1.2 闭环系统或反馈系统

有时，为了实现系统的稳定性和一致性，并产生控制系统期望的输出，我们会使用反馈环。反馈不过是输出信号的一部分。这一概念在控制系统中最为频繁且重要，用于实现输出的稳定性。基于反馈连接，控制系统被分为两种类型：开环控制系统和闭环控制系统。

闭环反馈系统

带有反馈环的控制系统被称为“闭环控制系统”。换句话说，利用其反馈信号来生成输出的控制系统被称为“闭环控制系统”。在这些控制系统中，输入通过反馈信号进行控制，以便纠正发生的错误。闭环控制系统是双向信号流系统。

反馈意味着，输出的一部分被取回并连接到系统的输入端，以维持控制系统的稳定性。通过提供反馈环，我们可以将任何开环控制系统转换为闭环系统。反馈环根据输出要求自动纠正输入信号。

闭环系统通过将生成的输出与实际条件进行比较，维持并实现期望的输出。如果产生的输出偏离了决定的（实际）输出，闭环控制系统会生成一个误差信号，并将误差信号反馈到信号的输入端。

因此，通过将误差信号添加到输入中，下一个循环生成的输出将得到纠正。因此，这些系统也被称为自动控制系统。闭环系统对外部干扰的敏感性较低。

闭环系统的框图如下所示。

由于这些系统包含反馈环，闭环控制系统也被称为“反馈控制系统”。通过将反馈信号提供给输入信号，我们可以精确控制控制系统的输出。闭环控制系统可以拥有多个反馈环。

例子

我们在日常生活的许多应用中都使用闭环控制系统。以下是一些基于开环控制系统概念设计的系统：

• 自动电熨斗：根据熨斗的温度自动控制加热元件。
• 伺服稳压器：通过将输出电压反馈到系统中来实现电压稳定。
• 水位控制器：水库中的水位决定了进入其中的水量。
• 空调：空调根据房间温度自动调节其温度。
• 电机速度调节器（使用测速发电机和/或电流传感器）：传感器检测速度，并将反馈信号发送到系统以调节其速度。

反馈系统的实际例子

在市场上，我们可以看到一些自动干衣机。有人知道它们是闭环控制系统的例子吗？在自动控制系统或闭环反馈系统中，我们在系统输入端使用一个传感器来持续监测干衣机内衣物的温度。电动干衣机的框图如下所示。

温度传感器将监测衣物的状态，判断它们是干的还是湿的，并将其与提交的输入参考值进行比较。如果衣物状态与期望输出不匹配（不相似），则系统会生成一个误差信号并将其反馈到输入端。

放大器产生信号的放大输出并将其发送到控制器，以便其调整加热元件以达到期望的输出水平。因此，如果衣物即将变干，控制器会调节并降低温度，或停止加热元件的加热过程，以防止衣物在机器中被烧毁。

闭环系统能够通过反馈信号处理外部噪声干扰（这会降低系统效率）。例如，如果我们打开干衣机，会损失一部分热量，系统内部的温度会下降。然后，反馈传感器会计算衣物的温度，并将误差信号发送到控制器。因此，控制器会设置系统中的所需温度。这就是干衣机中处理错误发生的流程。

误差信号表示实际输出与产生输出之间的差异，该误差信号被提供给控制器以调节系统输出。只有当误差信号为零时，期望输入才等于产生输出。

反馈系统的类型

根据反馈信号的性质，闭环控制系统被分为两种类型：

1. 正反馈信号
2. 负反馈信号

正反馈信号

将正反馈信号连接到输入端的闭环系统被称为“正反馈系统”。正反馈系统的框图如下所示。正反馈也被称为“再生反馈”。

例子

在电子学中，正反馈环的最佳例子是“运算放大器（op-amp）”。我们可以通过将输出电压的一部分通过反馈环连接到非反相输入端（通过一个电阻），从而实现正反馈环。

如果我们向运算放大器的非反相端输入一个正输入电压信号，它会放大输入信号，输出将变得更加正。因此，输出的一部分通过反馈环连接回输入，以产生更高的输出电压。由于反馈环连接到输入端，输出会变得越来越正。在某个点，运算放大器的输出将饱和。

