《现代控制系统》
[美] R . C . 多尔夫，R . H . 毕晓普著
第四章：反馈控制系统的特性
4.1 开环和闭环控制系统
既然我们已经能够设计出控制系统组成部分的数学模型，所以这节我们将研究控制系统的特性。在1.1节，控制系统被定义为组成系统的各部分的互联关系，该系统是能够实现预定响应的。因为理想系统响应是已知的，所以就会产生和偏差成比例的信号，这个偏差是理想响应和实际响应之间的差值。在闭环过程中，利用这个偏差信号来控制信号输出的系统就叫做反馈系统。这个闭环系统的操作过程如图4.1所示。为了改善控制系统，引入反馈是非常必要的。有趣的是，在自然环境中也存在这种反馈系统，例如生物和生理系统，在这些系统中反馈是与生俱来的。例如，心脏控制系统就是一个反馈控制系统。
为了解释引入反馈以后系统的特性和好处，我们将举一个单一回路的反馈例子。虽然很多控制系统都不是单一反馈的，但是单个回路反馈比较容易解释。研究单个回路反馈能够最好地说明反馈回路的所有优点，然后我们再把它延伸到多个回路反馈系统。
没有反馈的系统通常被称为直接系统或开环系统，如图4.2所示。
与之相反的是闭环系统，如图4.3所示的负反馈控制系统。
没有反馈的开环{直接}系统就是对应与输入直接产生一个输出。
闭环控制系统就是对输出信号进行测量，然后与理想值进行比较，产生一
个偏差信号，最后再把偏差信号送入调节器。
两种形式的控制系统都由相同的的方框图和信号流线图组成，但是，信号流线图对信号输出的结果起了主要作用。
一般情况下，H （s ）等于1或者不是1的其他常数。这个常数包括单位转换，例如，弧度转化为电压。首先，我们先讨论H （s ）=1时的单位反馈。那么这时Ea(s)=E(s)，并且
Y(s)=G(s)E(s)=G(s)[R(s)-Y(s)]
解出Y(s)，得到
()()()1()
G s Y s R s G s =+ (4.1) 偏差信号是
1()()1()
E s R s G s =+ 因此，为了减小偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+G （s ）]的值远大于1。 现在讨论H （s ）≠1的情况，这时闭环回路的输出是：
Y(s)=G(s)Ea(s)=G(s)[R(s)-H(s)Y(s)]
因此： ()()()1()
G s Y s R s GH s =+ (4.2) 实际的偏差信号是：
1()()1()
Ea s R s GH s =+ (4.3) 显而易见，为了减少偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+GH （s ）]的值远大于1。通过信号Ea(s)可以测量信号E(s)的大小。在S 的取值范围内，随着H(s)的值不断减小，甚至H(s)≌1，这个测量越精确。
4.2 参数变化下控制系统的灵敏度
用传递函数G （s ）代表一个过程，不管原先系统设计多么完善，总是易于受环境而变化、老化、测不出确切的过程参数及其他自然因素都会影响控制过程。在开环系统中，所有这些偏差和改变都会导致系统输出的改变和不精确。但是，闭环系统却能测出由于系统的变化而使输出结果改变，而且尝试去纠正输出。在参数变化的情况下，控制系统的灵敏度是非常重要的。闭环控制系统的一个主要优点就是能降低系统灵敏度[1-4，18]。
对于闭环系统，在所研究的所有复杂频率中，如果GH(s)>>1，从（4.2）公式的得到：
1()()()
Y s R s H s ? (4.4) 于是输出只受H （s ）影响，有可能是一个常数。如果H （s ）=1，我们就得到一个理想的结果，那就是输出和输入相同。尽管如此，在控制系统中使用这个方法前，我们必须注意到按要求式子G(s)H(s)>>1，理论上可能导致系统振荡严重，甚至不稳定。但事实是随着回路传递函数G(s)H(s)的值增大，G(s)对输出的影响就会减弱，这是一个很有用的概念。因此，反馈系统的首要优点是在系统参数变化是使G(s)减少。
为了解释参数变化的影响，假设改变后系统过程函数为G(s)+ΔG(s)。于是，在开环回路中导致输出的变化为：
ΔY(s)=ΔG(s)R(s) (4.5) 在闭环系统中，得到：
()()()()()1(()())()
G s G s Y s Y s R s G s G s H s +?+?=++? (4.6) 于是输出的变化为：
()()()(1()())(1())
G s Y s R s GH s GH s GH s ??=++?+ (4.7) 当GH(s)>>ΔGH(s)，通常情况下就是这样的，于是我们得到：
2()()()[1()]
G s Y s R s GH s ??=+ (4.8) 观察（4.8）式，我们注意到在闭环回路系统中，由于存在因数[1+GH （s ）]使输出的结果的变化减小了，通常在所研究的复杂的频率范围内，因数[1+GH （s ）]的值都比1大得多。因此，因数[1+GH （s ）]在反馈控制系统的特性中起到很重要的作用。
系统的灵敏度就是系统传递函数的变化率与过程传递函数的变化率的比值。系统的传递函数是： ()()()
Y s T s R s = （4.9） 因此，灵敏度的定义为：
()/()()/()
T s T s S G s G s ?=? （4.10） 在极限情况下，对于微小的增量变化，公式（4.10）变为：
/ln /ln T T T S G G G
??==?? （4.11）
从公式（4.5）可以清楚看出，开环系统的灵敏度等于1。闭环回路的灵敏度可以从公式（4.11）很容易算出。闭环回路系统的传递函数为：
()()1()
G s T s GH s =+ 因此，反馈系统的灵敏度为：
21..(1)/(1)
T G T G G S G T GH G GH ?==?++ 或者：
11()()
T G S G s H s =+ （4.12） 同时，我们发现，在所研究的频率范围内，增加GH （s ）的值，开环回路系统的饿灵敏度可能会降低。
反馈系统中，对于反馈环节H （s ）的改变量，系统的灵敏度为： 2.().1/(1)1T H T H G H GH S H T GH G GH GH
?--===?+++ （4.13） 当GH 很大时，灵敏度趋近于1，这时H （s ）的改变直接影响输出响应。因此，在反馈系统中应避免反馈元件随着环境的变化或者让它保持一个常数是非常重要的。
通常我们要解出S a T ,这里的a 是方框图G 的传递函数中的一个参数。使用连
锁法，我们发现：
T T G G S S S αα= （4.14）
通常情况下，系统的传递函数T(s)是分数形式[1]：
(,)(,)(,)
