閉環控制系統

基於反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，並消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的迴路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統多數是反饋控制系統。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱為自動調節系統，而把用來精確地跟隨或實現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。

反饋控制系統由控制器、受控對象和反饋通路組成。比較環節是用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環節在具體系統中可能與控制器一起統稱為調節器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變數為實際的爐子溫度；輸入變數為給定常值溫度，一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經過功率放大後用來驅動相應的執行機構進行控制。

一個典型的反饋控制系統的基本組成可以用圖1.8所示的框圖表示。將組成系統的元件按在系統中的職能來劃分，主要有以下幾種：

(1)給定元件：給出與期望輸出對應的輸入量。

(2)比較元件：求輸入量與反饋量的偏差，常採用集成運算放大器(簡稱集成運放)來實現。

(3)放大元件：由於偏差信號一般較小，不足以驅動負載，故需要放大元件，包括電壓放大及功率放大。

(4)執行元件：直接驅動被控對象，使輸出量發生變化。常用的有電動機、調節閥、液壓馬達等。

(5)測量元件：檢測被控量並轉換為所需要的電信號。在控制系統中常用的有用於速度檢測的測速發電機、光電編碼盤等；用於位置與角度檢測的旋轉變壓器、自整機等；用於電流檢測的互感器及用於溫度檢測的熱電偶等。這些檢測裝置一般都將被檢測的物理量轉換為相應的連續或離散的電壓或電流信號。

(6)校正元件：也叫補償元件，是結構與參數便於調整的元件，以串聯或反饋的方式連接在系統中，完成所需的運算功能，以改善系統的性能。根據在系統中所處的位置不同，可分別稱為串聯校正原件和反饋校正元件。

同開環控制系統相比，閉環控制具有一系列優點。在反饋控制系統中，不管出於什麼原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，並能改善系統的響應特性。但反饋迴路的引入增加了系統的複雜性，而且增益選擇不當時會引起系統的不穩定。為提高控制精度，在擾動變數可以測量時，也常同時採用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構成複合控制系統。

一般來說，開環控制系統結構比較簡單，成本較低。開環控制系統的缺點是控制精度不高，抑制干擾能力差，而且對系統參數變化比較敏感。一般用於可以不考慮外界影響或精度要求不高的場合，如洗衣機、步進電機控制裝置以及水位調節系統等。

在閉環控制系統中，不論是輸入信號的變化，或者干擾的影響，或者系統內部參數的改變，只要是被控量偏離了規定值，都會產生相應的作用去消除偏差。因此，閉環控制抑制干擾能力強。與開環控制相比，系統對參數變化不敏感，可以選用不太精密的元件構成較為精密的控制系統，獲得滿意的動態特性和控制精度。但是採用反饋裝置需要添加元部件，造價較高，同時也增加了系統的複雜性，如果系統的結構參數選取不適當，控制過程可能變得很差，甚至出現振蕩或發散等不穩定的情況。因此，如何分析系統，合理選擇系統的結構和參數，從而獲得滿意的系統性能，是自動控制理論必須研究解決的問題。

閉環控制系統在控制上具有以下特點：由於輸出信號的反饋量與輸入量作比較產生偏差信號，利用偏差信號實現對輸出量的控制或者調節，所以系統的輸出量能夠自動地跟蹤輸入量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。除此之外，負反饋構成的閉環控制系統還有其他的優點：引入反饋通路后，使得系統對前向通路中元器件參數的變化不靈敏，從而使系統對於前向通路中元器件的精度要求不高；反饋作用還可以使得整個系統對於某些非線性影響不靈敏。

這是一種自動控制系統，其中包括功率放大和反饋，使輸出變數的值響應輸入變數的值。數控裝置發出指令脈衝后，當指令值送到位置比較電路時，此時若工作台沒有移動，即沒有位置反饋信號時，指令值使伺服驅動電動機轉動，經過齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動元件帶動機床工作台移動。裝在機床工作台上的位置測量元件，測出工作台的實際位移量后，后反饋到數控裝置的比較器中與指令信號進行比較，並用比較后的差值進行控制。若兩者存在差值，經放大器後放大，再控制伺服驅動電動機轉動，直至差值為零時，工作台才停止移動。這種系統稱為閉環伺服系統。