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闭环控制系统分析
作者：刘琼发&&&&转贴自：远程教育平台&&&&点击数：3450
闭环控制系统分析
刘琼发（华南师范大学，教授）
一. 开环和闭环控制系统的定义分析
二. 开环和闭环控制系统的区别及判断方法
三. 闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系
四. 闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结
五. 开闭环, 自动和手动控制系统的总结
问题研讨 1:
1. 人开电灯的控制方式
(1) 问提研讨: 人打开电灯开关后, 不看电灯是否亮不亮, 这是一种什么控制 ?
(2) 人打开电灯开关后, 要看电灯是否亮不亮, 如不亮, 要多次开关电灯, 甚至检修开关, 直到开亮为止, 这是一种什么控制 ?
2. 人开汽车
(1) 人手握方向盘开汽车是什么控制方式 ?
(2) 人两手离开方向盘去发手机短信, 有拐弯时, 或有情况时手再扶方向盘, 这种开汽车方式是什么控制方式 ?
问提研讨 2:
(1) 自动控制系统是否一定是闭环控制 ?
举例说明之
(2) 按照控制的总定义, 是否有人参加的控制
系统一定是闭环控制系统 ?
(3) 开环控制系统一定没有检测, 反馈回路吗 ?
(4) 水箱 ( 游泳池 ) 水位自动控制系统中, 被控对像是水箱 ( 游泳池 ) 吗 ?
(5) 现在有些教材中出现“输出量”的概念 ( 课标中没有这个概念 ), 它是什么 ? 它等于被控量吗 ?
一. 开环和闭环控制系统的定义分析
飞镖（图 4-7 ）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标，然后再根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，取决于飞镖在投掷时的初始状态，即投掷者的投掷水平。
实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
二. 开环和闭环控制系统的区别及判断方法
(一) 开、闭环控制的定义
能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制的系统，称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分，称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为反馈控制系统。反馈环节是闭环控制系统的重要特征。
(二) 原课标中闭环控制系统的结构工作原理及理解中存在的问题
给定量可以上负下正吗？
下方箭头代表什么量？
代表什么？
被控量箭头指向何方？
输出量是什么？
(三) 闭环控制系统结构概念的补充理解
（注：被控量不是一个结构实体，所以不能用实线方框，图中虚线的改动只是一种理解方法，原图并无错误）
开环和闭环控制系统的区别及判断方法：
案例一：骑自行车
案例二：驾驶汽车
案例三：空调系统和冰箱系统
一个有争议的案例分析 ―― 人投飞镖是否是闭环控制：
控制过程分析
第一次投飞镖偏左
第二次投飞镖偏右
第三次经过校正后飞镖命中靶心
结论：有检测，有反馈，有控制校正，最后飞镖命中靶心。这个控制过程是否闭环控制？
现在我们来讨论一个有争议的案例。图中显示的是一个人，手中拿着飞镖，对着靶心投飞镖。投飞镖的过程当中，假定第一次投的飞镖偏左，投到左边去了，第二次偏右，第三次命中目标。有的人认为这三次是经过调整校正过程，有检测有反馈有校正，最后命中靶心，把这三个过程合起来作为一个系统就构成了闭环控制系统。现在全国分两大结论，一类结论认为这三次投飞镖是闭环控制过程，而另一类结论认为这个不是闭环控制系统，还是开环控制系统。这个争论就比较大了。那么咱们怎么判定谁的说法是正确的呢？我们怎么讨论、检查或者判断一个控制系统是闭环还是开环呢？这是要我们来讨论一下课标和教材中的一些结论。就是第三个，课标和部分教材中关于闭环控制系统关于抗干扰作用的论述。
(三)课标和部分教材中关于闭环控制系统抗干扰作用的论述
1. 课标中关于闭环控制系统抗干扰作用
（四）控制与设计
1 ．内容标准
（ 1 ）理解控制的含义及其在生产和生活中的应用。
例　事物的发展有多种可能性，人们根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
（ 2 ）分析典型的案例，了解手动控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
例１　控制设计是对系统的信息流程、反馈机制进行分析和设计，使系统的运行达到最佳状态。
例２　开关控制灯的亮与灭（手动、开环控制）。
例３　电冰箱冷藏室温度的控制（自动，闭环控制）。
（ 3 ）能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用
例　画出家用空调控制系统的方框图。 （ 4 ）能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。
2. 部分教材中关于闭环控制系统抗干扰功能的论述
• A 教材中有关论述：“闭环控制系统能不断地修正控制效果，以减少被控量和基准量之间的误差”。
• B 教材中有关论述：“不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用，去减少或和消除这个偏差，使被控量与希望值趋于一致”。
• C 教材中有关论述：“不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量，闭环控制系统都会产生控制作用，来减少这一偏差”。 ( 注：此处的输出量应改为被控量才正确 !)