N s T s D s ααα= （4.15） 当参数a 受环境影响较大时，我们必须重写4.11公式，得到灵敏度为： 00ln ln ln ln ln ln T N D T N D
S S S ααααα
ααα???==-=-??? （4.16） 这里a 0就是参数的公称值。
能够通过增加反馈回路来降低控制系统参数变化的影响是反馈控制系统的重要优点。为了得到高精度的开环回路系统，我们必须精心选择开环回路的构件，以满足具体要求。相反，闭环回路系统却对G(s)精度要求不高，因为回路放大系数1+GH （s ）会使G （s ）的变化量和偏差减少。闭环回路的这个优点对通信工业中的电子放大器具有深远的帮助。一个简单的例子将解释反馈对降低灵敏度的价值。
例子4.1 反馈放大器
放大器具有广泛的用途，都有一个放大系数-K a ，如图4.4所示，输出电压为
V 0=－KaVin (4.17)
通常我们使用分压器R p 来加入反馈，如图4.4b 所示，没有反馈放大器的传递函数是：
T=－Ka (4.18) 放大系数改变时灵敏度为：
1
a
T
K
S=(4.19)
带有反馈的放大器的方框图如图4.5所示，此时：
2
1
R
R
β=(4.20)并且
12
p
R R R
=+(4.21)反馈放大器的闭环传递函数为：
1
a
a
K
T
Kβ
-
=
+
(4.22)反馈闭环放大器的灵敏度为：
1
1
T
Ka
a
S
Kβ
=
+
(4.23)如果K a很大，灵敏度就会很低。例如，如果：
4
10
0.1
a
K
β
=
=
(4.24)得到：
311
10T Ka S =+ (4.25) 换句话说就是灵敏度的大小只是开环放大器的千分之一。
为了强调灵敏度在设计和分析控制系统的重要性，我们在接下来的章节还将回顾灵敏度的知识。
4.3 对控制系统瞬时响应的控制
瞬时响应是控制系统最重要的特性之一。瞬时响应就是以时间为函数的系统响应。因为控制系统的目的就是提供理想的响应，所以我们必须调节控制系统的瞬时响应直到满足要求。如果一个开环系统不能提供满足要求的响应，那么就必须更换合适的过程及函数G(s)。与之相反的是，闭环系统可以通过调整反馈回路的参数来调节出满足要求的响应。值得注意的是，开环系统中如果在原来的过程函数G(s)前插入一个合适的级联控制G1(s)，如图4.6所示，就可以改变系统的响应。这样，我们就必须设计级联控制G1(s) G(s)，使系统的响应能满足要求。
为了使这个概念更易于理解，让我们讨论一个具体的控制系统，这个控制系统可以用开环或闭环控制。如图4.7所示的速度控制系统，经常用于移动材料和产品的工业过程中。在轧钢厂用到了许多重要的速度控制系统，用于轧钢片和在轧机间移动钢材[19]。从公式（2.70）我们可以计算出开环回路系统（没有反馈）的传递函数，并且对于w(s)/V(s)得出：
11()
()()(1)
a K s G s V s s ωτ==+ (4.26) 此时：
1()m a b m K K R b K K =+ 并且 1()
a a
b m R J R b K K τ=+ 在轧钢的例子中，由于轧辊的惯量很大，所以需要一个很大的电枢控制电机。如果轮子是用阶跃指令改变速度的，那么：
2()a k E V s s
= (4.27) 输出响应就是：
()()()a s G s V s ω= (4.28)
瞬时响应的改变是：
1
/12()()(1)t t K k E e τω-=- (4.29) 图 4.7
开环速度控制
系统（没有反
馈）
如果这个
瞬时响应太
慢，可能的话，除了更换一个不同时间常数Τ1的电动机别无他法。尽管这样，因为时间常数Τ1是由负载的惯量J 决定的，所以改变Τ1也不会对瞬时响应有太大的改变的。
速度闭环控制系统是利用转速来产生一个与速度成比例的电压，如图4.8（a ）所示。这个电压是从分压器的电压中提取出来的，并经过放大，如图4.8（a ）所示。在低功率的设备中，实现反馈的实际的转换放大电路如图4.8（b ）所示[1，5，7]。这个闭环传递函数是：
1111111()()
()
1()/1[(1)/]a a t a a a t a t K G s s R s K K G s K K K K s K K K s K K K ωτττ=+==++++ (4.30)
我们必须调节放大系数Ka 以满足瞬时响应的要求。同样，如果必要的话，转速的放大系数Kt 也可以改变。
在输入指令阶跃改变的情况下，输出的瞬时响应为：
121()()(1)1pt a a t K K t k E e K K K ω-=
-+ (4.31) 此时，p=(1+KaKtK1)/ Τ1。因为假设负载的惯量非常大，我们要通过增大Kw 来改变输出响应，于是我们得到近似的响应为：
121
()1()()[1exp()]a t t K K K t t k E K ωτ-?- (4.32)
通常的设备中，开环极点1/Τ1=0.10，然而闭环极点至少（KaKtK1）/Τ1=10,这样响应速度就提高了100倍。值得注意的是闭环系统中要实现放大系数KaKtK1，放大器的放大系数要相当大，并且与开环系统相比，电动机的电枢电压信号和相应的转矩信号都要大很多。因此，大功率的电动机要避免动力达到极限。开环系统和闭环系统的响应如图4.9所示。注意到闭环系统的快速响应。
当我们讨论这个速度控制系统时，有必要计算一下开环和闭环系统的灵敏
度。和先前一样，对于电机常数的变化或者电位常数k2
的变化，开环回路系统的灵敏度是1。对于Km 的变化，闭环回路系统的灵敏度是：
1111
1()[(1/)]11()[(1)/]m
m T T G K G K a t a t S S S GH s s K K G s s K K K ττ==++==+++ (4.33) 代入前面章节的常用值，得到：
(0.10)(10)
m T K s S s +=+ (4.34) 我们发现，灵敏度是s 的函数，并且对于不同的频率，灵敏度的值也不同。虽然这种类型的频率分析已经非常清楚了，我们还要把它推到以后的章节再详细介绍。但是仅凭这些，我们已经可以很容易看出对于低频率，例如s=jw=j1---灵敏度的大小近似于|S T Km |≌0.1。
4.4反馈控制系统中的扰动信号
反馈控制系统第三个最主要的作用就是控制和减弱干扰信号的影响。干扰信号是无用的输入信号影响了输出信号。许多控制系统易于受外来干扰信号的影响而导致系统输出不精确。电子放大器集成电路或晶体管能对噪声进行放大，雷达天线易受风阵影响，并且由于非线性元件会产生干扰信号。但是，反馈控制系统具有减少干扰、噪声和无用信号影响的优点。
把钢条滚轧系统当作一个带有干扰的系统，让我们重新老讨论。轮辊滚过钢板时易受重载荷变化和干扰的影响。在钢板靠近轮辊前，轮辊是处在卸载状态。但是，当钢板压在轮子中时，轮子的载荷会立即上升到一个很大的值。这个载荷变化的影响可以近似地看作干扰转矩的跳跃变化，如图4.11所示。另外，我们也可以观察一下普通电机的速度-转矩曲线，如图4.12所示。
