[科普中国]-速度反馈控制

反馈校正是通过在系统的某一部分引入反馈来改善系统性能的，因此又称局部反馈。

图是最基本的反馈校正系统框图。

其中，是反馈网络的传递函数；是跨接反馈网络的部分传递函数，，便是内回路的传递函数；是其余部分的传递函数。通常总是将反馈校正网络跨接在系统中时间常数最大的部件(如功率放大和驱动电机)上，以取得更显著的校正效果。1

从反馈校正的这种结构，可以看出它具有以下特点：

首先，可以有效地抑制作用在内回路各元件上的各种扰动，减小元件参数变化和非线性特性对系统性能的影响，这与读者熟知的反馈放大器的特点是一致的；

其次，可以分别调整前向通道和反溃通道的参数，以期单独改变系统某一方面的性能；

另外，由于反馈校正信号是从高功率点向低功率点传递，通常可不必另加放大器。

除此之外，在串联校正中，由于串入校正网络，使原系统开环传递函数增加了零、极点，并以此来改善系统性能，通常，这也增加了系统的阶次；然而，从以下的分析可以看出，反馈校正不是依靠增加系统的零、极点，而是由所构成的内回路来改变开环极点的位置(极点配置)，从而改善系统性能。进一步分析(第八章)证明，合理地反馈受控系统的全部状态变量，理论上讲可以使反馈极点配置在任意希望的位置上。

控制系统中通常采用反馈放大器作为前级元件。这种将元件输出的全部或部分直接反馈到元件输入端的方法称为硬反馈。但是，在系统中构成反馈校正时广泛采用软反馈。也就是说，反馈校正信号不是直接比例于系统的输出信号，而是将输出信号经过相应网络的加工而得到。

在位置控制系统中，输出信号的一次导数是输出轴的转速，二次导数是输出轴的角加速度。相应的反馈分别称为速度反馈和加速度反馈。以输出信号的一次导数为例，由于

因此，速度反馈实质上就是在系统的控制作用中加入误差信号的微分项。

在速度反馈系统中，通常用转速计(测速发电机)作校正元件。将它的转轴和执行电机转轴相连接，它的输出电压

（Kb是转速计的传递系数)，作为反馈校正信号进入前向通道中功率放大器的输入端。

在上面提到过的图中，假设功率放大、执行电机的传递函数为

这是导前网络。它说明一次微分反馈校正(速度反馈校正)等效于串联导前网络校正。

以上分析表明，对于I型位置控制系统而言，引入速度反馈后仍是I型系统，当输入为位置信号时，系统的稳态误差为零。事实上，系统达到稳态后输出轴静止，速度反馈信号为零。

但是，速度反馈使传递系数下降，当输入信号为时间的函数时，例如输入斜坡函数时，稳态误差将比校正前加大。可见，速度反馈信号进入主通道后，除了误差信号的导数项之外，还要减去输入信号的导数项，当输入为斜坡信号时它为常数，它减弱了控制信号，使系统稳态误差加大。

为了减小速度反馈对系统精度的影响，可在转速计之后串入滤波器，以滤除。由于输入信号一般比误差信号变化缓慢，因此应采用高通滤波器，使以通过而滤除。

常用的高通滤波器是RC微分网络。转速计后串接一节高通滤波器的电路如图所示。

将输出量的速度信号采用负反馈形式反馈到输入端并与误差信号比较，构成的回路称为速度反馈控制。如果输出量是机械角位移，可采用测速电机将机械量转换成正比于输出速度的电信号，从而获得速度反馈。

反馈控是指控制论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。在控制论中，反馈通常指输出端通过“旁链”方式回馈到输入，所谓反馈控制。输出端回馈到输入端并参与对输出端再控制，这才是反馈控制的目的，这种目的是通过反馈来实现的。

反馈控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。反馈控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是反馈控制。比如家用空调温度的控制。

将一个系统的输出信号的一部分或全部以一定方式和路径送回到系统的输入端作为输入信号的一部分，这个作用过程叫——反馈。按反馈的信号极性分类，反馈可分为正反馈和负反馈。

若反馈信号与输入信号极性相同或变化方向同相，则两种信号混合的结果将使放大器的净输入信号大于输出信号，这种反馈叫正反馈。正反馈主要用于信号产生电路。反之，反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反（反相），则叠加的结果将使净输入信号减弱，这种反馈叫负反馈放大电路和自动控制系统通常采用负反馈技术以稳定系统的工作状态。

负反馈的取样一般采用电流取样或电压取样。因为负反馈有其独特的优点，在实际放大器中得到了广泛的应用，它改变了放大器的性能。采用负反馈使得放大器的闭环增益趋于稳定，消除了开环增益的影响。电子线路中阻抗匹配是一重要问题，负反馈还影响着放大器输入和输出阻抗，电压混合使输入阻抗增高，电流混合使输入阻抗降低; 电流取样使输出阻抗增高，电压取样使输出阻抗降低。利用负反馈还可大大减少放大器在稳定状态下所产生的失真，并可减弱放大器内部各种干扰电平。利用负反馈还可展宽放大器的频带，使得放大器的幅频特性变得比较平坦。因此，负反馈可大大提高放大器的放大质量，改善许多性能指标，而且反馈越深，改善的程度也愈大，但过深的负反馈又可能引起放大器不能正常工作而导致自激，因而一个稳定的负反馈放大器通常不超过三级。

