

当我们手触碰到高温的物体,会自动的缩手,这就是反馈所产生的现象。
当我们看到自己喜欢的对象,心跳会加速,这就是反馈所产生的现象。
当我们眼睛遇到强光,会不由自主的闭眼,这就是反馈所产生的现象。
手机拍照时,会根据被拍摄物体的距离自动的调焦清晰成像,这就是反馈产生的现象。


一个系统的输出,不断直接地或经过中间变换后全部或部分地返回到输入端,并与输入共同作用于系统的过程。


1.按照是否人为设置反馈控制装置,反馈可以分为内反馈与外反馈。


上图所示为发动机离心调速系统结构原理简图。燃料燃烧形成的燃气作为动力源作用在发动机上,通过发动机内部信息的传递与加工处理,使得发动机输出轴产生一定速度的转动。如果没有图中虚线框所示的离心调速装置,当发动机负载一定时,输入的燃气量越多,发动机输出轴就转动得越快;反之就越慢。当发动机输出轴所带的负载变化时,如果输入的燃气量恒定,则发动机的输出转速会发生变化,负载越大转速就会越慢。
发动机离心调速系统的目的是,无论作用在发动机上的负载怎么变化,其输出转速要基本保持为恒定。其工作原理为:如果负载变化使ω增大,离心结构的滑套就会上移,通过ab杆带动液压比例控制器的滑阀阀芯上移,高压油通过1油路进入油缸上侧油箱,进而推动动力活塞下移,致使油门关小,输出转速ω减小,直到液压滑阀回复到中位,ω回到设定值,自动调节结束。反之亦然。
在研究任务分析时曾经分析过的左图所示的m-k-c单自由度系统,其动力学方程为
,可将其用以下方框图表示,


在这两个例子,反馈在本质上都是信息的传递与交互。但从具体形式上看,则有所不同。对于发动机离心调速系统来说,离心调速器是人为附加的反馈控制装置,其目的在于抵抗由于负载变化这一干扰引起的输出轴转速的变化,这种反馈称为外反馈。而m-c-k系统中存在的反馈则为内反馈,这种反馈是系统内部的信息交互,反映了系统内部各元素之间互为因果的联接关系,反映了系统的动态特性。
由此,将内反馈与外反馈的定义归纳为,
(1)内反馈:在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。是系统内部各个元素之间相互耦合的结果,是造成系统存在一定动态特性的根本原因。
(2)外反馈:在控制系统中,为达到某种控制目的而人为加入的反馈。
2.按照反馈作用使输出偏离程度的增加或减小,反馈可以分为正反馈与负反馈。



(1)负反馈:输出(被控量)偏离设定值(目标值)时,反馈作用使输出偏离程度减小,并力图达到设定值。这类系统的控制过程实质上就是“测偏与纠偏”的过程。
例如:发动机离心调速系统、液面自动调节器、恒温箱、数控机床进给伺服系统、火炮自动瞄准等,其反馈均属于负反馈。
(2)正反馈:输出(被控量)偏离设定值(目标值)时,反馈作用使输出偏离程度加剧。
例如:自激振荡器、火药爆炸、热核反应、机器疲劳破坏等,其反馈均属于正反馈。


我们以恒温箱为研究对象,简单分析一下控制系统的工作原理。

上图所示为人工控制的恒温箱。当箱中的温度受环境温度或电源电压波动等外来的干扰而变化时,为满足箱中温度的恒定要求,可由人工来移动调压器的活动触头,以改变加热电阻丝的电流,从而控制箱内的温度。箱内温度由温度计来检测。这里,恒温箱为被控对象,箱内温度为被控量(参数),温度计为检测元件,调压器为控制器。人工控制恒温箱温度的过程如下:
(1)观察由温度计测出的恒温箱的温度;
(2)与所要求的温度值(给定值)进行比较,得出偏差的大小和方向;
(3)根据偏差调节调压器,进行箱内温度的控制。当恒温箱的温度高于给定温度时,人工移动调压器触头向左,以增加加热电阻丝的电流,使温度升高到给定值;相反,当恒温箱的温度低于所要求的温度值时,可人工移动调压器触头向右,以减小加热电阻丝的电流,使箱中温度下降到给定值。
由此可见,人在这种控制中的作用是检测、求偏差以及进行纠正偏差的控制,简单地说,就是“测偏与纠偏”的过程。如果将用一个自动控制器来代替人的职能,那么人工控制系统就可以变成一个自动控制系统。
下图所示为自动控制的恒温箱。在这个自动控制系统中,温度计由热电偶代替,并增加了电气、电机和减速器等装置。

在这个系统中,选取电压u1代表恒温箱的给定信号,当外界因素引起箱内温度变化时,热电偶作为检测元件,把箱内温度转换为对应的电压信号u2,并使u2能反馈回去与给定信号u1相比较,产生了温度的偏差信号Δu=u1-u2,经电压、功率放大后,来控制执行电机的旋转速度与方向,并通过传动机构及减速器带动调压器触头移动,使加热电阻丝的电流增加或减小,直至Δu=0,此时箱内温度达到给定值,电机停转,温度自动调节结束。
对比恒温箱人工控制系统与自动控制系统,可以看出:
(1)测量:前者靠操作者的眼睛,而后者通过热电偶输出u2来测量。
(2)比较:前者靠操作者的头脑,而后者靠自动控制器。
(3)执行:前者靠操作者的手,而后者由电机等执行机构完成。
恒温箱自动控制系统的物理结构框图如下图所示。方框表示系统的各组成部分,直线箭头代表信号的流向,其上的标注表示传递的信号。
从结构框图上看,系统存在反馈。

在工程技术领域中,越来越多地采用了自动控制系统。在这种系统中,往往有着“反馈控制”。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。因为没有反馈就无法测量偏差,就无法根据偏差自动控制系统纠正偏差。
一般在自动控制系统中,偏差是基于反馈建立起来的。自动控制的过程就是“测偏与纠偏”的过程,这一原理又称为反馈控制原理。利用此原理组成的系统称为反馈控制系统。它具备测量、比较和执行三个基本功能。





典型的反馈控制系统包括给定环节、测量环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、控制对象等。
给定环节——主要用于产生给定信号或输入信号,例如,恒温箱自动控制系统的给定电位。
测量环节——测量被控量或输出量,并将被控量转换为便于传送的另一物理量(一般为电量)。例如,热敏感元件、压力传感器、调速系统的测速发电机均为这类环节。
比较环节——用来比较输入信号与反馈信号的大小,并得到一个小功率的偏差信号。它可以是一个差接电路,旋转变压器、机械式差动装置、运算放大器等都可以作为比较元件。
放大运算环节——对偏差信号进行信号放大和功率放大的环节,以带动执行环节实现控制。常用的放大类型有电流放大、电气—液压放大。电流伺服阀、伺服功率放大器等都可以作为放大运算环节。
执行环节——接收放大运算环节送来的控制信号,驱动被控对象按照预期的规律运行。例如,执行电动机、液压缸等都可以作为执行环节。
被控对象——控制系统所要操纵的对象,它的输出量就是系统的被控量。例如,数控车床的刀架台、发动机等等。
尽管不同的反馈控制系统是由许多起着不同作用的环节组成的,但都可以看成是由控制部分和被控部分组成。