带有载荷转矩干扰的交流磁电机的传递函数的模型将在例2.3中解出，并在图4.11表示出来。这里假设La 很小可以忽略不计。图4.11中系统的偏差为：
E(s)=R(s)-w(s)
当R(s)=w d (s)，系统就达到了理想的转速。为了简化计算，我们假设R(s)=0，
然后计算E(s)=-w(s)。由于负载的干扰，电机速度的改变为：
1()()()()(/)
d m b a E s s T s Js b K K R ω=-=++ (4.35)
因为Td(s)=D/s，使用终值定理可以计算出速度稳定状态下的偏差。因此，对于开环系统，我们可以得到：
00
1
lim()lim()lim()()
(/)
()
(/)
t s s
m b a
m b a
D
E t sE s s
Js b K K R s
D
b K K R
ω
→∞→→
==
++
==-∞
+
(4.36)
如图4.13所示，闭环控制系统用方框图形式表示。图4.14是闭环回路系统的信号流线图，此时G1(s)=KaKm/Rw, G2(s)=1/(Js+b), 并且H(s)=Kt+(Kb/Ka)。利用梅逊信号流向放大公式，我们可以计算出图4.14闭环回路控制系统的偏差E(s)=-w(s)：2
12
()
()()()
1()()()d
G s
E s s T s
G s G s H s
ω
=-=
+
(4.37)
在s的取值范围内，如果G1G2H(s)的值比1大得多，我们就可以得到近似的结果：
1
1
()()
()()d
E s T s
G s H s
(4.38)
因此，如果G1H(s)足够大，干扰的影响就可以靠反馈来削弱。因为Ka>>Kb,我们注意到：1
()()()
a m
b a m t
t
a a a
K K K K K K
G s H s K
R K R
=+≈
这样，我们要增大放大器的放大系数Ka ，而且要保证Ra<2Ω。如图 4.14所示的，系统的偏差为:
E(s)=R(s)-w(s)
并且，在理想转速时R(s)=wd(s)。为了计算方便，我们假设R(s)=0，再计算w(s)。
当输入R(s)=0，图4.13中由于负载的干扰，速度控制系统的输出可以用梅逊信号流向放大公式得到如下：
[1/()]()()1(/)[1()](/)[1/()]1()(/)()d a m t a m b a d m a t a b Js b s T s K K K R Js b K K R Js b T s Js b K R K K K ω-+=
+++++-=+++ (4.39)
利用终值定理可以计算出输出的稳定状态，我们得到：
01lim ()lim(())(/)()
t s m a t a b t s s D b K R K K K ωω→∞→-==++ (4.40) 当放大器的放大系数Ka 足够大时，我们得到：
()()a c a m t
R D K K K ωω-∞=∞ (4.41) 由于存在干扰，闭环系统和开环系统的输出的稳定转速的比值为：
0()()c a m b a m t
R b K K K K K ωω∞+=∞ (4.42) 这个值一般小于0.02。
在图4.15的闭环系统的速度-转矩曲线中，我们可以很清楚地看出速度反馈控制系统的优点。图中曲线几乎是水平的，可以看出速度和负载转矩之间几乎是独立的关系。这是反馈系统的优点。
在系统中引入反馈的一个主要原因是：反馈能削弱干扰和噪声信号的影响。噪声信号是噪声通过测量传感器放大的信号，但这样的信号在很多系统中是可以消除的。用N(s)表示噪声信号，如图4.16所示。它对系统输出的影响是：
1221212()()()1()
G G H s Y s N s G G H H s -=+ (4.43) 近似等于：
11()()()
Y s N s H s ?- (4.44) 显然设计者必须使H1(s)的值取到最大，就是测量传感器中的信号与噪声的比值取到最大。也就是我们必须设计好反馈元件H(s)，并且在最小噪声，脏乱，以及参数变化下工作。同样，由4.13的灵敏度公式要求设备的灵敏度S T H ≌1。因此，我们必须知道反馈传
感器及元件的质量和各参
数值。这些
都可以很
容易做到的，因为反馈元件是在低压下工作而且设计成本不高。
通过观察图 4.14，我们就可以解释对于输入的干扰，闭环系统的当量灵敏度S T G 和响应，系统G2的灵敏度为： 21212111()()
T G S G G H s G G H s =?+ (4.45) 干扰信号对系统输出的影响（此时R (s)=0）是：
2121()()1()1()()
d G s Y s T s G G H s G H s --=?+ (4.46) 我们发现，在两种情况下都可以通过增大放大系数G1(s)= Ka 来减弱干扰的影响。在闭环系统中主要运用反馈来降低系统在参数变化时的灵敏度和干扰的影响。值得注意的是，降低参数变化和干扰的影响的方法是一样的，幸运的是他们的影响是同时减弱了。注意一下图4.17的系统，我们最后再来解释一下这个事实，图中噪声或干扰对输出的影响是：
()1()1()
d Y s T s GH s =+ (4.47) 这个值等于灵敏度S T G 。
通常情况下，噪声在控制系统中用输入信号表示。例如，在系统中输入信号可能用r(t)+n(t)表示，r(t)是理想的系统信号，而n(t)是噪声信号。在这种情况下，反馈控制系统会简单地把噪声和理想信号做相同的处理，不会提高信噪比，因为此时这个系统的噪声是用输入来表示的。但是，如果信号和噪声的频率范围不同，通过简单设计一个低通频率响应的闭环回路传递函数就能使输出的信噪比增大。
4.5稳态误差
反馈控制系统是非常有价值的，因为在工程中它能调整瞬时响应。此外，正如我们所看到的，系统的灵敏度和干扰作用能被明显减弱。尽管这样，为了进一步要求，我们还必须检验和比较最终的开环和闭环系统的稳态误差。稳态误差就是在瞬时响应之后误差已经减弱，而且只留下持续响应时的误差。
图4.18中开环回路系统的误差是：
0()()()(1())()E s R s Y s G s R s =-=- (4.48)
图4.19中当H(s)=1时闭环回路系统的稳态误差是（公式4.3）：
1()()1()
c E s R s G s =+ (4.49) 利用终值定理计算稳态误差得到：
lim ()lim ()t s e t sE s →∞→= (4.50)
因此，使用单位阶跃信号作为比较输入，我们得到开环回路系统的稳态误差是：
0001()lim (1())()lim(1())1(0)s s e s G s G s G s
