Feedback Systems 01:Introduction
1. 反馈
1.1 动态系统与反馈回路
动态系统的内部状态随时间演化。状态可以是位置和速度、房间温度或电容电荷;在给定模型下,当前状态与后续输入共同决定未来的运动。过去作用积累在状态中,使动态系统具有“记忆”。
静态关系如 只描述当前输入与输出的对应。动态过程还包含响应所需的时间:打开暖气后,室温不会立即达到目标;受蓄热和传热过程影响,关闭暖气后也可能继续升温。因此,输入不变时状态仍可能变化;到达平衡后,动态系统也可以保持状态不变。
反馈把实际输出或状态的信息返回,使其参与后续控制:控制作用改变状态,测量反映状态变化,控制器再据此调整作用。按是否利用这条返回路径,可以区分开环与闭环控制。开环也有输入,可以使用已知命令或测得的扰动;闭环则进一步利用被控输出或状态的信息。
反馈信息通常经过测量和控制器处理,不是把输出原样接回输入。反馈也可用静态关系描述,但稳定性、振荡和响应速度等问题需要考虑回路随时间的演化。
1.2 闭环的整体行为
反馈使各环节相互影响:输入改变输出,输出又改变后续输入。因此,局部作用方向不能单独决定整体行为,需要同时考虑各环节的关系及惯性、积累和延迟。
调节洗澡水温就是一个例子。增加热水后,变化需要一段时间才能被感知;若因水仍偏冷而继续加热,之前的调整陆续生效后就可能使水过热。随后连续反向调整,又可能使水过冷。每次动作都在纠偏,整体却出现振荡。增强控制也有类似取舍:响应可能加快,超调和振荡也可能加重。
分析闭环时,需要明确模型和假设,确定输入、状态、输出、扰动及测量的关系,再判断平衡、稳定性和响应性能,并通过仿真、实验检查模型误差与实际限制。
1.3 正反馈与负反馈
负反馈利用返回的信息抵消偏差。以比例控制为例:
若增大 会使 增大,则输出偏低时控制作用增加,输出偏高时控制作用减小。正反馈则进一步增强原有变化,可用于再生放大、开关切换或形成双稳态。
正负反馈描述作用方向,不能单凭符号判断稳定性。负反馈可能因动态滞后或增益过大而失稳;正反馈也不必然失稳。饱和等非线性因素可以限制变化幅度,但不保证系统返回原平衡点,也可能使其转入另一状态或持续振荡。
1.4 反馈的作用与限制
反馈可以抑制扰动、降低对内部参数变化的敏感性、跟踪目标,并调整响应速度和阻尼。例如,位置偏离时施加指向目标的作用,可以使物体返回;但惯性可能使它反复越过目标,加入速度反馈提供阻尼,有助于使运动逐渐衰减。及时利用位置和速度信息调节支撑点,还可以稳定原本不稳定的倒立摆。
减小偏差与使偏差归零是不同要求。恒定负载下,比例控制往往要保留一定偏差,才能产生抵抗负载的力。积分控制累积误差,在闭环稳定且执行器能力足够时,可以消除固定目标和某些持续扰动引起的稳态误差;它也会引入新的动态特性,须一并考虑稳定性与饱和。
负反馈还可减小非线性失真。设部件的静态关系为 ,采用 。在可微且局部关系成立的工作点附近,对 求导可得
若响应方向正确、未发生饱和,且局部环路增益 很大并为正,整体斜率就接近 。此时很小的误差可产生所需控制作用,使 ,整体关系对部件局部斜率的变化不再那么敏感。内部部件仍是非线性的,近似线性跟踪只在满足条件的工作范围内成立。
饱和、死区或响应方向改变都可能破坏这种效果;真实动态系统还须保证闭环稳定,不能无限增大增益。这与利用模型进行非线性补偿的“反馈线性化”方法有所区别。
抗扰和降低参数敏感性同样来自持续修正实际偏差,因此不必预先知道每个扰动的来源。不过,这些能力受稳定性、带宽和执行器限制约束;更快的跟踪通常需要更大的控制作用,也可能增加噪声影响或降低对延迟的容忍度。
1.5 动态不稳定与测量噪声
惯性和时延可能使纠正动作在系统越过目标后才生效,反而扩大偏离。如同对摆动物体施力,时机合适时会消耗能量,时机不当时却会持续补充能量。
振荡不等同于不稳定:衰减振荡趋于平衡,持续振荡维持幅度,增长振荡则不断扩大。执行器饱和或机械限位可以限制部分量的幅度,却未必恢复稳定,还可能造成持续振荡、性能下降或设备损坏。
反馈也建立了测量噪声影响控制的通道。若测量值为 ,比例控制为
即使真实输出已达到目标,测量值的跳动仍会引起额外动作。例如,温度稳定时,传感器交替报告偏高和偏低,会使加热功率反复调整。反馈未必产生噪声,却可能将噪声传递到执行器和实际输出。
这种影响与频率有关。较高增益和较大带宽可能增强某些频段的噪声响应,微分作用尤其容易放大高频噪声。滤波虽能减轻噪声,也可能增加滞后,因此须综合考虑跟踪、抗扰、噪声抑制与稳定性。
1.6 分析方法
不同分析工具关注不同问题:
- 平衡与稳定性:先求状态不再变化的条件,再判断附近运动能否保持接近平衡点;渐近稳定还要求最终返回。局部线性化后的特征值、极点可用于分析局部行为,Lyapunov 方法则通过状态函数的变化研究稳定性,尤其适用于非线性系统。
- 瞬态与稳态:微分方程、状态空间模型和阶跃响应描述响应速度、超调、振荡及调节时间;极点和阻尼解释响应形态。稳态分析关注最终误差,满足适用条件时可使用终值定理。
