反馈控制方式简介

我们还是以房间温度控制系统为例，来说明反馈控制的特点。采用反馈控制的房间温度控制方案如图1.3.3所示，该方案利用温度自动调节器（根据温度自动启动的装置）来调节房间温度。

图1.3.3　房间温度反馈控制系统

σ为温度自动调节器的阈值，这种温度自动调节器往往使房间温度在±σ范围内振荡。当预期温度发生阶跃变化时，房间温度的变化曲线如图1.3.4所示。T0为房间初始温度，Tr为期望温度。我们假设房间初始温度和室外温度都低于期望温度，此时偏差为正，温度自动调节器将燃气阀门打开，燃气进入炉子并燃烧，为房间提供热量，此热量远远大于房间的热量损失，因此房间温度逐步上升，直到房间温度达到Tr+σ，此时偏差为-σ，因此温度自动调节器将燃气阀门关闭，不再提供燃气给炉子。由于门窗打开、风等散热因素，房间温度开始下降，直至下降到Tr-σ时，即偏差为+σ时，温度自动调节器才将燃气阀门又打开，提供燃气给炉子。

一般温度自动调节器的σ永远大于零，因此系统不可能维持在恒定值。如果我们降低σ，振荡幅值会减少，但由于增加了电动机的切换频率，因此会影响温度自动调节器的寿命。

图1.3.4　预期温度阶跃变化后房间温度的变化曲线（示意图）

若想将房间温度控制在某一恒定值，则可采用如图1.3.5所示的比例控制器，即采用比例控制器替代图1.3.3中的温度自动调节器，控制器的输出量与输入信号成比例，m=Ke。这个比例控制系统在有干扰的情况下，也可以使房间温度保持恒定，但有一定误差，若使K很大，则误差将变得极小。

(www.xing528.com)

图1.3.5　采用比例控制器的房间温度反馈控制系统

注意：读者不要误认为一个简单的反馈控制就可获得又精确又稳定的满意控制效果，实际上要达到这个目的还要做很多工作。在图1.3.5中，当K过大时，可能会影响系统的稳定性。尤其是当测量装置、执行装置响应慢，或被控对象处于非最小相位时，反馈控制系统可能会不稳定。例如，当炉子的热量需要一个很长的管子才输送到房间时，如图1.3.6所示。这时如果K很大，房间的温度输出将产生很大的振荡并可能不稳定；当K很小（谨慎控制）时，虽可避免振荡，但精度和反应速度差，温度会很慢（单调）地收敛到一个较低的值。

图1.3.6　房间温度反馈控制系统（带输热管）

从房间温度控制系统的例子可以看出，反馈控制与开环控制有本质的区别。

开环控制不管被控量变化有多大，总是按一种模式运行，通常不能做到使输出量按指定规律变化。但开环控制系统结构简单，当被控量不易被测量时，用此类控制方式较方便。

反馈控制有能力敏感被控量（室温）的变化，与期望值有偏差时能够产生修正指令，具有抑制内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度，即反馈控制有能力处理不确定性，这种不确定可指被控对象的变更（如换了一间房子）、环境的变化（如室外温度和风速的变化等）。反馈控制虽然使系统能够适应环境变化，但必须等干扰反应在被控变量的变化上以后，反馈控制才做出反应，即反馈控制不能对即将进入系统的干扰进行提前补偿，因此在干扰可测的情况下，反馈控制的性能就不是很令人满意。通俗地讲，反馈控制思想有点类似于“亡羊补牢”。另外反馈控制系统使用的元部件较多，结构较复杂，而且若控制参数选择不当，还会引起系统稳定性问题。

因此，控制工程师必须在开环系统的简单低成本与闭环控制的高精度高成本之间进行折中。