到底什么是控制系统？一文带你了解！

       控制系统是一个跨学科的课题，涉及所有不同类型的工程，它具有无处不在的应用，从小型电子电路到大型工业机器人，我们自己的身体就是一个很好的控制系统。

       什么是控制系统？

    在我们思考什么是控制系统之前，首先了解一下什么是系统，系统是用来执行特定任务的一系列设备的集合。

    当我们向系统输入激励时，会得到一定的响应，电阻器、电容器、空调、汽车等都是不同的系统。

    控制系统是指其能够接收到外界的输入，并按照一定需求调节其输出的系统。

    上图显示了控制系统的框图，控制系统会根据需要更改平台或系统的反应。

       例如，假设有一个系统用来控制伺服电机的位置，这就是一个控制系统（或控制器），它为电机提供一定的控制，控制其旋转的角度，最终目标是让整个系统（系统和控制器）执行特定的任务（旋转一定角度）。

    比如某用户需要用传统的微波炉煮土豆， 这个过程看起来像下面图片中的内容：

    这种情况下，土豆是否煮熟取决于许多因素，如土豆的大小，它的新鲜度等。简单地设置一个固定的时间并不能确保土豆煮熟，那么，该怎么办呢？

    这时候可以添加一个传感器，感应土豆是否煮熟，那么，这台微波炉变的智能起来，工作过程看起来应该像下图中所示：

       如果土豆没有完全煮熟，传感器将增加额外的烹饪时间，并确保土豆完全煮熟。

    这里讨论的两个例子包含两种最基本控制系统，前者是开环控制系统而后者是闭环控制系统。

       开环控制系统

    开环控制系统简单明了，控制操作独立于输出结果，简言之，输入信号、输出信号与控制策略之间没有涉及反馈。

    在这种情况下，用户不知道是否获得了所需的输出，因为在控制过程中可能会有额外的干扰。

    这种控制系统的效果在很大程度上取决于初始校准的准确性，因此不太可靠。

    在某些情况下，如果不在意输出的准确性，那么进行开环控制是有好处的，因为它会简单很多，例如控制红绿灯的系统，每个红绿灯只运行固定的时间，并不需要反馈信息。

       闭环控制系统

       闭环控制系统也称为反馈控制系统，在这里控制操作取决于所需的输出，闭环控制系统可以有一个或多个反馈路径。

       在闭环系统中，将输出与参考输入进行比较，并生成误差信号，此误差信号被反馈给控制器以调节输入减少此误差信息，从而获得所需的输出，该调节过程会反复进行。

       这种类型的控制系统非常可靠，输出的精度非常高，缺点是系统的成本可能会上升，系统会变得复杂，但在许多情况下，这种付出是值得的。

       什么是反馈？

    开环和闭环系统不同之处就是是否存在反馈调节，也可以说，反馈将开环控制系统转变为闭环控制系统。

    反馈过程是通过传感器将部分输出送回输入，这些反馈信息可以与输入信号求和，也可以与输入信号做差，根据不同的操作，我们将反馈分类为正面反馈和负面反馈两种。

    当反馈信号通过求和添加到输入中时，它被称为正反馈，这时候，误差信号永远不会减少，因此正反馈仅在极少数情况（如信号发生器和振荡器）中应用。

    当反馈信号通过作差从输入中减去时，它被称为负反馈，这时候，误差信号逐渐减少，系统将达到预期输出，大多数控制系统都基于负反馈控制。

       反馈系统的实例

       接下来，通过运算放大器了解使用反馈的效果，首先看一下开环系统控制，基本开环运算放大电路如下所示。

       在示波器 XSC1中显示的是开环工作下的放大器输入与输出，红色正弦波是输入信号，绿色方波是输出信号。

       再看一下闭环系统的输入与输出之间的关系，下图是运算放大器工作在闭环条件下的简单电路。

       在示波器 XSC1中显示的是闭环工作下的放大器输入与输出，红色正弦波是输入信号，绿色正弦波是输出信号。

       通过对比可以看到，闭环工作条件下的电路输入与输出之间具有更高的线性度，更容易通过输入调节输出。

       反馈对系统增益的影响

    上面的例子中看到反馈降低了系统增益，由于运算放大器的开环增益非常高，但是输出信号不会超过供电电压（图中为12V）因此开环应用中输出波形截止，输出为方波。

    但是在添加反馈电阻器后，闭环系统增益显著降低，输出信号幅度可以受输入信号控制。

    虽然通常情况下反馈会降低系统增益，但是在使用正反馈时，情况恰好相反，在正反馈系统中系统增益会提高。

    当然增益大小也取决于工作频率，反馈可以在一个频率范围内增加系统的增益，并在另一个频率范围内减少系统增益。

       反馈对系统敏感度的影响

    开环系统的输出在很大程度上取决于电源电压，上面例子中当电源电压为 12V时，输出幅值约为10V，当电源电压为10V时，输出降低到8V左右。

       在闭环的情况下，即使电源电压发生变化，输出信号幅值也可以保持不变。因此可以说，反馈可以在很大程度上降低了系统参数变化对输出的影响。

    开环工作的运算放大器，在10V电源供电情况下输入与输出波形：

    闭环工作的运算放大器，在10V电源供电情况下输入与输出波形：

       反馈对系统带宽的影响

    上面例子中，引入反馈可以增加系统的带宽，带宽是指我们获得所需输出的频率范围。

    对于开环系统，其频率响应如下图所示：

    同一个系统，引入反馈之后，其频率响应如下图所示：

    从上述频率响应中看到，显然使用反馈会增加带宽。但是，值得注意的是，正反馈会导致系统带宽降低。

       反馈对系统稳定性的影响

    对于一个最初稳定的开环系统，引入反馈之后，系统可能变的更加稳定或完全不稳定。
       反馈对于稳定性来说就像一把双刃剑，为了提高稳定性，必须正确应用反馈，否则反馈将给系统带来有害的影响。

       系统响应时间

    除了上面内容之外，反馈也可缩短系统的响应时间，在每个反馈周期，输出将被迫向所需的输出方向移动，这将减少系统实现所需输出使用的时间。

       闭环系统的工作过程

       让我们以开车为例来总结一下闭环系统的工作过程，首先思考一下在这个例子里是否存在以下组件？

• 控制系统或者受控平台
• 输入参考
• 输入控制
• 输出
• 扰动

      花点时间思考一下上面问题，然后再继续阅读下面内容。

   在开车时，我们想从A点到B点，在这里，B点是目的地。现在，在每一个点上，我们看到离B点有多远，然后身体控制方向盘改变方向。

    因此，参考是目的地，控制输入是引导我们的汽车从A点到B点的转向机制，输出是实际位置，这里的干扰可能是交通、路况等。

       总结

    在以上介绍性教程中，介绍了控制系统的含义，介绍了反馈是闭环系统与开放循环系统的区别。
       了解了带反馈的闭环控制系统如何提供所需的输出，以及系统中可能受反馈影响的参数，比如增益、带宽、敏感性、稳定性和响应时间等。

    要直观地了解控制系统，请观察你周围的事情，并尝试找出该控制系统中涉及的元素。