同样，如果我们向运算放大器提供一个负输入电压信号 $V_{in}$，那么输出将变为负。连接到输入端的反馈环会增强放大信号，使其变得更负。这意味着，在正反馈系统中，反馈信号会增强输出信号的性质。

正反馈系统的传递函数为：

$A_{V} = \frac{G}{1 - GH}$

如果 $GH = 1$，则系统的增益将变为无穷大，即使没有输入连接到系统，系统也会自动振荡。在这种状态下，系统将像一个振荡器一样工作。

正反馈系统用于获得对条件输入信号的快速开关响应。使用正反馈环的另一个例子是磁滞效应。磁滞是指即使没有输入，系统仍保持的残余状态。我们在某些双稳态逻辑门中观察到这种行为。

正反馈广泛用于定时电路和振荡器。

负反馈信号

将负反馈信号连接到输入端的闭环系统被称为“负反馈系统”。负反馈系统的框图如下所示。负反馈也被称为“退化反馈”。

负反馈系统更加稳定，并且提高了稳定性。我们将在后续教程中进一步讨论负反馈系统及其应用。

应用

闭环控制系统用于控制电子机器，如电压和电流发电机。除此之外，它们还可以控制机械的速度和其他系统参数。闭环控制系统用于以下所述的要求：

• 提高响应速度
• 保护设备
• 提高精度
• 闭环转矩控制

闭环转矩控制

转矩控制技术用于电池驱动的车辆，如摩托车和汽车。当驾驶员按下加速器时，由驾驶员设置参考转矩 $T$。如果驾驶员控制的转矩为 $T^*$，则实际转矩 $T$ 将跟随控制转矩。

放置在负载上的转矩传感器将发送关于电机速度的反馈，并帮助维持所需的速度。

电流限制控制

在电子设备中，由于系统故障和连接故障，可能会有大量电流流动。如果我们不控制电流并采取一些预防措施，电子设备将损坏，从而导致经济和工业上的损失。

因此，为了限制电流并控制电流流动，我们在电子设备或系统中安装了一个电流限制控制器。电流传感器将连续监测提供给电机的电流。

当电机中的电流流动超过所需的安全水平时，传感器激活反馈环，并将一定量的电流负反馈到控制器，以将电流设置回限制值。

当电流流动再次达到安全限制时，反馈环将被停用。

闭环速度控制

这是驾驶员最常用的反馈环。观察下图，它使用电流传感器和速度传感器来限制电机的速度。

在这个速度控制电机图中，我们看到有两个反馈环，一个用于监测和控制电流，另一个用于控制速度。内环用于通过电流传感器控制电流流动。它限制电机的电流或转矩到安全极限。外环，速度控制传感器监测电机的速度，并将反馈发送到控制器，如果速度超过预定义的水平，则控制速度。

开环控制系统的优点

• 由于闭环控制系统具有反馈信号来控制输出，因此它们非常精确且不易出错。
• 它们可以通过反馈信号自动纠正错误。
• 闭环系统非常精确。
• 开环系统的带宽比闭环系统大得多。
• 它们可以支持自动化。
• 由于它们具有很高的抗噪声能力，因此受噪声影响较小。

闭环控制系统的缺点

• 它们的设计非常复杂且复杂。
• 从经济角度来看，它们的成本非常高。
• 需要高维护。
• 有时反馈信号会导致系统振荡，从而产生振荡响应。
• 需要更多的时间和精力来设计一个稳定的闭环系统。

反馈系统总结

• 系统是连接在一起以执行过程的模块集合。
• 控制系统被定义为用于控制或调节其他系统功能的设备组。
• 利用其反馈信号来生成输出的控制系统被称为“闭环控制系统”。例如：自动电熨斗、空调等。
• 闭环系统可以使用反馈环自动纠正输出中发生的错误。
• 它们比开环系统更稳定，但设计复杂。
• 根据反馈信号的性质，闭环控制系统被分为两种类型：正反馈信号和负反馈信号。
• 将正反馈信号连接到输入端的闭环系统被称为“正反馈系统”。例如：运算放大器，输入连接到正输入端。
• 将负反馈信号连接到输入端的闭环系统被称为“负反馈系统”。例如：运算放大器，输入连接到正输入端。
• 反馈系统或开环控制系统用于：
  • 提高响应速度
  • 保护设备
  • 提高精度