闭环控制系统框图、种类及其应用特点

有时候，为了获得系统的一致性和稳定性并产生控制系统的期望输出，从而使用反馈回路。反馈只不过是输出信号的一部分，在控制系统中最常见和最重要，以实现输出的稳定性。

根据反馈连接类型的不同，控制系统分为两种类型，即开环控制系统和闭环控制系统。在本文中，小编简单介绍下闭环控制系统框图、种类及其应用特点。

闭环控制系统的概念

具有反馈回路的控制系统称为“闭环控制系统”。换言之，利用其反馈信号产生输出的控制系统称为“闭环控制系统”。在这些控制系统中，输入是由来自输入的反馈信号控制的，因此它可以纠正发生的错误。闭环控制系统是双向信号流系统。

反馈是指取一部分输出连接到系统的输入端，以保持控制系统的稳定性。通过提供反馈回路，可以将任何开环控制系统转换为闭环系统。反馈回路根据输出要求提供输入信号的自动校正。通过将生成的输出与实际情况进行比较，闭环系统可以保持并实现所需的输出。如果产生的输出与决定的（实际）输出有偏差，闭环控制系统会产生一个误差信号，并将误差信号馈送到信号的输入端。

因此，通过将误差信号添加到输入，下一个循环的生成输出将被校正，所以这些也被称为自动控制系统。闭环系统不易受到外部干扰。

闭环控制系统的框图

闭环系统的框图如下所示，闭环控制系统的基本元件包括误差检测器、控制器、反馈元件和动力装置。

当控制系统包括反馈回路时，这些系统称为反馈控制系统。因此，可以通过向输入提供反馈来精确控制输出。注意，闭环控制系统可以有多个反馈回路。

在上图中，误差检测器产生一个误差信号，因此这是输入和反馈信号的变化。通过将系统输出视为输入，可以从控制系统中的反馈元素获得该反馈信号。作为输入的替代，该误差信号可以作为控制器的输入给出。

因此，控制器产生一个驱动信号来控制设备。在这种情况下，控制系统的输出可以被自动校正以获得优选的输出。因此，这些系统也被称为自动控制系统。闭环控制系统的最佳示例是在输入端包含传感器的交通灯控制系统。

闭环控制系统的类型

闭环控制系统根据反馈信号的性质分为正反馈信号和负反馈信号两种类型。

1、正反馈信号

包括正反馈信号的闭环系统可以连接到系统的输入端，称为正反馈系统，该系统也称为再生反馈。

电子电路中这种正反馈的最佳例子是运算放大器，因为这个环路可以通过使用电阻的反馈环路将输出电压的一部分连接到同相端的输入来实现。

2、负反馈信号

包含负反馈信号的闭环系统可以连接到系统的输入端，称为负反馈系统。这种系统也被称为退化反馈。这些类型的系统非常稳定，也增强了强度。

这些系统用于控制电流发生器、电压发生器等电子机器，也用于控制机械速度。闭环控制系统用于以下要求：

• 提高响应速度
• 用于保护设备
• 提高准确性

闭环控制系统的转换

闭环控制系统行为可以通过其传递函数来表示，它可以定义为控制系统的输入和输出的数学关系。控制系统可以通过o/p与i/p的比率来计算。因此，控制系统的输出是输入与传递函数的乘积。

对于上述系统，C(S) = E(S) * G(S)，E(S) = R(S) – H(S) * C(S)

将这个 E(S) 值代入 C(S) 中，则可以得到：

C(S) = [R(S) – H(S) * C(S)]* G(S)，即：C(S) = R(S) G(S) – H(S) * C(S) * G(S)

从上面的等式可以得到：

R(S) G(S) = C(S) + H(S) * C(S) * G(S)

R(S) G(S) = C(S) [1 + H(S) * G(S)]

C(S)/R(S) = G(S)/ [1 + H(S) * G(S)]

这是这个负反馈系统的传递函数。类似地，对于正反馈，传递函数方程可以写为：

C(S)/R(S) = G(S)/ [1 – H(S) * G(S)]

闭环控制系统应用示例

在市场上可以看到一些自动烘干机，但你知道它们是闭环控制系统的例子吗？在自动控制系统或闭环反馈系统中，我们在系统的输入侧使用一个传感器来连续监测烘干机内衣物的温度，电动干衣机的框图如下图所示。

温度传感器将监控衣服的状态，无论它们是干的还是湿的，并将其与提交的输入参考进行比较。如果衣服状态和所需输出不匹配（不相似），则系统会生成错误信号并将其发送回输入。放大器产生信号的放大输出到控制器，它可以将加热元件调整到所需的输出水平。因此，如果衣服即将干燥，则控制器会调节并降低温度或停止加热元件的加热过程，使其不会烧毁机器中的衣服。

闭环系统能够通过反馈信号处理外部噪声干扰（导致系统效率降低）。例如，如果打开干燥器，会损失一些温度，系统内部温度会降低。然后反馈传感器将计算衣服的温度，然后将误差信号发送给控制器。以便控制器在系统中设置所需的温度。这也是处理烘干机发生错误的过程。

误差信号是指实际输出与产生的输出之间的差异，该误差信号作为输入提供给控制器以调节系统输出。如果误差信号为零，则只有所需的输入等于产生的输出。

闭环控制系统优缺点

闭环控制系统的优点包括以下几点内容：

• 非常精确且不易出错。
• 可以通过反馈信号纠正错误。
• 高带宽。
• 支持自动化。
• 高噪声容限
• 不能通过噪音来影响。

• 系统设计很复杂。
• 比较昂贵。
• 需要大量维护。
• 控制系统有时会因反馈信号而振荡。
• 在设计系统时需要更多的精力和时间。

闭环控制系统的应用特点

如今有不同种类的电子设备使用闭环控制系统，因此闭环控制系统的应用包括以下几个方面：

• 在伺服稳压器中，可以通过将输出电压反馈给系统来实现稳压。
• 在水位控制器中，水位可以由输入的水来决定。
• 空调的温度可以根据房间的温度进行调节。
• 可以使用转速计或电流传感器控制电机速度，其中传感器检测电机速度并向控制系统发送反馈以改变其速度。
• 自动电熨斗可以通过熨斗中加热元件的温度自动控制。
• 更多应用示例包括恒温加热器、太阳能系统、导弹发射器、汽车发动机、自动烤面包机、使用涡轮的水控制系统。

总结

系统是连接在一起以执行流程的块的集合，而控制系统被定义为用于控制或调节其他系统功能的一组设备。利用其反馈信号产生输出的控制系统称为“闭环控制系统”。例如：自动电熨斗、空调等。

闭环控制系统可以利用反馈回路自动纠正输出中出现的错误，这些比开环系统更稳定，但设计复杂，根据反馈信号的性质，闭环控制系统分为正反馈信号和负反馈信号两种类型。