开环和闭环;正反馈和负反馈
1. 开环
开环(open-loop) 相对于 闭环(close-loop)而言,也叫 开环控制系统。意思就是 不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统。开环就相当于单向操作,我们给控制器一个值,控制器就按这个值操作控制。也就是只控制输出,不计后果的控制。这种系统比较简单,容易掌握使用,工作稳定,但精度和速度的提高受到限制,所以一般仅用于不考虑外界影响,或惯性小、精度要求不高的一些系统。
打个比方,开环相当于开水龙头,你拧到什么位置,水龙头就出多少大小的水,没有反馈信号。
开环控制系统:
[输入/设定值]
│
▼
[控制器(Controller)]
│
▼
[执行器(Actuator)]
│
▼
[被控对象/系统(Plant)]
│
▼
[输出结果]
2. 闭环
闭环 也叫 闭环/反馈控制系统,是由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统,是将系统输出量的测量值与所期望的给定值相比较,由此产生一个偏差信号,利用此偏差信号进行调节控制,使输出值尽量接近于期望值。闭环控制,一般由人们设定目标,由电路自己的检测电路实行反馈检测数据。达到跟踪设定的操作过程就叫做闭环控制。闭环指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端,并对输入端施加控制影响 的一种控制关系。没有反馈的开环控制,将坚定执行操作者的指令,而闭环控制可能会因为一些问题而终止指令。
闭环控制系统:
[设定值] ─┐
↓
[比较器] ←─┐
↓ │
[控制器] │
↓ ↑
[执行器] │
↓ │
[输出结果] ┘
换言之,开环控制只要指令下达了,就会一步到位,而闭环控制指令下去后,操作者会收到反馈消息,可能因为反馈消息而中指指令。具体内容是指: 把控制系统输出量的一部分或全部,通过一定方法和装置反送回系统的输入端,然后将反馈信息与原输入信息进行比较,再将比较的结果施加于系统进行控制,避免系统偏离预定目标。闭环控制系统利用的是 负反馈,用来抵消误差、抑制偏离,实现 “自动纠偏、稳定控制” 的核心机制。
举个简单例子:电热水壶恒温系统:
- 你设定目标温度:90℃
- 温度传感器检测当前温度,假如现在是 85℃
- 误差 = 90℃ - 85℃ = +5℃
- 控制器收到正误差 → 增加加热功率
- 一旦温度升到 90℃ → 误差变为 0℃ → 控制器停止加热
- 如果继续升温到 92℃ → 误差 = -2℃ → 控制器降低或断开加热
你可以看到,这就是负反馈在起作用:每一次调整都试图纠正偏差,使系统趋于稳定和精确。
3. 正反馈和负反馈
正反馈(positive feedback),是反馈的一种。是指一系统的输出影响到输入,使得输出变动后会影响到输入,造成输出变动持续加大的情形;同理,如果输出变动持续减少、负面效应加大,就称为负反馈。
简单来说,以社会财富为例,如果“富者愈富,穷者愈穷”就是正反馈,因为多的更多,少的更少;如果“富者变穷,穷者变富,财富平均分配”就是负反馈,因为多的变少,少的变多。
或者,你可以理解为原结果是 \(R\),正反馈就相当于 \(R+F\),负反馈就相当于 \(R-F\)。