(八)控制理论的基石:反馈

上篇讲到了传递函数,它构建了输入和输出之间的联系,本篇在此基础上新增一个概念:反馈。

“反馈”可以说是自动控制和现代控制理论的基石。它的核心作用和本质在于纠偏。在控制过程中,系统会不断将输出返回给控制器,构成反馈回路。当系统的输出不不满足我们的期望时,我们将不断调整输入,直到得到我们想要的结果。

还是从文章(七)遥控写粉笔字的例子入手。如下图,上次我们得到了由输入-hand movement到输出-chalk position的传递函数。这是一个开环控制,不存在反馈。

不存在反馈,相当于闭着眼在操控摇杆写字。我们只管写,也不知道黑板上的字是不是真的是我们想要的。这种不存在反馈的控制显然是不行的,因为写的对不对全看运气。

那加入反馈的控制变成啥样呢?没错,就是睁着眼睛操控摇杆写字。

假设我们要在黑板上写自己的名字,写字过程中,眼睛将看到的结果实时反馈给我们的大脑,大脑思考,如果看到的字符合预期,就不调整动作;如果发现不对劲,就及时调整手部输入,直到写出的字确实是我们想要的名字。

从上述过程我们能看到反馈的作用:将反馈信号与期望的信号对比,然后决定需不需要修正手部输入。将上面的大脑(BRAIN)换成控制器(CONTROLLER),将眼睛(EYES)换成观测器(OBSERVER),就构成了完整的闭环控制

实际控制中,我们会事先设置好参考值(REFERENCE VALUE),控制器自动根据误差——参考值减去反馈值,不断调整输出,直到输出达到参考值。整个过程不再需要人工参与,实现了“自动”控制。

注:文中图片来自油管博主Brian Douglas视频。