反饋系統(tǒng)分類及并聯(lián)串聯(lián)

在反饋系統(tǒng)中，正或負(fù)的全部或部分輸出信號(hào)反饋到輸入

反饋系統(tǒng)過程信號(hào)，因此是信號(hào)處理器。反饋系統(tǒng)的處理部分可以是電氣或電子的，范圍從非常簡(jiǎn)單到高度復(fù)雜的電路。

簡(jiǎn)單的模擬反饋控制電路可以使用單個(gè)或分立元件構(gòu)建，例如晶體管，電阻器和電容器等，或者使用基于微處理器和集成電路（IC）形成更復(fù)雜的數(shù)字反饋系統(tǒng)。

正如我們所看到的，開環(huán)系統(tǒng)就是這樣，開放式結(jié)束，沒有試圖補(bǔ)償由于電路參數(shù)的變化引起的電路條件的變化或負(fù)載條件的變化，例如增益和穩(wěn)定性，溫度，電源電壓變化和/或外部干擾。但是，通過引入反饋可以消除或至少顯著降低這些“開環(huán)”變化的影響。

反饋系統(tǒng)是輸出信號(hào)為采樣然后反饋到輸入以形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的錯(cuò)誤信號(hào)。在前面關(guān)于閉環(huán)系統(tǒng)的教程中，我們看到一般來說，反饋由一個(gè)子電路組成，該子電路允許來自系統(tǒng)的一小部分輸出信號(hào)以產(chǎn)生響應(yīng)的方式修改有效輸入信號(hào)。這可能與沒有這種反饋時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)大不相同。

反饋系統(tǒng)非常有用，廣泛用于放大器電路，振蕩器，過程控制系統(tǒng)以及其他電子系統(tǒng)的類型。但是，為了使反饋成為一種有效的工具，必須對(duì)其進(jìn)行控制，因?yàn)椴皇芸刂频南到y(tǒng)會(huì)振蕩或無法運(yùn)行。反饋系統(tǒng)的基本模型如下：

反饋系統(tǒng)框圖模型

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這種傳感，控制和驅(qū)動(dòng)的基本反饋回路是反饋控制系統(tǒng)背后的主要概念，有幾個(gè)很好的理由可以解釋為什么反饋應(yīng)用于電子電路中：

可以精確控制電路特性，例如系統(tǒng)增益和響應(yīng)。

電路特性可以獨(dú)立于電源電壓或溫度變化等工作條件。

由于所用組件的非線性特性導(dǎo)致的信號(hào)失真可以大大減少。

頻率響應(yīng)，增益和帶寬電路或系統(tǒng)可以很容易地控制在極限范圍內(nèi)。

雖然有許多不同類型的控制系統(tǒng)，但只有兩種主要類型的反饋控制，即：負(fù)F eedback和正反饋。

正反饋系統(tǒng)

在“正反饋控制系統(tǒng)”中，添加了設(shè)定值和輸出值控制器一起作為反饋與輸入“同相”。正（或再生）反饋的效果是“增加”系統(tǒng)增益，即，應(yīng)用正反饋的總增益將大于沒有反饋的增益。例如，如果有人稱贊你或給你積極的反饋意見，你會(huì)對(duì)自己感到高興并且精力充沛，你會(huì)感到更積極。

但是，在電子和控制系統(tǒng)中要多得多贊美和積極反饋會(huì)增加系統(tǒng)增益太多，這會(huì)引起振蕩電路響應(yīng)，因?yàn)樗鼤?huì)增加有效輸入信號(hào)的幅度。

正反饋系統(tǒng)的一個(gè)例子可能是基于電子放大器的電子放大器。運(yùn)算放大器，或運(yùn)算放大器，如圖所示。

正反饋系統(tǒng)

正面通過反饋電阻將 Vout 的一小部分輸出電壓信號(hào)反饋到同相（ + ）輸入端，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的反饋控制， R F 。

