如何应用闭环控制？

闭环控制利用被控过程输出响应信息来决定输入。反馈适用于下列几个或全部条件满足的情况：

1）干扰不可避免；

2）可以获得被控系统响应信息，这对于反馈来说是必不可少的；

3）对性能有严格的要求；

4）系统动态特性未知，或受限于很大的不确定性，或具有时变性。

如图8-8所示，在反馈系统中，控制信号需要的信息包括：所有可用信息、过程知识（包括过程知识不确定性的模型）、干扰信息（测量和模型）、需要满足的目标（参考跟踪、调节等）以及最重要的实际系统响应的测量。

反馈需要什么样的设施呢？很显然，反馈往往与成本息息相关。仪表对于测量和驱动都是至关重要的。上述问题的答案确实取决于总体需求。最重要的问题简单地说就是反馈必须能够确保是否满足所提出的需求和有足够的能力执行需求。

有时在某些应用中所考虑的目标就仅仅是需要反馈。例如，使用恒温器调节房间温度是很简单的：当室内温度太低时加热，当室内温度太热时停止加热。恒温器接收了一个相当粗糙的温度值：所需要的仅是判断室内温度与参考值上下限的关系。

一般来说，越精确的信息会产生更好的反馈。但是肯定存在着收益递减的规律。重要的是，反馈需要的测量信息是源于系统状态的概念。系统状态被定义为在给出当前和未来的输入前提下在给定的时间里用足够的信息预测系统演变。假如能够找到最少（最小维）状态对于反馈来说就足够了。对于系统来说不需要收集更多的信息，因此状态信息和状态反馈就是我们能做的事情了。

图8-8 闭环控制

听起来很不错，但一般状态反馈需要大量的仪器和大量的通信容量来传输数据。基于完整状态测量的状态反馈是非常昂贵的，或因为状态无法衡量（例如试图测量铝土矿熔炉内部温度）而无法实施。

在这种情况下，状态信息实际上是非常有用的。闭环控制系统可能由两个独立系统组成：首先一个系统借助所有的可用信息（测量、模型等）产生（最佳的）猜测或者状态估计（或者任意可得到的中间变量），然后控制器子系统使用状态估计值去产生下一个输入值。第一个子系统，从测量、模型到状态，也被称为虚拟传感器，集成了许多与测量信号自身质量有关的特征。著名的卡尔曼滤波器就是一个虚拟传感器；这将在9.2节讨论。(www.xing528.com)

使用部分状态信息的替代方法将在下一节讨论。闭环控制：

一个基本的控制回路需要传感器、执行机构和控制器，与被控对象的相互作用决定了整体控制系统的响应。

下列情形中，需要用闭环控制：

●被控过程不得不在不稳定的情况下运转；

●被控过程的行为有很大的不确定性；

●存在未知的扰动。

反馈必须能够容许一定程度的偏差，否则就不会有响应。实现反馈必须要提供检测量，要么是直接的，要么是关于控制目标达到程度的推算。

在下列情形下，反馈或许是不适用的：

●需要的仪器仪表过于昂贵，或者根本不存在；

●被控过程不存在不确定，并且也不存在扰动；

●反馈设计不能被验证。