→→∞=-=-=- (4.51)
对于闭环系统，当H(s)=1时我们得到： 0111()lim ()()1()1(0)
c s e s G s s G →∞==++ (4.52) 当s=0时，G(s)的值通常叫做直流放大系数，并且正常情况下比1大。因此开环系统通常稳态误差都相当大。相反的是，闭环系统带有一个相当大的直流回路放大系数 G(0)，能够使稳态误差减少。
观察（4.51）的式子，我们注意到，只要通过调整系统的直流放大系数G(0)，使G(0)=1，就可以使开环稳态误差为0。因此，有人就会问了，这样闭环系统不就没有优势了吗？为了回答这个问题我们要再一次回顾当参数变化时系统灵敏
度的概念。在开环系统中，我们可以调整系统使G(0)=1，但是在系统使用过程中，由于环境的改变系数G(s)也将变化，这样系统直流放大系数将不会等于1。尽管这样，由于它是开环系统，稳态误差将一直存在直到人为调整它。相反的是闭环系统却能时刻监控稳态误差，并产生一个激励信号来减少稳态误差。因此，我们明白，由于系统对参数变化、环境影响和调整误差的灵敏度的要求，我们必须引入负反馈。一个典型的负反馈控制系统的例子如图4.20所示。
闭环系统在减少由于参数变化和调整误差而产生的稳态误差中的优势将在这个例子中得到证明。让我们计算一下带有一个过程的系统的传递函数：
()1
K G s s τ=+ （4.53） 这个可以代表一个温度控制过程，一个电压调节器或者一个水位调控过程。用标准的单位阶跃当作理想的变化输入函数，我们得到R(s)=1/s 。因此，利用式子4.51开环系统的稳态误差是：
0()1(0)1e G K ∞=-=- （4.54）
图4.20机械手是仿照人手功能，用缆线控制的。它可以完成人工自动搬运，捶打钉子，切土豆丝等其他人手的正常工作。它是建立在闭环光缆基础上，抓握力从0到100磅。当人的力施加在光缆上时，机械手能够移动他的手指，然后握紧。人在抓取轻的东西时缺少正常的触觉，所以要利用视觉系统作为反馈。（友好治疗系统）
当对R(S)和K 作同样的大小设置时，图4.19的闭环系统的误差为：
()()()()c E s R s T s R s =-
这时T(s)=G(s)/(1+GH(s)).稳态误差是： 01()lim {1()}1(0)c s e s T s T s
→∞=-=- 当H(S)=1/(Τ1S+1)，我们得到H(0)=1，并且G(0)=K ，于是得到： 1()111c K e K K
∞=-=++ （4.55） 对于开环系统，我们必须调节系统使K=1，并且稳态误差为0。对于闭环系统，必须设置一个大的放大系数K ，例如，K=100。这样，闭环系统的稳态误差就是e c (∞)=1/101。
如果由于某种原因调整放大系数，偏差或改变了ΔK/K=0.1，一个10%的改变，开环稳态误差是Δe c (∞)=0.1，调整设置后误差的改变率为： 0()0.10()1
e r t ?∞= （4.56） 或者10%。相反，由于ΔK/K=0.1，如果放大倍数减少，闭环系统的稳态误差是e c (∞)=1/91，因此，稳态误差的改变为：
011()10191
e ?∞=- （4.57） 并且，相对变化率是：
0()0.0011()
e r t ?∞= （4.58） 或者0.11%。闭环系统的相对变化率比开环系统低两个数量级，这确实是一个重大的改善。
4.6反馈的代价
闭环系统增加反馈的优点已经在前面的章节列出了。事实上，这些优点需要付出额外的代价。首先，很明显反馈将增加元件的数目而使系统复杂。为了增加反馈，我们就必须去了解许多反馈元件，其中测量元件（传感器）是最重要的。在控制系统中传感器是最贵的元件。而且，传感器会对系统引入噪声和不精确的数据。
反馈的第二个代价是放大倍数的丢失。例如，在一个单回路系统中，开环放大倍数是G(s),增加一个反馈后，放大系数降到G(s)/(1+G(s))。闭环放大倍数为1/(1+G(s))，这个因数正是系统对参数变化和干扰时灵敏度降低的倍数。通常，开环放大倍数都过大，我们更愿意用它来提高控制系统的响应。
我们应当注意到，虽然输入输出的放大倍数降低了，控制系统仍然保留相当大的动力放大器和传动机构的放大倍数，这点在闭环回路系统中得到了充分的利用。
最后，引入反馈的代价就是可能引起系统不稳定。但是，开环系统总是稳定的，然而闭环系统就不总是稳定的。闭环系统的稳定问题将推到第6章详细介绍。
在动态系统中增加反馈会给设计师带来额外的问题。尽管如此，很多情况下，反馈的优点还是远远大于缺点。因此，我们还是会使用它。但是在设计控制系统时有必要考虑一下额外的复杂和稳定问题。
这一点已经很清楚了，系统的理想输出就是Y(s)等于R(s)。但是，有些人会问为什么不设置传递函数G(s) =Y(s)/ R(s)等于1呢？（见图4.2）。一旦我们回顾：过程函数G(s)要提供一个理想的输出，就是这个函数G(s)代表一个实际的过程，而且控制动力环节是不能忽略的，那么这个问题的答案就变得非常清晰了。如果我们设置G(s)等于1，直接把输入和输出相连。我们必须回顾一个具体的输出，例如，温度，轴旋转或者引擎速度，然而这些输入可能是电位计或电压。过程函数G(s)必须设置一个处在Y(s)和 R(s)之间的物理转换过程。因此，传递函数等于1是不现实的，我们必须设置一个实际的传递函数。
2-8 反馈控制系统的传递函数 一个反馈控制系统在工作过程中，一般会受到两类信号的作用，统称外作用。一类是有用信号或称输入信号、给定值、指令等，用)(t r 表示。通常)(t r 是加在控制系统的输入端，也就 是系统的输入端；另一类则是扰动，或称干扰)(t n ，而干扰)(t n ，可以出现在系统的任何位置， 但通常，最主要的干扰信号是作用在被控对象上的扰动， 例如电动机的负载扰动等。 一个闭环控制系统的典型结构图，如图2-48所示， 应用叠加原理可分别求出下面几种传递函数。 一、输入信号)(t r 作用下的闭环传递函数 令0)(=t n ，这时图2-48可简化成图2-49)(a 。输出)(s C 对输入)(s R 之间的传递函数，称输入作用下的闭环传递函数，简称闭环传递函数，用)(s Φ表示。 ) ()()(1)()()()()(2121s H s G s G s G s G s R s C s +== Φ 而输出的拉氏变换式为 )()()()(1)()()(2121s R s H s G s G s G s G s C += （2-61） 为了分析系统信号的变化规律，寻求偏差信号与输入之间的关系，将结构图简化为如图2-49)(b 。列写出输入)(s R 与输出)(s ε之间的传递函数，称为控制作用下偏差传递函数。用)() ()(s R s s εΦε=表示。 )()()(11)()()(21s H s G s G s R s s +== εΦε （2-62） 二、干扰)(t n 作用下的闭环传递函数 同样，令0)(=t r ，结构图2-48可简化为图2-50)(a 。 以)(s N 作为输入，)(s C 为在扰动作用下的输出，它们之间的传递函数，用)(s n Φ表示，称为扰动作用下的闭环传递函数，简称干扰传递函数。
