预测式负反馈控制
反馈能力的作用与能力
转自《自动化博览》2003年第一期，pp.1-3.关于反馈的作用及能力的认识郭 雷（北京 中国科学院系统科学研究所 100080）摘要反馈现象无处不在，它在人类进步、社会发展和技术创新中起着不可或缺的重要作用。
反馈是控制论中最基本的概念，也是对付复杂系统的一条基本的系统学原理。
在控制系统中，反馈的主要作用是对付系统中存在的内部和外部不确定性。
反馈的有效利用常常对工程技术领域的发展产生重大影响。
在控制论中，两个基本的问题是：如何有效利用反馈？反馈的能力究竟有多大？本文将首先简述对反馈作用的定性认识，接着介绍几种典型的反馈设计方法，最后介绍近几年在探索反馈机制的能力与局限方面所得到的某些定量认识。
关键词：系统、控制、反馈、信息、动态性、不确定性、非线性、复杂性、鲁棒性、适应性、稳定性。
一对世界上事物的发展变化，从量子系统，到工程系统，再到社会经济系统，如果人类都可以做出准确无误的预测，那么世界肯定是另外一番景象。
现实世界中充满了各种未知因素、不确定因素和不可预测因素，而人们常常又不得不面对这些复杂因素，适时地作出各种决策，然后针对系统的实际运行情况来进一步不断调整和修正这些策略，这就是一个反馈和适应过程。
从我国改革开放初期的“摸着石头过河”到近来常说的“与时俱进”，本质上都是适应反馈过程。
事实上，反馈无处不在。
物种的进化、人类文明的进步、社会的发展、科学与技术的创新无不与自适应反馈有密切的关系。
正如控制论创始人维纳在其著作[1]中说明的，反馈普遍存在于动物和机器中，它实际上存在于一切有目的的行为中。
为什么需要反馈呢？这主要是客观实际系统的复杂性所致，也是人类能力的局限性与智能性的体现。
我们知道，客观世界具有多层次结构，并且它是各种事物相互联系、相互作用和相互影响的一个统一整体。
为了使对某一具体问题的研究能够深入下去，且能给出可行的解决方案，我们不得不将研究精力集中于一个适度大小的范围内，这就形成了针对这一具体问题的具体系统（严格来讲，通常是开放系统）。
第一章(绪论)控制工程概论
[例]
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
开环
控制
方式
原理方框图
输入量
ui
uo
输出量ω
给定电位计
放大器
电动机及负载
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
闭环
控制
方式
输入量
ur 给定电位计
△u
uo
放大器
e
输出量ω 电动机及负载
测速发电机
第一章 绪论
[例]
用于船舶推 进器中的离 心式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
用于船舶推进器 的电子式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
直 流 调 速 系 统
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
第一章 绪论
四. 控制系统举例
(二) 随动系统 随动系统的输入信号是一个随时间任意变化 的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任 务是在有扰动的情况下，保证输出量以一定的精 度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中， 输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系 统也称为自动跟踪系统(或伺服系统)。
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
பைடு நூலகம்
Hi
Ho
浮子、联杆
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
Hi
Ho
浮子、联杆
电位计
电机
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-6
ωi
飞锤、弹簧
最不利环路的确定原则-概述说明以及解释
