反馈控制系统分析
前馈-反馈控制系统的具体分析及其MATLAB／Simulink仿真
制器参数的工程整定， 使控制系统的设计变得简单、 易行。
关键词 ： 前馈 一反馈控 制 系统 ； Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ ； 仿真
１ 引言
随着 生产过 程工艺 的发展 及技 术 的进 步 ，对 自 动控 制系 统的要 求也越 来越 高 。工 业控 制对 象往往 伴 随大量 的干扰 ，采用 常规 的反馈 控制 系统 有时很 难获 得 良好 的控 制质量 ，为 了适应 控制 系统 中存在 的这些 干扰 ，在 控制理论 中提 出了补偿 控制 的基 本
前馈控制器的传递 函数 ； ｃ （ Ｓ ） 为控制通道的传递 节 ， 系统存 在着 稳定 性 问题 。 函数 ； Ｇ ： （ ｓ ） 为被控对象的传递函数 。在扰动量 Ｍ
（ Ｓ ） 的作 用下 ， 系统输 出为 ：
Ｙ（ ｓ ）＝Ｍ（ ｓ ） （ Ｇ ｆ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） ＋ Ｇ （ Ｓ ）） Ｇ ： （ ｓ ）
Ｙ（ ｓ ） ＝ Ｘ（ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） ／
（ Ｉ ＋ Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ Ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｈ（ ｓ ））
（ ２）
前 馈控 制 与反馈 控制 的 比较 ： ａ）由图 １ 可知 ， 前 馈 控 制处 于 开 环控 制 状态 ， 其 系统 的稳 定性 依赖 各个 环节 的稳 定性 ，即其 控制
ｂ ）从 式 （ １ ） 可知 ， 前 馈控 制器依 赖 于控制模 型
的准 确性 。不 同 的被控 对象 ， 其设计 结果 也不一 样 ，
相 对来 说 ， 前馈 控制 器是 专用 控制器 。 反 馈控制 系统 经常 采用 的 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器是一 种 广泛适用 的控 制器 。
反馈控制系统的稳定性分析
1. 稳定裕量的检验
上式如代图入3-系2统2所的示特，征令方s程式z ，即得把1 以虚z轴为左变移量的。新将特1 征方
程式，然后再检验新特征方程式有几个根位于新虚轴
(垂直线 s )的1右边。如果所有根均在新虚轴的
左边（新劳斯阵列式第一列均为正数），则说系统具有
稳定裕量 。1
j
试说明系统是否稳定。
解：系统的闭环传递函数为
(s) G(s)
1 G(s)
k s(2s 1) k
2s2
k sk
D(s) 2s2 s k 0
s 1,2
1
1 8k 4
系统稳定
三、代数稳定判据－劳斯判据
1. 系统稳定性的初步判别（必要条件）
设系统的闭环特征方程式为如下标准形式：
从表中可看出，第 一列符号改变一次， 故有一个根在直线 s= -1（即新座标 虚轴）的右边，因 此稳定裕量不到1。
2. 分析系统参数对稳定性的影响
设一单位反馈控制系统如图3-23所示，求使系统稳定
的k的范围
R(s)
1
k C(s)
s (s 1)(s 5)
图3-23
解(1)系统的传递函数为：
M M M MK
s1
f1
K
s0 g1
K
11
12
b1
1
a1
a0 a1
a2 a3
b2
1 a1
a0 a1
a4 a5
LL
b 直至其余 i 项均为零。
c1
1 b1
a1 b1
a3 b2
c2
1 b1
a1 b1
a5 b3
人体的反馈控制系统
人体的反馈控制系统人体的反馈控制系统反馈控制系统（feedback control system）是一种“闭环”系统，即控制部分发出信号，指示受控部分活动，而受控部分的活动可被一定的感受装置感受，感受装置再将受控部分的活动情况作为反馈信号送回到控制部分，控制部分可以根据反馈信号来改变自己的活动，调整对受控部分的指令，因而能对受控部分的活动进行调节。
