反馈控制原理与系统组成
自动控制的核心思想：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某个物理量按照预定规律运行。反馈控制是最基本也最重要的控制方式。
自动控制的基本原理
定义
自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使被控对象的某个工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。
反馈控制原理
反馈控制 = 按偏差控制：
- 测量被控量（测量元件）
- 与给定值比较，得到偏差（比较元件）
- 根据偏差产生控制作用（放大/执行元件）
- 控制作用使偏差减小
只要偏差存在，控制过程就持续进行，直到偏差消除——这就是负反馈控制的本质。
控制方式分类
三种基本控制方式
| 控制方式 | 特点 | 优缺点 |
|---|---|---|
| 反馈控制（闭环） | 按偏差控制，输出反馈到输入端 | 精度高、抗扰性好；结构复杂 |
| 开环控制 | 按给定量或扰动控制，无反馈 | 结构简单；不能自动修正偏差 |
| 复合控制 | 反馈 + 前馈结合 | 主要扰动前馈补偿 + 其余偏差反馈消除 |
按扰动控制的开环系统
利用可测量的扰动量产生补偿作用，抵消扰动对输出的影响。限制：一种补偿装置只能补偿一种扰动。
复合控制
对主要扰动采用前馈补偿，同时组成反馈控制系统消除其余扰动。工程中最实用的方案。
反馈控制系统的组成
六大功能元件
| 元件 | 功能 | 实例 |
|---|---|---|
| 给定元件 | 给出与期望被控量对应的输入 | 电位器（给定电压 ） |
| 测量元件 | 检测被控量并转为电信号 | 测速发电机、热电偶、电位器 |
| 比较元件 | 输入量与反馈量比较，产生偏差 | 差动放大器、电桥电路 |
| 放大元件 | 放大偏差信号 | 运算放大器、晶闸管 |
| 执行元件 | 直接推动被控对象 | 电动机、液压马达、阀门 |
| 校正元件 | 改善系统性能 | RC 网络、计算机 |
方框图基本元素
- 方框：表示元件或环节，框内为传递函数
- 信号线：箭头表示信号流向
- 比较点（）：信号相加减，负号表示负反馈
- 引出点：信号分支
典型外作用
四种典型输入信号
| 信号 | 数学表达式 | 物理意义 |
|---|---|---|
| 阶跃函数 | 突然施加的恒定作用 | |
| 斜坡函数 | 匀速变化的作用 | |
| 脉冲函数 | 瞬间极大、面积有限的冲击 | |
| 正弦函数 | 周期性振荡作用 |
单位阶跃 是最常用的测试信号——系统对阶跃的响应直接反映动态性能。
对控制系统的基本要求
稳、快、准
| 要求 | 含义 | 度量指标 |
|---|---|---|
| 稳定性 | 偏差随时间衰减至零（先决条件） | 特征根在左半平面 |
| 快速性 | 过渡过程时间短、超调量小 | （调节时间）、（超调量） |
| 准确性 | 稳态值与期望值一致 | （稳态误差） |
三者往往互相矛盾，设计时需要权衡。例如增大增益可减小稳态误差（准），但可能降低稳定性（稳）并增大超调（快与稳的矛盾）。
物理直觉与类比
人体反馈控制
人取书 = 反馈控制系统：
- 被控对象：手
- 被控量：手位置
- 测量元件：眼睛
- 比较元件 + 放大元件：大脑
- 执行元件：手臂
- 偏差 = 手与书的距离 → 大脑发命令减小偏差 → 直到偏差为零
工业实例
| 系统 | 被控对象 | 被控量 | 测量元件 | 扰动 |
|---|---|---|---|---|
| 刨床速度控制 | 电动机 | 转速 | 测速发电机 | 负载变化 |
| 炉温控制 | 电炉 | 温度 | 热电偶 | 环境温度 |
| 锅炉液位控制 | 锅炉 | 液位 | 差压变送器 | 蒸汽负荷 |
| 飞机俯仰角控制 | 飞机 | 俯仰角 | 垂直陀螺仪 | 阵风 |
与已有知识的关联
- 反馈概念 → 反馈放大器基础（模拟 IC 视角的反馈）
- 方框图化简 → 控制系统数学模型（传递函数方框图）
- 典型输入 → 连续与离散时间信号基础（Oppenheim 信号分类）
- 稳定性判据 → 频域分析法与稳定性
- 系统校正 → 控制系统校正与设计
- 离散控制 → 离散控制系统
- PWM调制器建模 → PWM小信号建模（PWM 调制器增益与频率极限）
来源：胡寿松 自动控制原理 第八版 深度解析 Ch.1