本科毕业论文（设计）题目状态反馈控制 学院计算机与信息科学学院专业自动化（控制方向）年级2009级 学号222009321042049 姓名王昌洪 指导老师何强 成绩
2013 年4 月18 日 状态反馈控制 王昌洪 西南大学计算机与信息科学学院，重庆400715 摘要：现代控制理论的特色为状态反馈控制，状态反馈控制经过近几十年的发展演变，在 现实控制系统中应用越来越是广泛，由于系统的内部特性可以由状态变量全面的反应出来，因而相对于输出反馈控制，状态反馈更加的有利于改善系统的控制性能。但是，在实际的系统中，状态变量由于其难于直接测量，所以进行状态反馈总是很难实现。本论文将论述状态反馈基本原理，并通过举例说明状态反馈控制的优越性，同时将对状态反馈控制进行Matlab仿真，使系统满足提出的设计要求。 关键词：状态反馈；极点配置；Matlab仿真；时域指标 State Feedback Control Wang changhong Southwest university school of computer and information science, chongqing, 400715 Abstract:Modern control theory, the characteristics for the state feedback control, state feedback control through decades of development and evolution, in the real control system is applied more and more widely, because the internal characteristics of the system can be fully reflected by the state variables,So relative to the output feedback control, state feedback are more favorable to improve the control performance. However, in practical systems, the state variable because of its difficult to measure directly, so the state feedback is always difficult to achieve.This paper will describe the state feedback principle, and illustrates the superiority of the state feedback control, at the same time, the state feedback control for Matlab simulation, the system meets the requirements of the design. Key words:State feedback;Pole assignment;Matlab simulation;Time domain index
状态反馈控制的主要特性及发展 摘要： 控制理论是关于控制系统建模、分析、综合设计的一般理论，是一门技术科学。控制理论的产生及发展与控制技术的发展密切相关，是人类在认识世界和改造世界的过程中逐步形成的，并随着社会的发展和科学的进步而不断发展，状态反馈控制是现代控制理论中一个十分重要的部分，其在实际工程领域中占有举足轻重的地位。 本论文分为三个部分，第一部分主要是介绍了现代控制理论的发展与组成要素以及特点，第二部分介绍了状态反馈控制的主要特性，如：可控性、可观性等。第三部分主要是介绍了状态反馈控制的发展历程，随着科学技术的发展，状态反馈控制理论将在人们认识事物运动的客观规律和改造世界中将得到进一步的发展和完善。 1．前言 1.1现代控制理论概述 对系统或对象施加作用或限制，使其达到或保持某种规定或要求的运动状态。施加作用或限制的本质就是对系统的调节，其依据是给定任务目标和系统变化。因此，控制就是为了实现任务目标给系统或对象的调节作用。这种调节作用是由系统或对象自身完成时，就是自动控制。控制的基本要素如下： （1）控制对象或系统。要了解对象的性质，需建立或辨识系统模型 （2）控制方法。确定适当的调节作用 （3）反馈。检验和协调控制作用 按照控制系统分析设计方法和要求的不同，控制理论存在经典控制理论和现代控制理论之分。一般来说，1960年代以前形成的控制理论属于经典控制理论，其后形成的是现代控制理论。现代控制理论主要包括线性系统理论、系统辨识与建模、最优滤波理论、最优控制、自适应控制五个分支。其中，线性系统理论主要包括系统的状态空间描述、能控性、能观测性和稳定性分析，状态反馈、状态观测器及补偿理论和设计方法等内容。线性系统理论是现代控制理论中理论最完善、技术上较成熟、应用也最广泛的部分，是现代控制理论的基础。 从20世纪50年代末开始，随着科学技术的发展和生产实际的进一步需要，出现了多输入/多输出控制系统、非线性控制系统和时变控制系统的分析与设计问题。与此同时，近代数学的形成和数字计算机的出现为现代控制理论的建立和发展准备了两个重要的条件。近代
闭环控制系统 许多实时嵌入式系统使作出控制决策。这些决策通常是由软件和基于硬件反馈的基础上由它控制（被称为机械）。这些反馈通常采用的是模拟传感器，可以通过一个A / D转换器读取他形式。例如：传感器可能代表位置，电压，温度或其他任何适当的参数。每样提供软件和附加信息基础控制决策。 闭环控制的基本知识 基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。 反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。 一个闭环系统采用反馈来衡量实际的系统运行参数，如温度，压力，流量，液位，转速控制。这种反馈信号发送回的地方是较理想的系统设定点控制器。该控制器发一个误差信号，即启动纠正措施和驱动器输出设备所需的值。在直流电动机驱动上很容
