閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和組成

一、引言

在現(xiàn)代工程技術和自動化控制領域中，閉環(huán)控制系統(tǒng)作為一種重要的控制策略，其應用廣泛且效果顯著。閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)，是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)，它通過對系統(tǒng)輸出的監(jiān)測，并將這一輸出信息與期望的輸出進行比較，進而調整系統(tǒng)輸入，以實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的精確控制。本文將詳細介紹閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義、原理、組成及其在各領域的應用。

二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義

閉環(huán)控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的一種類型，其特點在于將控制系統(tǒng)輸出量的一部分或全部，通過一定方法和裝置反送回系統(tǒng)的輸入端，然后將反饋信息與原輸入信息進行比較，再將比較的結果施加于系統(tǒng)進行控制，避免系統(tǒng)偏離預定目標。這種控制方式利用的是負反饋原理，即由信號正向通路和反饋通路構成閉合回路的自動控制系統(tǒng)。

三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理

閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理基于反饋原理，即根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制。具體來說，當受控客體受干擾的影響，其實現(xiàn)狀態(tài)與期望狀態(tài)出現(xiàn)偏差時，控制主體將根據(jù)這種偏差發(fā)出新的指令，以糾正偏差，抵消干擾的作用。這種通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統(tǒng)性能的過程，就是閉環(huán)控制的核心原理。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。反饋控制系統(tǒng)中的控制器根據(jù)反饋信號來調整系統(tǒng)輸入，使得系統(tǒng)輸出能夠準確地跟蹤期望的輸出。這種基于負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，能夠有效地保證系統(tǒng)預定的控制目標的實現(xiàn)。

四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：

給定元件：給出與期望輸出對應的輸入量。給定元件是控制系統(tǒng)的起點，它設定了系統(tǒng)期望達到的輸出值。

比較元件：求輸入量與反饋量的偏差，常采用集成運算放大器(簡稱集成運放)來實現(xiàn)。比較元件負責比較給定輸入和反饋輸出的差異，產(chǎn)生偏差信號。

放大元件：由于偏差信號一般較小，不足以驅動負載，故需要放大元件。放大元件包括電壓放大及功率放大，用于增強偏差信號的強度，以便驅動執(zhí)行元件。

執(zhí)行元件：直接驅動被控對象，使輸出量發(fā)生變化。常用的有電動機、調節(jié)閥、液壓馬達等。執(zhí)行元件根據(jù)放大后的偏差信號調整被控對象的輸入，以實現(xiàn)輸出量的變化。

被控對象：即需要控制的物理系統(tǒng)或過程。被控對象可以是機械設備、化學反應過程等。

檢測反饋元件：檢測被控量并轉換為所需要的電信號。常用的有用于速度檢測的測速發(fā)電機、光電編碼盤等；用于位置與角度檢測的旋轉變壓器、自整機等；用于電流檢測的互感器及用于溫度檢測的熱電偶等。這些檢測裝置一般都將被檢測的物理量轉換為相應的連續(xù)或離散的電壓或電流信號，并反饋到系統(tǒng)的輸入端。

五、閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用

閉環(huán)控制系統(tǒng)在各個領域都有廣泛的應用。例如，在工業(yè)生產(chǎn)中，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以用于控制溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)，以實現(xiàn)產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的提高；在交通運輸領域，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以用于自動駕駛和智能交通系統(tǒng)，提高交通安全性和運輸效率；在醫(yī)療領域，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以用于醫(yī)療設備的控制和監(jiān)測，保障患者的安全和治療效果。

六、結論

閉環(huán)控制系統(tǒng)作為一種重要的控制策略，在現(xiàn)代工程技術和自動化控制領域中發(fā)揮著重要作用。其基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)，能夠通過對系統(tǒng)輸出的監(jiān)測和反饋調整，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的精確控制。本文詳細介紹了閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義、原理、組成及其在各個領域的應用，希望能夠對讀者有所幫助。