反馈控制原理详解

反馈控制是自动控制系统最基本的一种控制方式，在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

其实，人的一切活动都体现出反馈控制原理，人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书、司机操纵方向盘驾驶汽车沿公路平稳行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡动作都渗透着反馈控制的深奥原理。下面通过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制机理。在这里，书的位置是指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要用眼睛连续目测手相对于书的位置，并将这个信息送入大脑；然后由大脑判断手与书之间的距离，产生偏差信号，并根据其大小发出控制手臂移动的命令，逐渐使手与书之间的距离（即偏差）减小。显然，只要这个偏差存在，上述过程就要反复进行，直到偏差减小为零，手便取到了书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间的距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程，为了获得偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，因此就构成了反馈控制。人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控对象，手位置是被控量（即系统的输出量）。产生控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图1.2.1所示的系统方框图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。

图1.2.1　人取书的反馈控制系统方框图

图1.1.1所示的水箱水位人工手动控制系统也是一个反馈控制系统。操纵者用眼睛观察水位高低情况，用大脑比较实际水位与期望水位来得到偏差，并根据其大小确定进水阀门的调节方向和幅度，然后用手调节进水阀门以改变水箱水位，从而达到减小偏差的目的。水箱水位人工反馈控制系统的工作原理方框图如图1.2.2所示，其中水箱是被控对象，水箱水位是被控量，眼睛、大脑、手、进水阀门等是控制装置。

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图1.2.2　水箱水位反馈控制系统的工作原理方框图（人工控制）

图1.1.3所示的水箱水位自动控制系统，也是一个典型的反馈控制系统。浮子测量水箱的实际水位（被控量）；电位器和连杆将实际水位与期望水位进行比较，给出偏差的大小和正负；偏差信号经放大器进行电压和功率放大后，驱动电动机，并通过减速器来调节阀门的开度，以改变水箱水位，从而达到不断修正实际水位与期望水位之间偏差的目的。图1.2.3为机电式水箱水位反馈控制系统的工作原理方框图。

图1.2.3　机电式水箱水位反馈控制系统的工作原理方框图

通常，我们把传感器测量得到的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。一般的反馈控制系统都是负反馈控制系统。

反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。由于引入了被控量的反馈信息，使整个控制过程闭合，因此反馈控制也称为闭环控制。反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制。