《现代控制系统》 [美] R . C . 多尔夫，R . H . 毕晓普著 第四章：反馈控制系统的特性 4.1 开环和闭环控制系统 既然我们已经能够设计出控制系统组成部分的数学模型，所以这节我们将研究控制系统的特性。在1.1节，控制系统被定义为组成系统的各部分的互联关系，该系统是能够实现预定响应的。因为理想系统响应是已知的，所以就会产生和偏差成比例的信号，这个偏差是理想响应和实际响应之间的差值。在闭环过程中，利用这个偏差信号来控制信号输出的系统就叫做反馈系统。这个闭环系统的操作过程如图4.1所示。为了改善控制系统，引入反馈是非常必要的。有趣的是，在自然环境中也存在这种反馈系统，例如生物和生理系统，在这些系统中反馈是与生俱来的。例如，心脏控制系统就是一个反馈控制系统。 为了解释引入反馈以后系统的特性和好处，我们将举一个单一回路的反馈例子。虽然很多控制系统都不是单一反馈的，但是单个回路反馈比较容易解释。研究单个回路反馈能够最好地说明反馈回路的所有优点，然后我们再把它延伸到多个回路反馈系统。 没有反馈的系统通常被称为直接系统或开环系统，如图4.2所示。 与之相反的是闭环系统，如图4.3所示的负反馈控制系统。 没有反馈的开环{直接}系统就是对应与输入直接产生一个输出。 闭环控制系统就是对输出信号进行测量，然后与理想值进行比较，产生一 个偏差信号，最后再把偏差信号送入调节器。
两种形式的控制系统都由相同的的方框图和信号流线图组成，但是，信号流线图对信号输出的结果起了主要作用。 一般情况下，H （s ）等于1或者不是1的其他常数。这个常数包括单位转换，例如，弧度转化为电压。首先，我们先讨论H （s ）=1时的单位反馈。那么这时Ea(s)=E(s)，并且 Y(s)=G(s)E(s)=G(s)[R(s)-Y(s)] 解出Y(s)，得到 ()()()1() G s Y s R s G s =+ (4.1) 偏差信号是 1()()1() E s R s G s =+ 因此，为了减小偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+G （s ）]的值远大于1。 现在讨论H （s ）≠1的情况，这时闭环回路的输出是： Y(s)=G(s)Ea(s)=G(s)[R(s)-H(s)Y(s)] 因此： ()()()1() G s Y s R s GH s =+ (4.2) 实际的偏差信号是： 1()()1() Ea s R s GH s =+ (4.3) 显而易见，为了减少偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+GH （s ）]的值远大于1。通过信号Ea(s)可以测量信号E(s)的大小。在S 的取值范围内，随着H(s)的值不断减小，甚至H(s)≌1，这个测量越精确。
目录 一、前馈控制系统设计 1、前馈控制系统选择原则 1.1 扰动量可测不可控原则 (2) 1.2 控制系统精确辨识原则 (2) 1.3被控系统自衡原则 (3) 1.4 优先性原则 (3) 1.5 经济性原则 (4) 2、工程整定 2.1 整定的总体原则 2.1.1 稳定性 (4) 2.1.2快速性 (5) 2.1.3 反馈控制的静差 (5) 3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5) 二、实例仿真 (6) 2.1前馈控制系统整定 (7) 2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7) 2.3、反馈控制系统整定 (8) 2.4、系统仿真 (9) 三、心得体会 (11) 四、参考文献 (12) 一、前馈控制系统设计
1.1 前馈控制系统选择原则 前馈控制系统的选择主要有一下原则： 1.1.1 扰动量可测不可控原则 扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。 例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。 而在很多现场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应采取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。 1.1.2 控制系统精确辨识原则 控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。 1.1.3被控系统自衡原则
过程控制实验报告 学院： 学号： 姓名： 实验指导老师： 日期：
一、实验要求与简介 (3) 二、控制原理 (4) 三、实验设备详细介绍 (6) 四．实验过程调试 (15) 五．单回路控制系统 (16) 六．课程总结 (16)
一．实验要求与简介 要求：设计液位控制系统，利用实验室过程控制设备构建单回路PID液位控制系统。了解设备的结构框架，学习对象模型建立的方法和技术、PID参数整定技术、自动化仪表选择相关技能。根据实验条件和系统配置确定实验过程性能指标。综合考虑抗干扰问题、系统稳定性问题、动态性能、稳态偏差等，对实验结果进行分析。实验目标如下： A.了解实验设备，能够根据实物画出系统框图； B.了解和掌握P909自动化仪表的应用场合和使用方法； C.熟悉PID参数整定技术，在实验中正确运用，分析参数整定的作用和效果； D.熟悉液位控制系统中各种自动化测量点、调节阀的相关技术参数； E.实现单回路液位控制，有基本的系统调节能力。 液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，就控制系统本身而言，其含有压力传感器、计算机与采集板组成的控制器、执行器（水泵）、控制对象（水箱）等。本次实验的主要任务是了解一个完整的液位系统的组成、构成液位控制系统的各个部件的工作原理及连接方式、工业上离散控制系统的通信标准、熟悉p909仪表的操作并实现单回路液位控制，有基本的液位调节能力。 液位系统结构图： 整个系统主要有水泵、电磁阀、传感器、水箱组成。 由水泵供水，电动阀调节流速（实验系统中还含有手动调节阀）通过两个入水口进入水