最不利环路的确定原则-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述环路是指一个系统内部信号在不同的路径上形成闭合回路，这种回路会对系统的稳定性产生一定的影响。
在系统设计中，确定最不利环路是十分重要的，因为它可以帮助我们更好地了解系统的稳定性及其特性，并在必要时进行优化和改进。
本文的目的是探讨确定最不利环路的原则，并讨论其在系统设计中的重要性。
我们将首先介绍环路的概念和意义，接着详细分析环路对系统稳定性的影响。
然后，我们将介绍确定最不利环路的方法，并总结出最不利环路的确定原则。
最后，我们将讨论应用最不利环路原则的重要性，以及展望未来研究方向。
通过深入研究最不利环路的确定原则，我们可以更好地理解系统的运行机制，并找到系统中潜在的问题和改进的空间。
这对于提升系统的稳定性、性能和可靠性具有重要意义。
在现代科技迅速发展的时代背景下，最不利环路的确定原则的研究及其应用将成为未来系统设计和优化的重要方向。
因此，本文旨在通过对最不利环路的确定原则进行全面的分析和总结，为系统设计师提供实用的指导和建议。
希望读者通过阅读本文，能够深入了解最不利环路的概念及其在系统设计中的应用，从而为实际工作提供有益的参考。
1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
下面将对每个部分的内容进行简要介绍。
引言部分将对本文的主题进行概述，介绍环路的概念和意义。
首先，我们将解释环路在系统中的作用和重要性，以及环路对系统稳定性的影响。
然后，我们将说明文章的结构和目的，为读者提供文章阅读的导引。
正文部分将详细讨论环路的概念和意义，以及其对系统稳定性的影响。
首先，我们将介绍环路的定义和特点，帮助读者理解环路在系统中的含义。
然后，我们将探讨环路对系统稳定性的影响，包括环路可能导致的负面效应和问题。
最后，我们将介绍最不利环路的确定方法，指导读者在实践中如何确定系统中最不利的环路。
结论部分将总结最不利环路的确定原则，并讨论应用最不利环路原则的重要性。
控制理论的发展与一些存在的问题
控制理论的发展与一些存在的问题段志生北京大学工学院什么是自动化？一般是指生产、管理和科研过程中，在没有人的直接干预下，通过一定的技术装置，就能达到预定的目标。
其中有关的技术装置，就是自动控制装置。
控制理论－自动化的基础自然科学－－认识世界控制－－改造世界北京大学一、控制论的产生与发展社会背景现代社会的生产和管理对于高度自动化水平的需要数学分析, 微分方程, 统计数学, 信息科学社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。
——恩格斯标志二战期间，维纳参加了火炮控制和电子计算机的研制工作。
1948年维纳发表了著名的《控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学》标志着控制论作为一门科学诞生。
1、我国古代、近代的自动化装置北京大学及其反映的控制思想李约瑟中国科学技术史北京大学瓦特离心式调速器1787年J.C. Maxwell 1868年发表论文“论调速器”对反馈作了理论论述，并从数学上作了探讨。
2、直接推动近代科技发展的调速器北京大学3、控制论的基本概念和方法（1）目的有无目的是区分人与机器的根本问题, 目的论与机械论的根本对立.（2）行为、控制为了改善某个对象的功能，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的，加于该对象上的作用。
（3）黑箱——灰箱——白箱“知人知面不知心”输入输出中医“望、闻、问、切”（1）按偏差进行补偿的系统特点：系统中至少有一个将输出量加以回输的闭合环路，是具有反馈的闭环系统。
（2）按扰动进行调节的系统特点：输入量按负荷的变化而成比例的改变以趋近目标值，是开环系统，抗干扰能力差。
基本控制思想二、技术层次控制科学的发展1、自动化的实现一般自动控制系统的结构图2、控制论的应用与主要分支1、工程控制论控制论在工程技术方面（机械的、电机的和电子的自动控制系统）上的运用。
又称自动控制理论，或简称控制理论（control theory）我国著名科学家钱学森1954年在美国出版了《工程控制论》一书。