• 闭环控制系统一定有抗干扰性能。
• 无抗干扰性能的系统不是闭环控制系统。
• 抗干功能的能力和速度取决于闭环控制系统的结构和性能。
(四) 闭环控制系统的三个基本条件
1. 被控对象在控制过程中应是同一个对象。
2. 控制时系统不能中断，应进行实时控制。
3. 应能检测被控量的误差，并及时减少误差。
(五) 判断一个系统是否闭环控制的两种方法
1. 检测能否抗干扰的方法 ( 干扰法 )
（ 1 ）干扰被控量（空调）
（ 2 ）干扰被控对象及比较器（人骑自行车）
（ 3 ）人多次投飞镖的状态分析 ―― 不能抗干扰
2. 检查能否跟踪基准量（跟踪法）
（ 1 ）人为改变基准量，如果被控对象能及时受到控制，改变工作状态，使被控量和基准量始终保持相同或相接近，则该系统为闭环控制系统。
（ 2 ）如果被控对象不能受到控制而改变工作状态，使被控量（注意：不是输出量）及时跟踪基准量，则该系统不是闭环控制系统。
注意：判断一个系统是否闭环控制的两种方法是等价的 !
(六) 案例分析
（ 1 ）空调系统跟踪基准量的变化 ―― 人为设定温度的变化
（ 2 ）人骑自行车跟踪基准量的变化 ―― 道路弯曲
（ 3 ）投飞镖不能跟踪基准量的变化 ―― 飞镖投出后，飞镖靶移动时无法跟踪
(七) 知识拓展 ―― 闭环控制系统的两种类型
1. 两个状态的控制（低精确度）
2. 无穷个状态的连续控制（高精确度）
案例分析：
• 非变频式空调（两个状态）
• 变频式空调（连续无穷个状态）
• 茶壶倒水到茶杯（连续无穷个状态）
• 人吃饭夹菜到嘴中（连续无穷个状态）
• 精密制导导弹，飞船系统等工作过程（连续无穷个状态）。
三. 闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系
(一) 下面 3 个闭环控制系统的表述是否正确 ?
(1) 一个电冰箱闭环控制系统
(2) 一个恒温加热炉闭环控制系统
(3) 一个恒定水位水箱闭环控制系统
(1) 一个电冰箱闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?
有错误的电冰箱闭环自动控制系统
正确的电冰箱闭环自动控制系统
(2) 一个恒温加热炉闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?
有错误的恒温加热炉闭环自动控制系统
正确的恒温加热炉闭环自动控制系统
(3) 一个恒定水位水箱闭环控制系统的方框图表述是否正确 ?
错误的水箱闭环自动控制系统
正确的水箱闭环自动控制系统
(二) 错误的要点分析
1. 逻辑错误, 把系统整体又作为系统的其中一部分 ( 如冰箱, 恒温箱 ) 。
2. 把控制过程中物理量没有变化的物体作为被控对象 ( 如水箱, 游泳池 ) 。
3. 图中的被控对象, 没有输出量输出, 而且被控量在被控对象里面
(三) 输出量是什么, 它等于被控量吗 ?
输出量是指由被控对象输出的量
(1) 在部分控制系统中, 输出量等于被控量
例：在开关电灯 ( 被控对象 ) 控制 ( 开环 ) 系统中，输出量是亮度，被控量是亮度。
在人骑自行车控制 ( 闭环 ) 系统中，输出量是前轮方向，被控量是前轮方向。
图 4-21 骑自行车的控制过程
图 4-22 闭合的信号回路
注意：图 4-22 仅仅是图 4-21 的方框图, 它的输出量等于被控量。图 4-22 用于冰箱, 空调系统中是不正确的 !