箱，在通过一个出水口进入排水箱，之所以用两个入水口是考虑到进水会带来液位的波动从而给控制器的控制带来困难所以通过两个入口从底部进水，但虽然减少了液位波动但也造成了一些负面影响：入水管中的压强会随着液位的上升而变大，在实际成产中可能会导致事故。 安置在系统中的传感器将系统的状态（温度，水箱液位，入水管压强）通过电流形式上传给上位机，通过控制器的计算再输出电流控制执行器，如：电动阀的开度，加热器等从而达到系统的反馈控制。 传感变送系统 传感器：压力传感器：测量液位高度用的压力传感器为集成压力传感器，通过内部电路将压力信号转化为4~20mA标准信号传送给控制器P909。传感器安装在容器的底部，传感器信号传送至P909。 二．控制原理 控制系统框图： 本系统使用的是PID控制，但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制器的参数。但PID 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。因此研究PID参数整定技术具有十分重大的工程实践意义。 在实时控制中，一般要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能够迅速跟踪，超调量要小且有一定的抗干扰能力。一般要同时满足上述要求是很困难的，但必须满足主要指标，兼顾其它方面。参数的选择可以通过实验确定，也可以通过试凑法或者经验数据法得到。
武汉理工大学研究生课程论文 课程名称：现代控制工程 学生姓名：宋雄 课程教师：谭耀刚 学号：104972101293 日期：2010年1月
状态反馈控制的主要特性及发展 姓名：宋雄班级：机电1004班学号：104972101293 摘要：状态反馈是指系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。本文首先介绍了状态反馈控制系统的主要特性——可控性和可观性，并且对这两种性能进行了举例说明；还介绍了引入状态反馈对系统的可控性和可观性的影响；另外也说明了如何利用状态反馈来任意配置极点。其次，本文主要介绍的是状态反馈控制的发展，有容错控制，带全维状态观测器的状态反馈系统，这两种都是对可控性和可观性的深入的发掘和拓展。 关键词：状态反馈可控性和可观性极点配置全维状态观测器容错控制 引言 随着科技的不断发展，在硬件方面的发展逐步走向饱和，或者很难得到进步和延伸。但是软件方面的发展却逐步地得到社会的重视。一套好的设备，唯有配备合适的软件才能将它的功效尽可能大的释放出来。对于机械方面而言，软件就是指其控制系统。系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。状态反馈也不影响系统的能控性，但可能改变系统的能观测性。只要原系统是能控的，则一定可以通过适当选取反馈增益矩阵K用状态反馈来任意移置闭环系统的极点(见极点配置)。对于传统的输出反馈,如果不引入附加的补偿装置，这一点不是总能作到的。 随着状态观测器理论和状态估计方法的发展（特别是由于卡尔曼-布什滤波方法的出现）,在很多情况下已不难获得状态变量的良好实时估计值，状态反馈方法已进入了实用阶段。 一、状态反馈 1、状态反馈的概念 状态反馈就是将系统的每一个状态变量乘以相应的反馈系数反馈到输入端与参考输入 相加，其和作为受控系统的输入。设SISO系统的状态空间表达式为： x=Ax+bu,y=cx
反馈控制系统: 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。 反馈控制系统（即闭环控制系统）是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。 反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。 反馈控制系统包括： （一）负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。即使系统的输出值与目标值的偏差越来越小。
1. 意义：维持稳态 2. 缺点：滞后、波动 （二）正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈意义：加速生理过程，使机体活动发挥最大效应。即使系统的输出值与目标值的偏差越来越大，正反馈并不是都是好的，有的时候系统需要正反馈的作用。如原子弹引爆装置中要用到的裂变链式反应。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，大量繁殖这种害虫的天敌。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性 反馈控制图解 反馈控制： 管理人员分析以前的工作的执行结果，将它与控制标准相比较，发现偏差所在并找出原因，拟定纠正措施以防止偏差发展或继续存在，就是反馈控制 反馈控制效果 反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。
2-1 试求出图P2-1中各电路的传递函数。 图P2-1 2-2 试求出图P2-2中各有源网络的传递函数。 图P2-2 2-3 求图P2-3所示各机械运动系统的传递函数。 （1）求图（a ）的 ()()?=s X s X r c （2）求图（b ）的() () ?=s X s X r c （3）求图（c ）的 ()()?12=s X s X （4）求图（d ）的 () () ?1=s F s X 图P2-3 2-4 图P2-4所示为一齿轮传动机构。设此机构无间隙、无变形，求折算到传动轴上的等效转动惯量、等效粘性摩擦系数和()() () s M s s W 2θ= 。
图P2-4 图P2-5 2-5 图P2-5所示为一磁场控制的直流电动机。设工作时电枢电流不变，控制电压加在励磁绕组上，输出为电机角位移，求传递函数()() () s u s s W r θ=。 2-6 图P2-6所示为一用作放大器的直流发电机，原电机以恒定转速运行。试确定传递函数 () () ()s W s U s U r c =，设不计发电机的电枢电感和电阻。 图P2-6 2-7 已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统方框图，并求出闭环传递函数。 ()()()()()()[]()s X s W s W s W s W s X s X c r 87111--= ()()()()()[]s X s W s X s W s X 36122-= ()()()()[]()s W s W s X s X s X c 3523-= ()()()s X s W s X c 34= 2-8 试分别化简图P2-7和图P2-8所示的结构图，并求出相应的传递函数。