如果经过反馈调节，受控部分的活动向和它原先活动相反的方向发生改变，这种方式的调节称为负反馈（negative feedback)调节；相反，如果反馈调节使受控部分继续加强向原来方向的活动，则称为正反馈（positive feedback)调节。
在正常人体内，绝大多数控制系统都是负反馈方式的调节，只有少数是正反馈调节。
（一）负反馈控制系统当一个系统的活动处于某种平衡或稳定状态时，如果因某种外界因素使该系统的受控部分活动增强，则该系统原先的平衡或稳定状态遭受破坏。
在存在负反馈控制机制的情况下，如果受控部分的活动增强，可通过相应的感受装置将这个信息反馈给控制部分；控制部分经分析后，发出指令使受控部分的活动减弱，向原先的平衡状态的方向转变，甚至完全恢复到原先的平衡状态。
反之，如果受控部分的活动过低，则可以通过负反馈机制使其活动增强，结果也是向原先平衡状态的方向恢复。
所以，负反馈控制系统的作用是使系统的活动保持稳定。
机体的内环境和各种生理活动之所以能够维持稳态，就是因为体内许多负反馈控制系统的存在和发挥作用。
举例来说，脑内的心血管活动中枢通过交感神经和迷走神经控制心脏和血管的活动，使动脉血压维持在一定的水平。
当由于某种原因使心脏活动增强、血管收缩而导致动脉血压高于正常时，动脉压力感受器就立即将这一信息通过传人神经反馈到心血管中枢，心血管中枢的活动就会发生相应的改变，使心脏活动减弱，血管舒张，于是动脉血压向正常水平恢复。
在另一些情况下，例如当人体由卧位转变为立位时，体内有一部分血液滞留在下肢静脉内，使单位时间内流回心脏的血量减少，动脉血压降低；此时动脉压力感受器传人中枢的神经冲动立即减少，使心血管中枢活动发生改变，其结果是心脏活动加强，血管收缩，动脉血压回升至原先的水平。
控制系统中的反馈原理和控制方法
控制系统中的反馈原理和控制方法控制系统是指通过对被控对象进行监测和调节，使其达到期望状态或保持稳定状态的系统。
在控制系统中，反馈原理是一种重要的控制方法，它可以实时获取被控对象的信息并进行调整，以达到系统的稳定性和性能要求。
本文将介绍控制系统中的反馈原理和相应的控制方法。
1. 反馈原理的基本概念反馈原理是指将系统输出的一部分作为输入，并与期望输出进行比较，根据比较结果对系统进行调节的原理。
它基于被控对象的实际输出来修正系统的输入，以实现系统的稳定性和性能要求。
反馈原理包括正反馈和负反馈两种形式。
2. 正反馈的原理和应用正反馈是指系统的反馈信号与输入信号同向，即当系统输出增大时，反馈信号也增大，进一步增大系统输出。
正反馈会导致系统失去稳定性，因此在控制系统中较少应用。
然而，正反馈在振荡电路和某些信号放大器中可以发挥积极作用。
3. 负反馈的原理和应用负反馈是指系统的反馈信号与输入信号反向，即当系统输出增大时，反馈信号减小，进一步减小系统输出。
负反馈通过对系统输入进行调节，使系统输出稳定在期望值附近。
负反馈广泛应用于控制系统中，具有稳定性好、抗干扰能力强的特点。
4. 控制系统中的负反馈控制方法（1）比例控制（P控制）比例控制是最简单的负反馈控制方法之一，其原理是根据系统输出与期望输出之间的差异，按比例调整输入信号。
比例控制通过调整比例系数Kp，可以增加系统的灵敏度和响应速度。
（2）积分控制（I控制）积分控制是在比例控制的基础上增加了积分环节，其原理是累积系统输出与期望输出之间的差异，并按比例调整输入信号。
积分控制能够消除系统静态误差，提高系统的精确度和稳定性。
（3）微分控制（D控制）微分控制是在比例控制的基础上增加了微分环节，其原理是根据系统输出变化的速率进行调整。
微分控制能够有效地减小系统的过渡过程，提高系统的响应速度和抗干扰能力。
（4）比例积分微分控制（PID控制）PID控制是将比例、积分和微分控制相结合的一种控制方法。
反馈控制系统稳定性问题及改进方法研究