1. 振荡器的一部分输出在使振幅减小的方式下向输入的返回。

2. 指受控部分发出反馈信息，抑制或减弱了控制部分的活动。

3.负反馈是指反馈信息与控制信息的作用性质相反的反馈

4..若反馈的作用是减弱反射中枢对效应器的影响，称为负反馈，反馈信息为负。在一个闭环系统中，控制部分活动受受控部分反馈信号（S5）的影响而变化，若S5为负，则为负反馈。其作用是输出变量受到扰动时系统能及时反应，调整偏差信息（Sc），以使输出稳定在参考点（Si）。

当受控客体受干扰的影响，其实现状态与期望状态出现偏差时，控制主体将根据这种偏差发出新的指令，以纠正偏差，抵消干扰的作用。在反馈控制中，由于控制主体能根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差，所以有较强的抗干扰能力，能进行有效的控制，从而保证预定目标的实现。管理中所实行的控制大多是反馈控制，所用的控制原理主要是反馈原理。这种控制如果我们把输入值用x表示，输出值用y表示，客体的功能用s表示，控制系统也即反馈系统的作用用R表示，偏差信息用△x表示，

则有：y=S(X+△X)=S(X+Ry)=SX+SRy

式中R称反馈因子或控制参数，它反映反馈控制系统的反馈功能或控制功能。

反馈控制在各种控制实例中有具体的表现方式：

正反馈与负反馈是反馈控制常见的两种基本形式。其中负反馈与正反馈从达到目的的角度讲具有相同的意义。从反馈实现具体方式来看，正反馈与负反馈属于代数或者算术意义上的“加减”反馈方式，即输出量回馈至输入端后，和输入量进行加减的统一性整合后，作为新控制输出，去进一步控制输出量。实际上，输出量对输入量回馈远不止这些方式。这表现为：运算上，不仅仅是加减运算，还包括了更广域的数学运算；回馈方式上，输出量对输入量回馈，也不一定采取和输入量进行综合运算形成统一的控制输出，输出量能通过控制链直接施控于输入量等等。

可见，引入比例一微分控制加大了系统的等效阻尼比，从这一点来理解，比例一微分控制有如下特点：

(1)引入比例微分控制，使系统阻尼比增加，从而抑制振荡，使超调减弱，改善了系统平稳性；

(2)引入误差信号的微分控制，系统的反馈传递函数出现一个零点，将会加快系统响应速度，使上升时间缩短，峰值提前，又削弱了“阻尼”作用。因此，适当选择微分时间常数，使系统具有过阻尼，则响应将在不出现超调的条件下，显著提高快速性。

采用速度反馈后系统性能得到如下改善：

(1)速度反馈使阻尼增大，振荡和超调减小，改善了系统平稳性；

(2)速度负反馈控制的反馈传递函数无零点，所以其输出响应的平稳性与反馈系数K。的关系简单，易于调整；

(3)环节Ks的加入，会使系统开环放大系数降低，会引起系统在跟随斜坡输人时的稳态误差加大。所以，在设计速度反馈控制系统时，应适当提高系统的开环增益，以补偿速度反馈引起的开环增益损失，同时适当选择反馈系数K。，使阻尼比比较合适，从而使各项性能指标均符合要求。

交流电梯主要是通过逐次短路与感应电动机串联的电阻和电抗器，进行电阻触点控制。这个方式具有运行时间随载荷而变化，乘坐舒适感不好，及平层误差大，并且稳定性差等缺点。为了改善这些缺点，可以在交流电梯上采用和前述直流电梯一样的速度控制方式。 2

随着晶体三极管、可控硅和集成电路等半导体技术的高速发展，使用半导体器件控制感应电动机在技术和价格方面都进入了实用阶段，并也在电梯行业上得到了应用。从1973年起也在标准型电梯中开始使用了。

下图表示出三菱电机采用的速度反馈控制方式的框图。

由电动机轴带动测速发电机检测出轿厢的速度，把它同速度信号发生器发出的给定电压相比较得到正或负的电位差，使转换放大器动作。

当电位差为正时，经过起动触发回路，使起动控制部分的可控硅导通，在电动机中加进对应于正电位差的电压。

当电位差为负时，经过制动触发回路，使制动控制部分的可控硅工作，在电动机中加进对应于负电位差的电压。

这样，根据给定电压和速度反馈电压之差的大小，可以控制可控硅的导通角，来控制电动机的输入电压，如图所示。表是采用速度反馈控制方式的交流电梯的载重量和速度。

开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高，使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统，开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。

闭环控制有反馈环节，通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。

半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。