如果輸入電壓 Vin 為正，則運(yùn)算放大器放大此正信號(hào)，輸出變?yōu)楦Ｒ恍┹敵鲭妷和ㄟ^反饋網(wǎng)絡(luò)返回到輸入端。

因此輸入電壓變得更加正，導(dǎo)致更大的輸出電壓等等。最終輸出在其正電源軌上變得飽和。

同樣，如果輸入電壓 Vin 為負(fù)，則反向發(fā)生，運(yùn)算放大器在其負(fù)電源軌飽和。然后我們可以看到正反饋不允許電路作為放大器起作用，因?yàn)檩敵鲭妷汉芸炀蜁?huì)飽和到一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌，因?yàn)檎答伝芈贰案鄬?dǎo)致更多”和“更少導(dǎo)致更少”。

然后，如果任何系統(tǒng)的環(huán)路增益為正，則傳遞函數(shù)為： Av = G /（1-GH）。請(qǐng)注意，如果 GH = 1 系統(tǒng)增益 Av =無窮大，電路將開始自振蕩，之后不需要輸入信號(hào)來維持振蕩，這很有用如果你想制作振蕩器。

雖然通常被認(rèn)為是不合需要的，但這種行為在電子設(shè)備中用于獲得對(duì)條件或信號(hào)的非?？焖俚那袚Q響應(yīng)。使用正反饋的一個(gè)示例是滯后，其中邏輯設(shè)備或系統(tǒng)維持給定狀態(tài)直到某個(gè)輸入超過預(yù)設(shè)閾值。這種類型的行為稱為“雙穩(wěn)態(tài)”，通常與邏輯門和數(shù)字開關(guān)器件（如多諧振蕩器）相關(guān)聯(lián)。

我們已經(jīng)看到正向或再生反饋會(huì)增加增益和不穩(wěn)定的可能性。一個(gè)可能導(dǎo)致自振蕩的系統(tǒng)，因此，正反饋廣泛用于振蕩電路，如振蕩器和時(shí)序電路。

否定反饋系統(tǒng)

在“負(fù)反饋控制系統(tǒng)”中，當(dāng)反饋與原始輸入“異相”時(shí)，設(shè)定點(diǎn)和輸出值相互減去。負(fù)（或退化）反饋的效果是“減少”增益。例如，如果有人批評(píng)你或給你負(fù)面的反饋意見，你會(huì)對(duì)自己感到不快，因此缺乏精力，你感覺不那么積極。

因?yàn)樨?fù)面反饋會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電路反應(yīng)，提高穩(wěn)定性并增加在給定系統(tǒng)的工作帶寬中，大多數(shù)控制和反饋系統(tǒng)都是退化的，降低了增益的影響。

負(fù)反饋系統(tǒng)的一個(gè)例子是基于運(yùn)算放大器的電子放大器，如圖所示。

負(fù)反饋系統(tǒng)

放大器的負(fù)反饋控制是通過應(yīng)用輸出電壓信號(hào)的一小部分 Vout 通過反饋電阻 Rf 返回反相（ - ）輸入端。

如果輸入電壓 Vin 為正，則運(yùn)算放大器放大此正信號(hào)，但因?yàn)樗B接到放大器的反相輸入端，并且輸出變得更負(fù)面。一些輸出電壓通過 Rf 的反饋網(wǎng)絡(luò)返回到輸入端。

因此輸入電壓被負(fù)反饋信號(hào)降低，導(dǎo)致輸出電壓更小等等。最終輸出將穩(wěn)定下來并穩(wěn)定在由 Rf÷Rin 的增益比確定的值。

同樣，如果輸入電壓 Vin 為負(fù)，反向發(fā)生，運(yùn)算放大器輸出變?yōu)檎ǚ聪啵?，這增加了負(fù)輸入信號(hào)。然后我們可以看到負(fù)反饋允許電路用作放大器，只要輸出在飽和極限內(nèi)。