- 频率响应:Bode 图、Nyquist 判据和稳定裕度用于分析增益、相位及延迟的影响;灵敏度与互补灵敏度函数用于分析跟踪、扰动、噪声及模型变化,为带宽和滤波设计提供依据。
- 模型不确定性与非线性限制:鲁棒稳定性关注给定不确定性范围内的稳定性。参数扫描和仿真可检查多种工况,但有限仿真不能代替完整证明;饱和、死区等还需非线性分析与实验。积分在饱和时继续积累,可能使恢复缓慢或超调加重,需要抗积分饱和设计。
2. 前馈
2.1 扰动测量与补偿
前馈根据参考信号、可测扰动和过程模型计算控制作用,这条路径不利用实际输出的反馈。输出反馈需观察到实际偏差后才能针对它校正;扰动前馈则可在扰动明显影响输出之前获得信息并计算补偿。
设控制作用 与扰动 在过程入口直接相加,没有扰动时所需输入为 。理想补偿为
扰动仍实际作用于过程,但控制器根据测量信息产生相反作用,使总输入保持为 。框图中 同时进入控制器和过程,分别表示信息路径与作用路径。
直接取 依赖同一入口的加性模型。若扰动与控制经过不同路径或动态环节,就要按各自影响计算补偿,并匹配变化时机。测量误差、延迟、模型偏差和执行器限制都会使抵消不完整。
2.2 参考信号与过程输入
参考前馈计算实现目标所需的基本输入,扰动前馈补偿可测扰动,两者可以组合。以静态过程为例:
为了使 ,可取
其中 来自目标和过程模型, 用于补偿扰动。若 、,则 ,总输入为 ,输出为 。计算使用了参考、扰动和模型,没有使用实际输出。
动态过程还涉及初始状态、作用持续时间和响应过程。参考信号可用于预先规划输入,或通过整形避免激发不希望的动态响应;存在时延、输入限制或无法稳定实现的逆关系时,不能靠简单求逆得到任意目标输出。
2.3 模型依赖与反馈配合
前馈依赖模型准确预测动作效果。若上述真实过程为 ,控制器仍按 计算,则同样条件下输出只有 。由于实际输出没有参与修正,原有前馈计算无法纠正这一偏差。
前馈与反馈可共同使用:前馈根据目标和可测扰动提供基本作用,反馈根据实际输出补偿模型偏差、未测扰动等造成的剩余误差。组合后仍需统一分析稳定性、噪声与执行器限制。
“反馈不测扰动、前馈不测输出”只是两种基本结构的对照,不能作为实际系统的绝对划分。判断是否存在反馈,要看实际结果是否参与控制调整;传感器若只用于显示或记录,并不形成反馈路径。
2.4 反应式调节与计划式作用
在决策场景中,反馈可类比为根据实际结果进行调整,前馈可类比为依据预测规划动作。例如,商店根据预计客流安排进货,体现前馈;根据实际库存不足增加补货,体现反馈。库存偏低可用差值、阈值或经验规则判断,不要求显式计算数值误差。
这里的“计划”可以是一条简单计算规则,也可以是预测与优化过程,并不意味着固定不变或长期安排。前馈可以实时更新,反馈也可以迅速、自动且具有明确目标,区别仍在信息来源。
市场中的价格、库存、交易和利润影响后续决策,体现反馈;依据需求预测和资源模型安排生产,体现前馈式规划。但不能据此把市场经济与计划经济严格划成纯反馈或纯前馈:市场参与者也会预测,计划也可依据执行结果修订。分析具体系统时,仍须明确边界和信息路径。
3. 控制
3.1 控制与反馈回路
控制利用可获得的信息选择作用,使系统按期望的方式运行。反馈控制通过感测获取实际结果,通过计算决定如何调整,再由执行器影响被控过程;新的结果继续参与后续调整。这条回路把“了解实际情况”与“改变实际情况”连接起来,因此是反馈控制的核心结构。
以汽车定速巡航为例,传感器测量车速,控制器根据目标与实际车速的差异调整驱动力,车辆随之加速或减速。坡度、风力等会改变动作效果,持续反馈使控制器能据实际结果修正作用。
感测、计算和执行描述的是功能,可以由机械机构、电路或程序实现;传感器若只用于显示而不参与调整,就没有形成这条反馈回路。设计时需保证闭环稳定,并进一步满足跟踪精度、抗扰和响应速度等要求,同时考虑执行器的能力限制。
3.2 控制律
计算控制作用的规则称为控制律(control law)。例如,令目标车速为 、测量车速为 ,可用比例控制计算驱动力 :
车速低于目标时增加驱动力,高于目标时减小或反向施力;实际动作受车辆驱动和制动能力约束。更一般的控制律还可利用过去的测量、误差积累或状态估计。模型用于理解动作效果、设计控制律和分析闭环行为;简单控制器运行时只需执行既定规则,不必每次重新求解模型。
3.3 子系统交互与输入—输出模型
子系统是整体中的一个部分,例如控制器、动力系统和传感器。输入—输出建模明确各部分通过什么量相互影响:车速是车辆运动的输出,也是传感器的输入;测量值传给控制器,控制器的指令再传给动力系统。同一个量可以是一个部分的输出、另一个部分的输入。
写清各部分的响应规律和连接关系,就能分析整体行为。例如,上坡使车速下降,测量值随之改变,控制器便增加驱动力;能否恢复车速、需要多久,要结合整条回路判断。这种建模方法也用于其他学科,控制中特别关注如何选择控制作用与连接方式,使整体达到预期性能。