20.3 : Otwarte i zamknięte układy sterowania

Układy sterowania są podstawowymi elementami automatyki i inżynierii. Są one szeroko klasyfikowane jako układy otwarte i zamknięte. Klasyfikacje te zależą od obecności lub braku mechanizmów sprzężenia zwrotnego, co znacząco wpływa na wydajność, złożoność i zastosowanie systemu.

Otwarty układ sterowania działa bez sprzężenia zwrotnego z wyjścia. Składa się z dwóch podstawowych elementów: sterownika i kontrolowanego procesu. Sterownik odbiera sygnał wejściowy i manipuluje procesem w celu osiągnięcia pożądanego wyniku. Co ważne, otwarte układy sterowania działają niezależnie od wyjścia, co oznacza, że ​​nie ma automatycznej korekty opartej na wydajności systemu. Typowym przykładem otwartego układu sterowania jest pralka, która działa w zdefiniowanym cyklu czasowym. Nie dostosowuje swojego działania na podstawie czystości ubrań, co podkreśla brak sprzężenia zwrotnego. Otwarte układy sterowania są korzystne w scenariuszach, w których precyzyjny pomiar wyjścia jest niepraktyczny lub ekonomicznie niewykonalny. Są one zazwyczaj prostsze i mniej kosztowne w projektowaniu i utrzymaniu ze względu na swoją prostą architekturę. Natomiast systemy sterowania z zamkniętą pętlą lub sprzężeniem zwrotnym zawierają jedną lub więcej pętli sprzężenia zwrotnego, które stale monitorują wyjście i odpowiednio dostosowują wejście, aby utrzymać pożądaną wydajność. Taka konfiguracja znacznie zwiększa dokładność i responsywność. Na przykład w systemie sterowania prędkością biegu jałowego z zamkniętą pętlą stosowanym w silnikach samochodowych system stale monitoruje prędkość biegu jałowego i porównuje ją z pożądaną prędkością. Jeśli zostanie wykryta rozbieżność, system dostosowuje kąt przepustnicy, aby skorygować prędkość. Ten mechanizm sprzężenia zwrotnego pozwala systemowi szybko odzyskać się po zakłóceniach i utrzymać ustawioną wartość, zapewniając stałą wydajność.

Pomimo wyższej dokładności i zdolności do radzenia sobie z zakłóceniami, systemy z zamkniętą pętlą są z natury bardziej złożone. Wymagają dodatkowych komponentów do monitorowania i sprzężenia zwrotnego, co zwiększa złożoność projektu, koszt i zużycie energii. Wybór między systemami z otwartą i zamkniętą pętlą zależy od konkretnych wymagań aplikacji, w tym potrzeby precyzji, wykonalności pomiaru wyjścia i rozważań ekonomicznych.