(2) 在另一部分控制系统中, 输出量不等于被控量。
例：在空调中, 输出量是冷空气流量 ( 热容量 ) ，被控量是室内空气温度，自来水塔中, 输出量是水的流量，被控量是塔中水位的高度。
四. 闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结
(1) 给定量：控制者给定的基准值, 又叫希望值。
(2) 比较量：由被控量送来的样品，用来和给定量作比较，比较量和给定量一定是同一量纲。
(3) 比较器：将给定量与比较量进行比较，得到差值，并转换成另一种量（可能是另一种量纲）送到控制器。
(4) 控制器：将比较器输出的量进行放大处理，然后将控制的控制量（或指令）送到执行器, 控制器输出的还不是强信号召力。
(5) 执行器：把控制器输出的控制量（或指令）转换成物理量，该量可以是力，电流，电压，功等不同量纲的物理量，用来直接控制推动被控对象。
(6) 被控对象：控制者实施控制的物体，被控制时一定会改变它的状态，如改变它的方向，角度，速度，高度，温度，等等 ; 被控对象的另一个特征是 : 它的输出量的积累迭加, 并直接造成, 导至被控量的改变。
(7) 输出量：由被控对象输出, 它的输出积累迭加, 并直接造成, 导致被控量的改变。
该量可能与被控量同一个量纲，例如自行车闭环控制系统中，被控的自行车的车头角度与道路的方向量纲相同。被控对象的输出量也可能与被控量不是同一个量纲，例如自来水塔闭环控制系统中，被控对象的输出量是水的流量（立方米秒），而被控量是水塔中水位的高度（米）。
(8) 被控量：控制者最终的控制目标量，它与给定量是同一个量纲。
(9) 反馈环节：它包括检测器 ( 包括转换器 ) 和传输器（回路），它将被控量的样品检测, 转换后，输送到比较器。
五. 开闭环, 自动和手动控制系统的总结
自动：开环，例如，定时浇水控制系统
闭环，例如，湿度自动保持浇水系统
手动：开环，例如，人投飞镖, 投篮球
闭环，例如，人骑自行车, 开汽车
(二) 调节电灯亮度三种控制方式
(1) 简单的开关灯控制 ( 开环控制系统 )
(2) 可控硅控制亮度, 断续多次反复调节, 每次调完后, 手都松开电位器控制旋钮, 直调节到亮度合适为止 ( 开环控制系统 )
(3) 可控硅控制亮度, 手不松开电位器控制旋钮, 连续多次反复调节, 直调节到亮度合适为止 ( 闭环控制系统 )
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部制订. 普通高中技术课程标准 ( 实验 )[M]. 北京：人民教育出版社，2004.
[2] 刘琼发. 普通高中课程标准实验教科书?通用技术?必修 2 技术与设计 2[M]. 广州：广东科技出版社，2007 。
[3] 顾建军，段青. 普通高中课程标准实验教科书?通用技术?必修 2 技术与设计 2[M]. 合肥：江苏教育出版社，2007 。
[4] 孙世强，鲍珑，陈玲玲. 普通高中课程标准实验教科书?通用技术?必修 2 技术与设计 2[M]. 北京：地质出版社的教材.
[5] 李喜桥，范悦. 普通高中课程标准实验教科书?通用技术?必修 2 技术与设计 2[M]. 郑州：河南科学技术出版社.用户为何买单 实例证明苹果的闭环效应|苹果_手机_新浪科技_新浪网
用户为何买单 实例证明苹果的闭环效应
　　本文来自 太平洋电脑网
　　推出iPhone产品线的苹果电脑公司，犹如开了挂的BOSS一样，在全世界攻城掠地。在已有的Mac电脑基础上，凭借iPod，iPhone和iPad顺利改变了数字音乐行业，智能手机行业和平板电脑行业。2015年，苹果正式推出了Apple
Watch智能手表，宣告苹果进入智能穿戴领域，产品线庞大的苹果，正在营造一个全封闭式的生态帝国，而这一切似乎都是用户的选择。为何全球的用户都愿意持续地为苹果产品买单呢？一起来看看苹果是如何塑造了一个闭环效应的。
　　实例一：iPhone的独一无二性
　　移动设备的独特性，是苹果帝国的第一个闭环。目前iPhone销量逐年提升，手机已经是苹果公司最主要的营收部门，苹果能够一跃成为全球市值最大的公司，iPhone是最大的贡献者，未来很长一段时间内，应该也不会变化太大。
　　从创新的角度看，从iPhone 4的革命性创新以来，虽然不能说后面的每一代都有类似iPhone
4那样的巨大改变，然而出自其新CEO库克领导之下的iPhone 5/5s，iPhone 6/6
Plus都受到了前所未有的欢迎，不是因为新一代iPhone何其出色，而是总能留给消费者一点惊喜，比如外型的改进，传感器的升级，加之iPhone本 身功能的完备，让其他对手依然望尘莫及。
iPhone具有独一无二性
　　第二就是iOS系统的独一无二性，就算有一万个理由说iOS功能不如Android系统强大，但是除iPhone之外没有任何其他手机能够使用这个系 统。你可以说它封闭，但它却保证了用户体验和安全性。笔者曾经听说过这样一句话，觉得太适合这种情况了：“要想在中国活下来，要么做第一，要么就做唯一。”你觉得呢？如果作为一个年轻创业团队一上来就想把iPhone干下去，难免显得操之过急。
