楚。分析闭环控制系统定义上：将控制结果反馈回来与希望值比较有误差存在，有还要作用于控制系统并影响控制结果。即：有反馈环节还要能够使控制系统调整控作用才是闭环控制系统。换句话说闭环控制系统一定有反馈环节，但是有反馈环节的不一定是闭环控制系统。所以如果概念清楚了，我们就可以判断出例1是有反馈环节但是没有影响控制结果不是闭环控制系统，而例2呢，因为投了若干次才投中，眼睛就是反馈环节将信息反馈回来，而且作用于控制系统并影响了控制的结果篮球投中，所以例2控制系统结构是闭环结构。例1、2中反应了，控制系统中反馈环节在判断开闭环结构上的问题。下面再举个例子看待下其它问题。例3：下图是自动抽水马桶图，自

5、动抽水马桶是一个控制系统，请问这个控制系统是开环控制结构还是闭环控制结构。分析其控制过程是： 当实际水位较低时，浮子在较低的位置通过杠杆打开进水阀门，随后的实际水位会上升。（请注意：这是由于实际水位较低，通过控制让随后的实际水位上升）当实际水位上升到一定高度时，浮子处在较高的位置，通过杠杆将进水阀门关闭，随后水箱的位置保持在一定的高度。（请注意：实际水位会保持在一定高度的结果是由于实际水位达到给定值的缘故）由此可见，闭环控制系统的判断：将控制的结果通过反馈环节反馈回来与期望值比较，所以控制结果和期望值必定是同一个量才给相互比较，比如此为期望水位和实际水位。也就是说反馈环节将控制的结果反馈回来与

6、期望值比较，再作用于控制系统从而改变控制的结果。简言之，就是“结果”控制“结果”的过程。因此可以这样理解：输入量与输出量不是同一种物理量就不可能是闭环控制过程。（当然要建立在输入量、输出量非常明确的基础上）只有原输出量影响随后的输出量的控制过程才是闭环控制过程。二、基于生活经验的理解对控制系统结构的判断，除了从定义上去理解判断以外，还要掌握一些生活常识，并与基本概念相结合起来才能够准确判断出一个控制过程是开环的结构还是闭环结构。下面通过几个例子来分析下：例4：请问自动路灯的控制系统（电路）能根据光线的明暗控制电灯的开关。自动路灯控制系统是闭环控制系统还是开环控制系统？分析其控制过程：根据学生生

7、活经验我们可以了解到：路灯根据环境光线（亮度）强弱自动开关的路灯控制系统，而不是不路灯的光线（亮度）自动开关路灯，有了这样一个生活经验我们可以了解到一个信息：路灯的开关指令信息是当一定条件（亮度差）下才发出的，影响控制结果。这个系统的输入量是环境的实际亮度与设定亮度之差，不妨把它叫做亮度差。如果亮度差大于0，即环境亮度大于设定亮度，路灯灭；反之，如果亮度差小于0，即环境亮度小于设定亮度，路灯亮。输入量与输出量一一对应，符合开环系统的特点。在这个系统中，系统的输出量没有被反馈，它不应该是闭环系统。系统的参考框图如下：以上的例子告诉我们：控制系统输入条件一定决定输出结果。同样的例子还有还有：电风扇

8、的定时控制系统、自动感应门、 声控的路灯、一般红绿灯控制系统。例5：电饭锅分有煮饭和保温两个控制过程，怎么样理解判断这两个控制过程是开环控制系统？还是闭环控制系统？在上课的时候提出这个问题，很多学生通常简单理解其工作过程为：给出“做饭”（设定温度）指令 进入加热状态判断是否达到设定度（有个检测装置当反馈结果反馈环节），没有达到，继续加热，如果达到，重新调整控制作用则进入保温状态，判断其控制系统为闭环结构。但是实际上，电饭锅的煮饭的工作过程并不是这样的。因为电饭锅是利用发热板，在铝质锅的底部煮饭。发热板内藏电热线，这电热线是由自动开关控制。发热板的中央有一圆孔，孔内有一感温软磁（居里点），它借着

9、弹簧向上顶贴着锅底。这是一种纯铁氧体。它在100或以下时，可以被永久磁铁吸引。但当升至103时，则失去磁性，不再受永久磁铁吸引，即断开加热。保温时，有个温度检测装置检测锅内温度，当温度下降到65以下时，保温开关又接通电路，温度上升到65时，电源又自动断开，如此交替通断达到保温的目的。简单说：电饭锅的煮饭过程是有磁性开关按钮按下，当锅内温度达到103度的时候然后跳到保温的控制过程上。这就是生活经验方面的问题，很多学生在思考这个问题的时候不是很清楚，所以这也反映了一部分学生对日常生活中的事物不是很了解。为了解决这个问题可以通过另外一个问题来解释：电饭锅煮开水会不会自动跳到保温状态？当然不会！因为水

10、沸腾是100度，不可能达到电饭锅磁性开关按钮消磁跳到保温的条件，所以不会跳，学生生活经验都知道这个问题，从而能了解这个电饭锅工作过程的大致情况，进而可以判断出其控制系统是为开环控制结构，保温控制系统是为闭环结构。结合以上两种判断控制系统结构的方法总结：如何判断一个控制系统是开环控制结构和闭环结构既要从概念的角度去理解也要从控制系统工作原理控制过程方面去考虑。 归纳一下开环与闭环控制系统各自的特点如下：1、在控制系统的组成部分中，有信息的反馈过程，并且系统本身能根据反馈信息对控制过程进行再调节的，就是闭环控制系统，否则是开环控制系统。2、也可以看信息通道的走向，如果信息是单向流动的，由输入来控制输出的单向控制就是开环控制系统。3、还可以根据被控量（系统输出量）是否能反作用于系统来判断。如果系统输出量能反过来影响系统的控制过程（或者输出量反馈回输入端参与控制的控制系统是闭环控制系统）；系统输出量不能再影响控制过程的控制是开环控制系统。简言之：开环控制的特点：1、它是单向的控制过程； 2、输入量与输出量往往是不同性质的量。闭环控制的特点：1、有反馈； 2、会调整； 3、被控量会被控制在一定的值结果稳定