管理学原理 第2版 第10章 控 制
（三）分级控制
分级控制是指将管理组织分为不同的层级，各个层级 在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动，是 将集中控制和分散控制相结合的控制方式。 优点：信息传递有详略，使各部门快速了解情况，迅速作 出反应；整体目标易协调；系统组织适应性强。 缺点：组织设计要求高。 适用于系统庞大、管理复杂的组织。
第十章 控 制
一、控制概述 二、控制的类型 三、控制的过程 四、控制的方法与实施
第一节 控制概述
控制论中的控制是指为调节和制约一个系统的 行为，使系统在动态环境中保持一定稳定性或促 使系统由一种状态向另一种状态转移的活动。
2
一、控制的定义
1、控制的定义
组织在动态环境中按照计划标准衡量计 划的执行情况和纠正执行中的偏差以确保 计划目标实现的过程。
3
2、控制的对象
（1）对人员的控制：管理者是通过他人来实现其目标的， 包括巡视和评估。
（2）对财务的控制：企业的首要目标是获得利润，包括审 核、预算。
（3）对作业的控制：主要指对作业过程的控制，一个组织 的成功，很大程度上取决于它在生产产品或提供服务方 面的效率和效果。
（4）对信息的控制：建立管理信息系统，管理者需要信息 来完成他们的工作。
（5）对组织绩效的控制：科学评价和衡量组织绩效。
4
3、 控制的目标和功能
管理控制工作的目标主要有两个： 1、限制偏差的累积；2、适应环境的变化。 它们与控制的两大功能联系在一起的。控制通过其“纠偏” 功能(A1)，使计划执行中的偏差得以防止或缩小，从而确 保组织的稳定运行；同时通过其“调适”功能(A2)，积极 调整原定标准或重新制定新的标准，以确保组织对内外运 行环境的适应性。
（一）前馈控制（预先控制）
第1章 绪论
5
主要经历三个阶段： 经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
6
1.1.1 经典控制理论
1 自动装置的发明与应用
公 元 前 1500 年 ， 埃 及 人 （ Egyptians ） 和 巴 比 伦 人 （Babylonian.）发明了世界上最早的计时器－水钟，又称漏刻、 漏滴、漏壶或漏等。
7
图1-1 铜壶漏刻
Control
Systems》
Benjamin
高教出版社
6.《Modern
等
Control
Systems》
Richard C.Dorf 高教出版社
2
第一章
绪 论
主要内容：
1.1 引言
1.2
1.3 1.4 1.5 1.6
自动控制的基本概念
自动控制系统的组成 自动控制系统的分类 自动控制系统的应用实例 对自动控制系统的基本要求及教学内容
4
自动化的应用领域 ：
工农业生产（如压力、张力、温度、流量、位移、湿度、粘度等自动 控制） 国防建设（如飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船 等自动控制） 社会经济（如模拟经济管理过程、经济控制论、大系统、交通管理、 图书管理等） 人类生活（如生物控制论、波斯顿假肢、人造器官等）
8
1642年，法国物理学家帕斯卡（B. Pascal）发明了第一台机械式十 进制加法器，解决了自动进位这一关键问题，也第一次确立了计算器 的概念，因此他被公认为制造机械计算机的第一人。 1657年，荷兰科学家惠更斯（C. Huygens）应用伽利略（G. Galilei， 1564-1642）的理论设计了钟摆，在他的指导下年轻的钟匠考斯特（S.
同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭 环控制。
《自动控制系统》课件
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03
自动控制系统的基本控 制方式
开环控制方式
开环控制的特点：简单、成 本低、响应速度快
开环控制的定义：不依赖于 反馈信号的控制方式
开环控制的应用：在简单、 稳定的系统中使用
开环控制的局限性：无法适 应环境变化，无法实现精确
控制
闭环控制方式
闭环控制：通过反馈信号来控制输 出，使输出与期望值保持一致