控制工程学院课程实验报告： 现代控制理论课程实验报告 实验题目：状态反馈控制系统的设计与实现 班级自动化（工控）姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1-6 一、实验目的及内容 实验目的： （1 ）掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法； （2 ）比较输出反馈与状态反馈的优缺点； （3 ）训练Matlab程序设计能力。 实验内容： （1 ）针对一个二阶系统，分别设计输出反馈和状态反馈控制器；（2 ）分别测出两种情况下系统的阶跃响应； （3 ）对实验结果进行对比分析。 二、实验设备 装有MATLAB的PC机一台 三、实验原理 一个控制系统的性能是否满足要求，要通过解的特征来评价，也就是说当传递函数是有理函数时，它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。因此若被控系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置极点，使被控系统达到期望的时域性能指标。
闭环系统性能与闭环极点（特征值）密切相关，在状态空间的分析和综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息。 (一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是：受控系统可控。 设SIMO （Single Input-Multi Output ）受控系统的动态方程为 状态向量x 通过状态反馈矩阵k ，负反馈至系统参考输入v ，于是有 这样便构成了状态反馈系统，其结构图如图1-1所示 图1-1 SIMO 状态反馈系统结构图 状态反馈系统动态方程为 闭环系统特征多项式为 ()()f I A bk λλ=-+ （1-2） 设闭环系统的期望极点为1λ，2λ，…，n λ，则系统的期望特征多项式x b v u 1s C A k -y x &
反馈控制系统简介 摘要：反馈控制系统属于人们通常所说的自动控制系统中的一个分支。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或生产过程的某个工作状态或参数自动的按照预定的规律运行。这些外加的设备或装置称为自动控制装置，它们和控制对象一起形成自动控制系统。例如，船舶机舱的辅锅炉自动控制，分油机自动控制，起货机自动控制和柴油机遥控等都是自动控制技术在船上的典型应用。 关键词：反馈自动控制系统 一反馈控制系统的组成 一个反馈控制系统必须有四个最基本的环节，即控制对象、测量单元、调节单元和执行机构。控制对象是指所要控制的机器，设备或装置，而所要控制的运行参数则称为被控量。控制对象也可称为被控对象。测量单元的作用是，检查被控量的实际值，并把它转换成统一的标准信号，该信号称为被控量的测量值。在气动控制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是0.02-0.1MPa；在电动控制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是4-20mA或0-10mA，使用4-20mA居多。测量单元一般包括两部分，即传感器和变送器，传感器用于对物理量进行检测，变送器则将传感器的输出转换为调节器能够接受的信号。调节单元是指具有某种调节作用规律的调节器。调节器接受测量单元送来的被控量测量值，并与被控量的希望值相比较得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向，按照某种调节作用规律输出一个控制信号，送给执行机构，对被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零为止。执行机构接受调节单元输出的控制信号，并将该信号转换为作用到控制对象的实际控制作用。调节单元输出的控制信号一般都要经过执行机构才能作用到控制对象上，从改变流入控制对象的物质或能量流量，使之能适应控制对象的负荷变化。在气动控制系统中，执行机构一般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀；在电动控制系统中，一般采用伺服电机。 二反馈控制系统的工作过程 设系统处于平衡状态时突然受到一个外部扰动，被控量将离开初始稳定值发生变化，测量单元将把被控量的实际值送至调节器，在调节器内部，被控量的给定值与测量值进行比较，得到偏差值e，调节器依据偏差值的大小和方向按照某种调节作用规律输出一个控制信号，通过执行机构改变流入控制对象的物质或能量流量，被控量朝着偏差减小的方向变化，这一信号又通过测量单元送至调节器，重复上述过程，最终使被控量又回到给定值或给定值附近，系统达到一个新的平衡状态。当改变给定值时，系统的工作与上述过程类似。 三控制系统的典型输入信号 1.阶跃输入函数 2.速度输入函数 3.脉冲输入函数 4.正弦输入函数 参考文献 [1]林叶锦.轮机自动化.大连:大连海事大学出版社,2009
生理学属于医学基础知识需要掌握的内容，中公卫生人才招聘考试网帮助大家梳理知识-反馈控制系统。 反馈控制系统是一个闭环系统，其控制部分不断接受受控部分的影响，即受控部分不断有反馈信息返回输给控制部分，改变着它的活动。这种控制系统具有自动控制的能力。 图1-1是反馈控制系统的模式图。图中把该系统分成比较器、控制系统、受控系统三个环节;输出变量的部分信息经监测装置检测后转变为反馈信息，回输到比较器，由此构成闭合回路。在不同的反馈控制系统中，传递信息的方式是多种多样的，可以是电信号(神经冲动)、化学信号或机械信号，但最重要的是这些信号的数量和强度的变化中所包含的准确的和足够的信息。参考信息即输入信息(Si)，它和反馈信息(Sf)比较后，即得出偏差信息(Se)。三者的关系为：Se=Si+Sf如果是负反馈,则Sf为负值;如果是正反馈，则Sf为正值。 图1-1反馈控制系统模式图 在负反馈情况时，反馈控制系统平时处于稳定状态。如出现一个干扰信息(Sd)作用于受控系统，则输出变量发生改变，导致该反馈控制系统发生扰乱;这时反馈信息与参考信息发生偏差，偏差信息作用于控制系统使控制信息(Sc)发生改变，以对抗干扰信息的干扰作用，使输出变量尽可能恢复到扰乱前的水平。例如，人体的体温经常可稳定在37°C左右，就是负反馈调控作用的结果。现在认为下丘脑内有决定体温水平的调定点的神经元，这些神经元发出参考信息使体温调节中枢发出控制信息来调节产热和散热过程，保持体温维持在37°C左右。如果人体进行剧烈运动，产热突然增加(即发生干扰信息，使输出变量增加)体温随着升高，则下丘脑内的温度敏感(监测装置)就发生反馈信息与参考信息进行比较，由此产生偏差信息作用于体温调节中枢，从而改变控制信息来调整产热和散热过程，使升高的体温回降，恢复到场37°C左右。 例题： 下列生理过程中，属于负反馈调节的是 A.血液凝固 B.压力感受性反射 C.分娩 D.排尿反射 E.排便反射