因此我們可以看到輸出電壓穩(wěn)定并受反饋控制，因?yàn)樨?fù)反饋回路“更多導(dǎo)致更少”和“更少導(dǎo)致更多”。

然后如果環(huán)路增益對(duì)于任何系統(tǒng)，傳遞函數(shù)都是正的： Av = G /（1 + GH）。

在放大器中使用負(fù)反饋過程控制系統(tǒng)很普遍，因?yàn)橥ǔＸ?fù)反饋系統(tǒng)比正反饋系統(tǒng)更穩(wěn)定，如果負(fù)反饋系統(tǒng)在任何頻率下都不會(huì)自動(dòng)振蕩，除了給定的電路條件外，它被認(rèn)為是穩(wěn)定的。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是負(fù)反饋還使控制系統(tǒng)對(duì)組件值和輸入的隨機(jī)變化更具免疫力。當(dāng)然沒有什么是免費(fèi)的，所以必須謹(jǐn)慎使用，因?yàn)樨?fù)反饋會(huì)顯著改變給定系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

反饋系統(tǒng)的分類

到目前為止，我們已經(jīng)看到了輸出信號(hào)“反饋”到輸入端子的方式，對(duì)于反饋系統(tǒng)，這可以是正反饋或負(fù)反饋。但是測(cè)量輸出信號(hào)并將其引入輸入電路的方式可能非常不同，導(dǎo)致反饋的四種基本分類。

根據(jù)放大的輸入量和所需的輸出條件，輸入和輸出變量可以建模為電壓或電流。因此，單回路反饋系統(tǒng)有四種基本分類，其中輸出信號(hào)反饋到輸入端，它們是：

系列 - 分流配置- 電壓輸入和電壓輸出或壓控電壓源（VCVS）。

并聯(lián)配置- 電流輸入和輸入電壓輸出或電流控制電壓源（CCVS）。

串聯(lián)配置- 電壓輸入和電流輸出或壓控電流源（VCCS）。

分流系列配置- 電流輸入和電流輸出或電流控制電流源（CCCS）。

這些名稱來自反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入和輸出級(jí)之間連接的方式，如圖所示。

系列 - 并聯(lián)反饋系統(tǒng)

串聯(lián) - 并聯(lián)反饋，也稱為串聯(lián)電壓反饋，用作電壓控制反饋系統(tǒng)。從反饋網(wǎng)絡(luò)反饋的誤差電壓與輸入的系列相同。從輸出反饋的電壓與輸出電壓成比例， Vo ，因?yàn)樗遣⒙?lián)或并聯(lián)連接。

串聯(lián) - 并聯(lián)反饋系統(tǒng)

對(duì)于串聯(lián)分流連接，配置定義為輸出電壓，Vout定義為輸入電壓Vin。大多數(shù)反相和非反相運(yùn)算放大器電路以串聯(lián)分流反饋工作，產(chǎn)生所謂的“電壓放大器”。作為電壓放大器的理想輸入電阻， Rin 非常大，理想的輸出電阻 Rout 非常小。

然后是“系列” - 反饋配置“作為真正的電壓放大器工作，因?yàn)檩斎胄盘?hào)是電壓，輸出信號(hào)是電壓，因此傳輸增益如下： Av = Vout÷Vin 。請(qǐng)注意，此數(shù)量是無量綱的，因?yàn)槠鋯挝粸榉?伏。

分流系列反饋系統(tǒng)

分流系列反饋，也稱為分流電流反饋，用作電流 - 電流控制反饋系統(tǒng)。反饋信號(hào)與負(fù)載中流動(dòng)的輸出電流 Io 成比例。反饋信號(hào)與輸入并聯(lián)或分流反饋，如圖所示。

分流系列反饋系統(tǒng)

對(duì)于并聯(lián)串聯(lián)連接，配置定義為輸出電流，Iout定義為輸入電流Iin。在并聯(lián) - 串聯(lián)反饋配置中，反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，因此是電流，而不是增加的電壓。

這種并聯(lián)分流反饋連接通常不會(huì)影響系統(tǒng)的電壓增益，因?yàn)閷?duì)于電壓輸出，需要輸入電壓。此外，輸出端的串聯(lián)連接增加了輸出電阻 Rout ，而輸入端的分流連接降低了輸入電阻 Rin 。

然后“并聯(lián) - 串聯(lián)反饋配置”用作真正的電流放大器，因?yàn)檩斎胄盘?hào)是電流而輸出信號(hào)是電流，因此傳輸增益如下： Ai = Iout÷Iin 。請(qǐng)注意，此數(shù)量是無量綱的，因?yàn)槠鋯挝粸榘才?安培。