　　当然，如果你不选择iPhone但仍想 继续使用iOS系统的话，也有iPod和iPad供选择。我认为iPod和iPad实质上是iPhone的辅助版本或者阉割版本，不仅仅因为它们失去了通讯功能，而是面向的用户和范围都更局限，功能也偏娱乐化。所以，iPod与iPad的销量不稳固应该就是这个原因引起的。
　　实例二：Mac的双轨并行制
　　苹果是做电脑起家的，老本行自然不敢忘。假如不算上平板电脑的话，苹果从高端到低端的电脑分级依次是Mac Pro，iMac，Macbook
Pro，全新Macbook，Macbook Air以及Mac mini，全系配备Intel处理器，并按周期进行配置升级。
　　首先， 从设计方面，苹果电脑一直保持着性感的机身设计，比如现在低调的“垃圾桶”主机，楔形笔记本，虽然相比同样配置的其他品牌电脑贵一些，但是无可否认Macbook的造型已经成为笔记本电脑的教材式设计了，没人会觉得这样的电脑是让人讨厌的，发光的苹果甚至还有吸引目光的魔力。
苹果电脑的软硬件双轨并行示意图
　　其次，从软件系统方面，人们印象中的绝大多数电脑只能安装微软Windows操作系统，苹果Macintosh因为只能在苹果自己生产的电脑上使用，一直没能广泛使用。但是自从苹果电脑支持安装Windows虚拟机之后，越来越多的用户了解到苹果电脑拥有支持OS
X和Windows双系统的能力，用户可能用到一些原有的Windows专业软件来办公，但显然OS
X的生产力正以令人惊叹的速度增长。随着软件开发环境的改善，苹果电脑的竞争力越来越强势。
　　许多人调侃苹果电脑的高售价，除了不配显示器的Mac mini小主机之外，几乎没有低于5000元人民币的，顶级的Mac Pro售价达几万块，其显示器Cinema
Display显示器也需要加价另购，目前已经有许多商业机构采用iMac桌面式电脑。也许现在阻止用户买苹果电脑的理由可能只有一个理由(没钱)，而一旦钱不是问题的时候，就没人能阻止他们进入苹果的生态圈。正如时尚会变成一种潮流，大家都跟着潮流走一样。
　　当然，笔者只是列举了Mac电脑分级和配置的合理性，对于产品的新设计、高性能和双系统，才是让苹果站住脚跟的根本原因，显然这个脚跟已经站得非常稳健。家庭和办公设备的多样性，是苹果帝国的第二个闭环。
　　实例三：Apple Watch拨开迷雾
　　业界公认的移动互联网下一代突破口在智能穿戴设备领域，这一次苹果似乎走在了后面，Apple Watch远比三星、LG和索尼智能手表来得晚，目前为止也没有上市，那么凭什么它将成为下一个闭环呢？
　　根据发布会现场了解到，Apple Watch运动版最低售价349美元(约合2499元)，定制版最高售价将近2万美元(约合12万元)，根据表盘大小、表带材质和工艺级别有几十个档次可选，大有一口吞了万元级手表市场的气势。
　　我们仍然可以发现Apple
Watch不同寻常的设计，它弱化了小屏幕的触摸操作，代之以物理滚轮，而且联合开发者上架了专门的手表专属应用。事实上它和未来物联网的规划不谋而合，手机依然是智能设备的中心设备，Apple Watch必须协同iPhone使用才能实现完整的功能。第一代Apple
Watch可能仍存在较大瑕疵(比如续航能力)，但前景已经明朗。苹果的第三个闭环，就是靠手表和Apple TV占领用户的私人空间。
　　实例四：iCloud云服务的依赖
　　从苹果建立App Store这个iOS生态链起，Apple
ID就是苹果服务中不可缺少的元素，用户必须注册并登录ID才能够正常下载软件，并且完成购买。每一部iOS设备均可绑定一个唯一的Apple
ID账户，实现远程控制和丢失找回功能。所有的硬件功能全部围绕以Apple ID(iCloud)为中心展开。
苹果产品的闭环效应生态示意图
　　在iCloud尚未正式命名之前，Apple ID已经实现了类似iTunes的备份功能，联系人资料永远保存在Apple
ID账户资料中，即便更换手机也不会丢失。现在iCloud已经能够实现所有登录相同Apple ID设备之间的同步，使多设备协同工作变得更加高效。
　　人们依赖iOS系统很大一部分原因是在iCloud云里保存了大量的历史资料，或者在iOS应用里保留了珍贵的使用记录，这些数据并不会因为iPhone的升级换代而丢失，而是只需要有一部iOS设备，它都可以找回来，确实，用户很依赖它，也不会轻易地转移到另一台平台，这就是为什么苹果用户的忠诚度那么高的原因。
　　总而言之，以上四个实例让苹果产品产生了一个巨大的闭环效应，互相连通的软硬件生态圈，让更多用户持续地使用苹果产品。如果还想再造一个苹果帝国，除非找到一个全新的模式了，你愿意为苹果买单吗？
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