反馈控制系统稳定性问题及改进方法研究1. 研究背景反馈控制系统是一种常用的控制系统，广泛应用于工业自动化、机器人控制、飞行器等领域。
然而，反馈控制系统在实际应用中常常面临稳定性问题，如系统振荡、不稳定等。
这些问题对系统的性能、可靠性和安全性都会产生负面影响，因此需要进行研究和改进。
2. 稳定性问题的原因分析反馈控制系统稳定性问题的产生原因有多种，主要包括以下几个方面：a. 参数不确定性：如果系统参数存在不确定性，如变化范围较大或存在随机性，会导致系统的稳定性下降。
b. 时滞问题：反馈控制系统中的时滞（包括传感器延迟、信号传输延迟等）会导致系统的稳定性退化。
c. 非线性特性：系统的非线性特性会导致系统稳定性问题的产生和加剧。
d. 信号干扰：如果系统受到外部信号干扰或噪声干扰，会导致系统的稳定性受到影响。
3. 稳定性改进方法针对反馈控制系统的稳定性问题，可以采取如下改进方法：a. 参数估计与鲁棒控制：通过参数估计技术，对系统的参数进行辨识和估计，从而提高系统的鲁棒性和稳定性。
鲁棒控制策略可以针对参数不确定性，克服参数变化带来的稳定性问题。
b. 时滞补偿：采用时滞补偿技术，通过估计和预测时滞，对控制器进行补偿，消除由于时滞引起的不稳定性。
c. 非线性控制方法：针对系统的非线性特性，可以采用模糊控制、神经网络控制等非线性控制方法。
这些方法可以更好地处理系统的非线性特性，提高系统的稳定性和性能。
d. 信号处理与滤波：对于受到信号干扰的系统，可以通过信号处理和滤波技术来减小干扰的影响，提高系统的稳定性。
4. 实验研究为了验证改进方法的有效性，可以进行实验研究。
首先，建立反馈控制系统的数学模型，并模拟各种稳定性问题的影响。
然后，针对每个稳定性问题，应用相应的改进方法进行实验，比较改进前后系统的稳定性和性能。
实验结果可以提供参考，为实际应用中的系统优化提供指导。
5. 结论反馈控制系统的稳定性问题对于系统的性能和可靠性具有重要影响，需要进行研究和改进。
反馈控制系统的组成、工作过程和特点
起的反馈信号变化就愈大。这样，对于相同的参考信号与反 馈信号之间的起始偏差，在系统重新达到稳定后，通路增益 高，误差信号变化就小，整个系统调整的质量就高。应该指 出，提高通路增益只能减小误差信号变化，而不能将这个变 化减小到零。这是因为补偿参考信号与反馈信号之间的起始 偏差所需的反馈信号变化，只能由误差信号的变化产生。
总之，由于反馈控制作用，较大的参考信号变化和输出 信号变化，只引起小的误差信号变化。
欲得此结果，需满足如下两个条件： 一是要反馈信号变化的方向与参考信号变化的方向一致.
因为比较器输出的误差信号e是参考信号r与反馈信号f之差， 即e=r-f，所以，只有反馈信号与参考信号变化方向一致，才 能抵消参考信号的变化，从而减小误差信号的变化。
图8.1 反馈控制系统系统已处于稳定状态，这是输入信号为s0，输出信 号y0，参考信号为r0，比较器输出的误差信号为e0。 ①参考信号r0保持不变，输出信号y发生了变化。y发生 了变化的原因可以是输入信号s(t)发生了变化，也可以是可控 特性设备本身的特性发生了变化。y的变化经过反馈环节将 表现为反馈信号f的变化，使得输出信号y向趋近于y0的方向 进一步变化。在反馈控制系统中，总是使输出信号y进一步 变化的方向与原来的变化方向相反，也就是要减小y的变化 量。y的变化减小将使得比较器输出的误差信号减小。适当
反馈控制系统的组成、工作过程和特点
反馈控制系统的方框图如图8.1所示。图中，比较器的作 用是将外加的参考信号r(t)和f(t)进行比较，通常是取其差值, 并输出比较后的差值信号e(t)，起检测误差信号和产生控制信 号的作用。可控特性设备是在输入信号s(t)的作用下产生输出 信号y(t)，其输出与输入特性的关系受误差信号e(t)的控制,起 误差信号的校正作用。反馈环节的作用是将输出信号y(t)按 一定的规律反馈到输入端，这个规律可以随着要求的不同而 不同，它对整个环路的性能起着重要的作用。