自动控制系统是一种能够自 动控制和调节设备或过程的 系统。
自动控制系统的主要功能是 实现对被控对象的自动控制
和调节。
自动控制系统广泛应用于工 业、农业、交通、医疗等领
域。
自动控制系统的组成
传感器：用于检测和控制对象的状 态
控制器：用于接收传感器的输入信 号，处理后输出控制指令
添加标题
添加标题
添加标题
稳定性分类：分为稳定、不稳 定、临界稳定和半稳定
稳定性分析方法：包括时域分 析法、频域分析法和根轨迹分 析法等
快速性
快速性是指系 统对输入信号
的响应速度
快速性指标包 括上升时间、 峰值时间和超
调量
快速性指标反 映了系统的动
态性能
快速性指标对 于控制系统的 稳定性和准确
性至关重要
准确性
自动控制系统的 准确性是指系统 输出与期望输出 之间的误差
发展趋势：智能化、网络化、小型 化、节能化
气动执行器
工作原理：利用压缩空气作为动力源，通过气缸、活塞等部件实现直线或旋转运动 特点：结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、易于维护 应用领域：广泛应用于工业自动化、机械制造、化工、食品等行业 发展趋势：智能化、集成化、节能化、环保化
液压执行器
第8章 先进过程控制技术 PPT
被控过程的数学模型的准确程度直接影响到控制的 质量。对于复杂的工业过程，要建立它的准确模型是非 常困难的。1978年Richalet提出的预测控制是一种对模 型精度要求不高而同样能实现高质量控制的方法 ，并 很快在工业生产过程自动化中获得了成功的应用。
虽然这些控制算法的表达形式和控制方案各不相 同，但都是采用工业过程中较易得到的对象的脉冲响 应或阶跃响应曲线为依据，并将它们在采样时刻的一 条列数值作为描述对象动态特性的数据，构成预测模 型，据此确定控制量的时间序列，使未来一段时间中 被控量与期望轨迹之间的误差最小，这种“优化”过
Y (k+1)=[y (k+1) y (k+1) … y (k+p) ]T
H=[h1 h2 … hm]T 则式（8.11）可表示为
Yp(k+1)=YM(k+1)+H[y (k+1) -y M(k+1) ] （8.12） 8.3.3广义预测控制与内部模型控制 1．广义预测控制
Clarke于1985年提出广义预测控制GPC，在保留MAC、 DMC算法特点的基础上，采用受控自回归积分滑动平均模型 CARIMA或受控自回归滑动平均模型CARMA 作为内部模型， 对模型失配、模型参数误差的鲁棒性有所提高。
8.2.2模型参考自适应控制系统
模型参考自适应控制系统的基本结构如图8.2所示
参考模型
+ ym（t）
r
自适应机构
e（t）
+
控制器
被控过程
y（t）
—
图8.2 模型参考自适应控制系统框图
模型参考自适应控制系统除了图8.2所示的并联结 构之外，还有串联结构、串——并联结构等其它形式。 按照自适应原理不同，模型参考自适应控制系统还可分 为参数自适应、信号综合自适应或混合自适应等多种类 型。
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预测式负反馈控制--一种优秀的自动控制方法
作者ColeYao97年湖南大学电气系毕业生曾进修于华中科技大学物理电子专业
目前在各种工业场合，很多地方都用到了单片机数字控制方式（离散控制），相对于原先
使用各种电子元件构成的模拟调节方式，数字控制方式控制具有元件少，更改参数简单，可
靠性高，信号处理简单等特点，在最近已日渐取代模拟调节成为大势所趋。
离散控制中最成熟，最流行的应该是PID控制方式及其各种变种，各个学科的前辈们对
PID进行了深入的研究，使得PID控制的理论越来越成熟，其实际应用也越来越广泛。PID
控制方式其实是一种频域的解决问题的方法，它将实域问题映射到频域中，通过对频域的研
究（波特图等等）得出一些结论，并反过来指导解决实域问题，因此，PID控制方式尽管各
参数在实域内得到了一定意义上的解释，但其本质上是频域的，因而PID也有着一些固有
的缺点，最明显的缺点就是PID控制方式参数整定比较复杂，对PID没有深入地研究过的
话很难应用到实际产品中去，特别是有一些产品使用的场合干扰比较大，有较大的延时，此
时更难得到一个理想的参数。
