1.1 开环系统或非反馈系统

在本教程中，我们将学习控制系统中一个重要的概念——开环系统。我们将探讨系统和控制系统的基础知识，什么是开环系统，它的优缺点是什么，以及一些开环系统的例子。

什么是系统？

系统被定义为一组相互连接的模块（或组件或对象），它们共同执行一个过程（或实现某个目标）。系统的另一个简单定义是：它是一组按顺序连接的组件（或元素），用于完成特定功能（或任务）。

系统并非仅指物理实体。它也可以是一个抽象的概念、一种现象，或者是我们经常在数学和经济领域中使用的概念。但物理系统是由物理对象连接在一起以实现某种功能的。

以电动机为例。它是一个物理系统，包含转子、定子、机壳、布线等组件。它以电能作为输入，并输出机械能。

基于这个例子，我们可以重新定义系统的概念：系统是边界内的组件排列，它们通过接受输入（或多个输入）并提供输出来协同工作。

什么是控制系统？

控制系统是一个系统，其输出通过调整输入来控制。控制系统的另一个定义是：它是一组子系统和过程的组合，它们协同工作，以特定的输入获得期望的输出和性能。

通过一个例子可以很容易地理解控制系统的定义。我们将要讨论的控制系统是电梯。

想象一下，你进入电梯并按下数字“4”（因为你想去四楼）。电梯控制系统接收这个输入，并相应地操作电机和门（输出）。电机运行的时间取决于按下的键，即它会根据按下的键而变化。

还有两个关于控制系统的定义可能也很有趣。控制系统是一组相互连接的设备，每个设备都有自己的输入和输出，并通过连接其输出来控制下一个系统。

控制系统也可以定义为一组用于控制或调节其他系统功能的设备。例如，在重工业中，我们使用生产控制系统来控制生产机械。

控制系统有多种分类方式。一些流行的控制系统分类如下：

• 开环系统和闭环系统——基于反馈信号
• 线性和非线性系统——基于它们的微分方程
• 连续系统和离散系统——基于系统中的信号类型
• 时变系统和时不变系统——基于它们的时间依赖性

在这里，我们感兴趣的是基于反馈的控制系统，即开环系统和闭环系统，特别是开环系统，这是本教程的主要主题。

有时，为了实现系统的稳定性和一致性，并产生期望的输出，控制系统可能会使用反馈。反馈不过是输出信号的一部分被反馈到输入。反馈是控制系统中一个重要且经常使用的概念。

连接到系统输入的反馈使系统能够调整其参数以获得期望的输出响应。

基于反馈连接，即是否使用反馈，控制系统被分为两种类型：

• 开环控制系统
• 闭环控制系统

开环系统

没有反馈连接的控制系统称为开环系统。这类系统不依赖于其输出，即在开环系统中，输出不作为系统的控制变量，对输入没有影响。

开环系统是单向信号流系统。由于这些系统不包含任何反馈，即输出没有反馈到输入，因此它们也被称为无反馈系统。

下图展示了一个开环系统的简单框图。

在开环系统中，可以通过改变输入来调整/改变输出，但输出对输入没有影响。开环系统的输出只能由其当前状态的输入决定。如果输出因某些外部噪声/干扰而受到影响，开环系统无法纠正它。

此外，开环系统没有纠正过渡误差的机会，因此更容易出现错误。

开环系统的应用

我们在日常生活的许多应用中都使用开环控制系统。以下是一些基于开环控制概念设计的流行系统：

• 洗衣机
• 电灯泡
• 电动干手器
• 定时面包烤箱
• 自动水龙头
• 电视遥控器
• 电动干衣机
• 窗户上的窗帘或百叶窗
• 步进电机或伺服电机
• 喷墨打印机
• 门锁系统
• 交通控制系统

开环系统的实时例子

以下是一些开环系统的实时例子。

电动干衣机

我们根据要烘干的衣物数量来操作干衣机。我们在系统中设置一个计时器来完成这个操作，假设为20分钟。由于这是一台自动开环系统，机器会在20分钟后自动停止工作，不管衣物的性质如何，无论它们是干的还是潮湿的。

干衣机是一个开环系统，因为它在停止工作之前不会考虑衣物的状况。用户可以根据自己的需求通过设置计时器控制来调整系统的运行时间。观察下面的开环控制系统框图，电动干衣机。

在这里，电动干衣机系统有三个模块：计时器、加热元件和衣物。首先，用户在计时器中设置烘干衣物的时间。然后计时器控制与加热元件协同工作，产生热量并烘干衣物。

由于系统没有关于衣物湿度的反馈，系统会在预设时间后停止工作，并且不会考虑衣物的状态。即使衣物已经干了，系统也会在分配的时间后关闭。

由于系统没有反馈，这也被称为“无反馈系统”，其中系统的输出仅依赖于输入信号，没有根据输出对输入信号进行控制。

开环控制系统的输出不会与系统的输入进行比较以检查输出中的错误。无反馈信号的输出“忠实”地依赖于其输入，并且不依赖于系统外部的任何其他情况或参数。

当系统的预设值偏离时，这些系统可能会受到输出大幅偏差的影响。由于开环系统对输出一无所知，因此无法自行纠正错误。这是开环控制系统的一个主要缺点。

另一个缺点是这些系统无法处理外部干扰，并且对外部系统参数变化的适应能力非常差。

因此，我们得出一个结论，开环系统中出现的错误会干扰烘干过程，为了保持稳定性，这些系统需要用户定期（持续）的关注。

这意味着用户需要频繁检查衣物的烘干过程和温度，并在机器偏离所需的条件时进行控制。

交通控制系统

大多数自动交通控制系统是基于时间的开环控制系统，即每个信号都被分配了一个特定的时间段，在此期间它运行，不管交通流量如何。

洗衣机

我们在日常生活中使用的另一个开环控制系统的例子是洗衣机。浸泡、洗涤、漂洗和干燥的操作是基于时间的，不依赖于衣物的清洁程度或衣物是否已经干燥。

电灯泡

众所周知，当电流通过电灯泡时，它会产生光。当主电源可用时，通过打开灯泡，我们可以使其工作。这个过程不依赖于灯泡的温度或其他参数。

电动干手器

干手器依靠电力工作，当我们将手放在它前面时，它会自动通过吹热风来烘干我们的手，不管我们的手已经干了多少。

面包烤箱

面包烤箱是开环控制系统的另一个简单例子，因为该机器根据预设的时间运行，不管面包是否已经烤好。

开环控制系统的优点

开环控制系统的主要优点如下：

• 开环控制系统非常简单，设计起来也很容易。
• 它们比其他类型的控制系统要便宜得多。
• 开环控制系统的维护非常简单。
• 一般来说，开环系统在一定程度上是稳定的。
• 这种类型的系统易于构建，使用起来也很方便。

开环控制系统的缺点

开环系统的缺点如下：

• 开环控制系统的带宽较小。
• 无反馈系统不便于自动化过程。
• 开环系统本质上不准确且不可靠。
• 如果它们的输出受到某些外部干扰的影响，由于它们是无反馈系统，因此无法自动纠正。