反馈控制微分系统的稳定性分析
反馈控制微分系统的稳定性分析稳定性是控制系统设计中的一个重要指标，它决定了系统在长时间运行中是否能够保持良好的性能。
而是探究系统在存在反馈控制和微分操作的情况下是否能够保持稳定的研究。
在反馈控制微分系统中，系统的输出值通过传感器测量并与期望值进行比较，得到误差信号。
然后，该误差信号经过控制器进行处理，产生控制信号，通过执行器对系统进行调节，使得系统的输出接近期望值。
微分操作则是通过对误差信号进行微分运算，得到误差的变化率，用于进一步调节系统的响应速度。
稳定性分析的核心是确定系统的传递函数，并通过对其进行分析来判断系统是否稳定。
对于反馈控制微分系统，我们可以将其表示为一个闭环传递函数，其中包含控制器、执行器、传感器和被控对象。
通过对传递函数进行极点分析，可以确定系统的稳定性。
在稳定性分析中，我们通常关注系统的极点位置，特别是极点的实部。
如果所有极点的实部都小于零，则系统是稳定的；如果存在一个或多个极点的实部大于零，则系统是不稳定的。
此外，如果存在一个或多个极点的实部等于零，则系统可能是边界稳定的。
稳定性分析还可以通过根轨迹法进行。
根轨迹是系统所有极点随控制器增益变化而形成的轨迹。
通过观察根轨迹的形状，我们可以得出系统的稳定性信息。
如果根轨迹都位于单位圆内部，则系统是稳定的；如果根轨迹有一个或多个位于单位圆上或外部，则系统是不稳定的。
除了极点和根轨迹分析，稳定性分析还可以使用频域方法，如Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据。
这些方法通过分析系统的频率响应来判断系统的稳定性。
综上所述，反馈控制微分系统的稳定性分析是控制系统设计中的重要环节。
通过对系统的传递函数进行极点分析、根轨迹分析以及频域分析，我们可以判断系统的稳定性，并在设计过程中进行相应的调整，以保证系统在长时间运行中具有良好的性能。
电路中的反馈控制与稳定性分析
电路中的反馈控制与稳定性分析反馈控制是电路设计中的重要概念，它可以帮助电路实现稳定的工作状态。
在电路中引入反馈，可以根据输出信号对输入信号进行调整，以达到我们期望的工作效果。
本文将探讨电路中的反馈控制与稳定性分析。
首先，我们来介绍反馈控制的基本概念。
电路中的反馈控制是指将一部分输出信号作为输入信号的参考，用来调节输入信号的大小或方向，以实现对电路工作状态的控制。
一般来说，反馈可以分为正反馈和负反馈两种。
正反馈是指输出信号与输入信号的相位一致，即输出信号会增强输入信号的变化。
在正反馈电路中，输入信号经过放大之后，输出信号又作为输入信号的一部分进行放大，使得输出信号的幅值逐渐增大，从而引起系统不稳定的问题。
因此，在实际电路设计中，正反馈往往需要通过其他方式来抑制其不稳定性。
相反，负反馈是指输出信号与输入信号的相位相反，即输出信号会抑制输入信号的变化。
在负反馈电路中，输出信号的一部分会与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号的大小或方向。
这种调节可以使电路的工作状态更加稳定，因为输出信号的变化会被抑制，从而减小系统的波动。
稳定性是衡量电路工作状态稳定性的重要指标。
在电路中引入反馈可以提高电路的稳定性。
通过负反馈，我们可以将输出信号与期望信号进行比较，并根据比较结果对输入信号进行调节，使得输出信号逐渐趋近于期望信号。
在这个过程中，我们可以通过稳定性分析来评估电路的稳定性。
稳定性分析是指通过对电路的数学建模和分析，来判断电路是否稳定或者在何种条件下能够实现稳定。
常用的稳定性分析方法有极点分析法、频率响应法等。
通过这些方法，我们可以分析电路的传递函数和极点位置，从而得出电路的稳定性。
值得注意的是，在电路设计中，我们经常会遇到稳定性问题。
例如，在放大器中，如果稳定性设计不当，可能会出现震荡现象，导致输出信号不稳定。
因此，在电路设计过程中，我们需要充分考虑反馈控制的稳定性，并采取相应的措施来保证电路的稳定工作。