閉環(huán)控制系統(tǒng)概念

一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)的基本組成可以用圖1.8所示的框圖表示。將組成系統(tǒng)的元件按在系統(tǒng)中的職能來(lái)劃分，主要有以下幾種：

(1)給定元件：給出與期望輸出對(duì)應(yīng)的輸入量。

(2)比較元件：求輸入量與反饋量的偏差，常采用集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)放大元件：由于偏差信號(hào)一般較小，不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，故需要放大元件，包括電壓放大及功率放大。

(4)執(zhí)行元件：直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使輸出量發(fā)生變化。常用的有電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、液壓馬達(dá)等。

(5)測(cè)量元件：檢測(cè)被控量并轉(zhuǎn)換為所需要的電信號(hào)。在控制系統(tǒng)中常用的有用于速度檢測(cè)的測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼盤等；用于位置與角度檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)變壓器、自整機(jī)等；用于電流檢測(cè)的互感器及用于溫度檢測(cè)的熱電偶等。這些檢測(cè)裝置一般都將被檢測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的連續(xù)或離散的電壓或電流信號(hào)。

(6)校正元件：也叫補(bǔ)償元件，是結(jié)構(gòu)與參數(shù)便于調(diào)整的元件，以串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，完成所需的運(yùn)算功能，以改善系統(tǒng)的性能。根據(jù)在系統(tǒng)中所處的位置不同，可分別稱為串聯(lián)校正原件和反饋校正元件。

基于反饋原理建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來(lái)進(jìn)行控制，即通過(guò)比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。自動(dòng)控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。在工程上常把在運(yùn)行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來(lái)精確地跟隨或?qū)崿F(xiàn)某種過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對(duì)象和反饋通路組成。比較環(huán)節(jié)是用來(lái)將輸入與輸出相減，給出偏差信號(hào)。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對(duì)象為爐子；輸出變量為實(shí)際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測(cè)量，代表爐溫的熱電動(dòng)勢(shì)與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過(guò)功率放大后用來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)區(qū)別

同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是控制精度不高，抑制干擾能力差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。一般用于可以不考慮外界影響或精度要求不高的場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制裝置以及水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不論是輸入信號(hào)的變化，或者干擾的影響，或者系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的改變，只要是被控量偏離了規(guī)定值，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)。與開(kāi)環(huán)控制相比，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化不敏感，可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)，獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。但是采用反饋裝置需要添加元部件，造價(jià)較高，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當(dāng)，控制過(guò)程可能變得很差，甚至出現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定的情況。因此，如何分析系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而獲得滿意的系統(tǒng)性能，是自動(dòng)控制理論必須研究解決的問(wèn)題。

閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制上具有以下特點(diǎn)：由于輸出信號(hào)的反饋量與輸入量作比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，利用偏差信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的控制或者調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)的輸出量能夠自動(dòng)地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動(dòng)信號(hào)的影響。除此之外，負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)還有其他的優(yōu)點(diǎn)：引入反饋通路后，使得系統(tǒng)對(duì)前向通路中元器件參數(shù)的變化不靈敏，從而使系統(tǒng)對(duì)于前向通路中元器件的精度要求不高；反饋?zhàn)饔眠€可以使得整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于某些非線性影響不靈敏。

這是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括功率放大和反饋，使輸出變量的值響應(yīng)輸入變量的值。數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖后，當(dāng)指令值送到位置比較電路時(shí)，此時(shí)若工作臺(tái)沒(méi)有移動(dòng)，即沒(méi)有位置反饋信號(hào)時(shí)，指令值使伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動(dòng)元件帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。裝在機(jī)床工作臺(tái)上的位置測(cè)量元件，測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位移量后，后反饋到數(shù)控裝置的比較器中與指令信號(hào)進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制。若兩者存在差值，經(jīng)放大器后放大，再控制伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零時(shí)，工作臺(tái)才停止移動(dòng)。這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。