系列 - 串聯(lián)反饋系統(tǒng)

系列 - 系列反饋系統(tǒng)，也稱為串聯(lián)電流反饋，用作電壓 - 電流控制反饋系統(tǒng)。在串聯(lián)電流配置中，反饋誤差信號(hào)與輸入串聯(lián)，并與負(fù)載電流 Iout 成比例。實(shí)際上，這種類型的反饋將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際反饋的電壓，這是從輸入中減去的電壓。

串聯(lián) - 反饋系統(tǒng)

對(duì)于串聯(lián)系列連接，配置定義為輸出電流，Iout定義為輸入電壓Vin。由于串聯(lián)連接的輸出電流 Iout 作為電壓反饋，因此會(huì)增加系統(tǒng)的輸入和輸出阻抗。因此，該電路作為跨導(dǎo)放大器效果最佳，具有理想的輸入電阻， Rin 非常大，理想的輸出電阻 Rout 也非常大。

然后“串聯(lián)反饋配置”用作跨導(dǎo)型放大器系統(tǒng)，因?yàn)檩斎胄盘?hào)是電壓而輸出信號(hào)是電流。然后對(duì)于串聯(lián)反饋電路，傳輸增益如下： Gm = Iout÷Vin 。

并聯(lián)反饋系統(tǒng)

并聯(lián)反饋系統(tǒng)，也稱為分流電壓反饋，用作電流 - 電壓控制反饋系統(tǒng)。在并聯(lián) - 分流反饋配置中，反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)。檢測(cè)輸出電壓，并從分流器中的輸入電流中減去電流，并將電流減去電流，而不是減去的電壓。

分流 - 分流反饋系統(tǒng)

對(duì)于并聯(lián) - 并聯(lián)連接，配置定義為輸出電壓，Vout定義為輸入電流Iin。當(dāng)輸出電壓作為電流反饋到電流驅(qū)動(dòng)輸入端口時(shí)，輸入和輸出端子的分流連接會(huì)降低輸入和輸出阻抗。因此，該系統(tǒng)作為具有理想輸入電阻的跨阻系統(tǒng)效果最佳， Rin 非常小，理想的輸出電阻 Rout 也非常小。

然后，分流電壓配置用作跨阻型電壓放大器，因?yàn)檩斎胄盘?hào)是電流，輸出信號(hào)是電壓，因此傳輸增益如下： Rm = Vout÷Iin 。

反饋系統(tǒng)摘要

我們已經(jīng)看到反饋系統(tǒng)是對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣然后反饋到輸入以形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的誤差信號(hào)，根據(jù)所用反饋的類型，與系統(tǒng)輸入信號(hào)混合的反饋信號(hào)可以是電壓或電流。

反饋總會(huì)改變性能系統(tǒng)和反饋裝置可以是正（再生）或負(fù)（退化）型反饋系統(tǒng)。如果系統(tǒng)周圍的反饋回路產(chǎn)生負(fù)增益的環(huán)路增益，則反饋被認(rèn)為是負(fù)的或退化的，負(fù)反饋的主要影響是降低系統(tǒng)增益。

但是環(huán)路周圍的增益是正的，據(jù)說系統(tǒng)具有正反饋或再生反饋。正反饋的作用是增加增益，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定并且振蕩，特別是如果 GH = -1 。

我們也看到了方框圖可以用于演示各種類型的反饋系統(tǒng)。在上面的框圖中，輸入和輸出變量可以建模為電壓或電流，因此有四種輸入和輸出組合，代表可能的反饋類型，即：串聯(lián)電壓反饋，分流電壓反饋，串聯(lián)電流反饋和并聯(lián)電流反饋。

這些不同類型的反饋系統(tǒng)的名稱來源于反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入和輸出級(jí)之間并聯(lián)（分流）或串聯(lián)連接的方式。

在下一個(gè)教程中關(guān)于反饋系統(tǒng)，我們將研究負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)的影響，并了解它如何用于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。