因为本人不是自动化专业出身，工作后接触的自动控制也很有限，我就只能拿温度控制
来解释一下预测式负反馈控制方法了，至于该方法是不是对其它场合同样有效，希望各位有
心的读者自行作个验证。
既然要讲温度控制，那么就先讨论一下温度控制有那些指标，怎样的控制曲线是理想的
控制曲线。就我自己的理解，温度控制的指标主要有升温速度，过冲幅度，调节时间，稳定
后控制精度，抗扰动这五项，这五项如果要同时做到最好是比较困难的，但是如果其中一到
两个参数指标稍微放宽一些，其余指标做到最佳则是可以的，下面的一副图给出了一个近似
理想的控温曲线，其中红色曲线为使用仿真软件得到的温控曲线。
（图一）
再给一个产品实际控温曲线图，如下：
（图二）
使用通常的PID控制，要想得到理想的控温波形应该是要花一番功夫的，如果再需要
预留一定的抗扰动余量，可能会难倒不少已经对PID整定有相当熟练程度的电工。不过如
果是采用预测式负反馈控制，以上的难点就会迎刃而解。那么就是预测式负反馈控制的原理
是怎样的呢，它为何会有这样的控制效果呢？要弄明白预测式负反馈控制的工作原理，就必
须明白比例负反馈原理。比例负反馈原理在很多介绍PID控制的资料中都有介绍，我就不
多讲了，只讲一下它的特点：比例系数较小时，抵抗环境扰动的能力较弱，比例系数较大时
则会因系统延时产生等幅振荡，因而纯粹的比例负反馈很少用到实际控制中去。但是回过头
来再想一想，既然单独用比例负反馈不行，是不是再加入其它分量经过适当搭配消除系统延
时的影响呢，随之当然就出现了PID控制方式，尽管PID用起来并不简单，但经过前人这
么多年的摸索和研究，已经找到了一套行之有效的办法，就是一些整定方法，但是，有没有
比PID控制方式更有效更简洁的控制方式呢，当然是有的，也就是我要介绍的预测式负反
馈控制，它也是由比例负反馈控制衍生出来的。
比例式负反馈，控制中的递增量与当前的控制误差成正比（这里为了说明方便，引入一
些标记：T(n)为n秒时刻被控物体的测量温度，SetT为设置的被控物体控制温度的期望值，
E(n)=T(n)-SetT为n秒时刻的控温误差，v(n)=E(n)-E(n-1)为n秒时刻的温度波动速度（时间
等于1就省掉了）），也即PWM(n)=PWM(n-1)-Kp*E(n)，当温度偏高时，E(n)为正值，从
而PWM(n)减小，当加热设备加热功率与PWM(n)成正比时，也即加热功率减小，从而降低
加热设备温度，也即为负反馈，从而使温度稳定在一定范围内。为了解决系统延时的影响，
我在这里把E(n)处理一下，新得到的变量极为Adj_E(n)，也就是调整后的温度误差，
Adj_E(n)=K_Fd*[E(n)+PreK*v(n)]，为啥要做这样的处理，这就是预测式负反馈控制法的精
髓所在，K_Fd即反馈深度，其含义等同于比例式负反馈中的Kp，PreK为预测深度，其大
小决定了预测的时间长短，E(n)+PreK*v(n)的真实含义也就是在预测PreK秒之后的E(n)值
大小。为啥作了这么一个预测能克服系统延时呢？那是因为对于一个温控系统而言，尽管被
控问题的当前温度为T(n)，但因为系统延时的影响，被控物体有保持温度上升（下降）的趋
势，根据预测后的温度误差来控制就考虑了温度上升（下降）带来的影响，因而能克服系统
延时。如果读者对平面几何比较熟悉，那么也应该可以看出来经过预测的温度误差，它的作
用并不是将温度保持在设定温度上，而是控制升温曲线的斜率，越远离设定温度升温曲线斜
率越大，曲线越陡峭，越接近设定温度升温曲线斜率越小，曲线越平缓，从而达到近似理想
的控温曲线。
知道了预测式负反馈控制的原理，稍加操作，就可以掌握反馈深度和预测深度的值的选
取。通常反馈深度选为1，对于系统延时大的温控系统适当将预测深度选大一些，而对于升
温速度快的温控系统则应将预测深度选小一些，如果系统很变态（升温快，延时又长）的话
可以加大预测深度，同时降低反馈深度，这样可以避免反馈过度导致系统振荡，另外加大反
馈深度或预测深度都可以降低超调，具体怎么选，看系统稳定就好了。
好了，知道了预测式负反馈控制的原理是不是有一股迫不及待跃跃欲试的感觉，我开发
了一款PID温控仿真软件，名字就叫“PID温控仿真软件”可以较好地仿真PID控制和预
测式负反馈控制这两种方法控温方法，大家可以到阿莫BBS中的51单片机分论坛下去下载。