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反馈是一个强大的思想，正如我们所见，它被广泛应用于自然界和技术系统中。反馈的原理很简单：基于期望的性能与实际的性能之间的差别，来实现校正作用。反馈具有显著的特性，在工程领域被广泛应用于多种场合并带来系统能力的巨大改进，这些改进有时是革命性的。在这一节中，我们将讨论一些可以直观理解的反馈特性。
反馈的一个关键应用是为具有不确定性的系统提供鲁棒性。例如，对被调节信号的感测值与期望值的差值进行测量，就可以施加校正作用，以部分补偿干扰的影响。这正是瓦特在蒸汽机上使用离心调速器所取得的效应。反馈的另一个作用是对过程的动态变化提供鲁棒性。如果系统发生了某种变化并影响了被调整信号，那么可通过感测这个变化，然后采取措施使系统返回到期望的工作点，即使过程参数未被直接测量也是如此。这样一来，反馈就为存在动态不确定性的系统提供了鲁棒性。
图1.10为控制车辆速度的反馈系统。在这个系统中，通过调节发动机的油量来控制车辆的速度，即使用简单的 比例-积分 （PI）反馈，让油量受实际速度与期望速度的差以及该差值积分的控制。
图1.10 控制车辆速度的反馈系统。图a中，车速被测量，并在“计算”环节中与期望速度比较。节气门（或制动）依据实际速度与期望速度的差，来调节发动机、传动机构及车轮等作用于车辆上的力。图b显示了车辆由水平道路变成坡度恒定的上坡时，车速的变化。三条不同的曲线对应于不同的车辆质量（在1200～2000 kg之间），可见反馈确实可以补偿坡度的变化，闭环系统使车速的大幅变化具有鲁棒性
图1.10b显示了车速对道路坡度变化（水平变为上坡）的反应。当坡度增加时，由于重力的作用，汽车减速，速度开始下降。控制器感测到速度误差，因而增大节气门将速度恢复到所需的值。图1.10b还显示了同一个控制器对不同质量（源自不同的乘客数或牵引拖车）的汽车响应。请注意，车辆的稳态速度始终接近期望速度，并可在约15 s内达到该速度，与质量无关（质量变化约±25%）。可见，反馈提高了系统性能和鲁棒性。
早期的负反馈放大器是反馈提升系统鲁棒性的另一个实例。在电话通信发展初期，放大器被用来对长距离线路上的信号衰减进行补偿。制作放大器的器件之一是真空管。真空管的非线性特性所引起的畸变与放大器的漂移一起，在很长一段时间里，一直是阻碍线性放大器开发的一个障碍。1927年贝尔电话实验室的电气工程师哈罗德·S.布莱克（Harold S.Black）发明了反馈放大器，这是一个重大突破。布莱克使用了 负反馈 ，这虽然降低了增益，但却使得放大器对真空管的特性变化不再敏感。这个发明使得人们可以使用非线性的真空管放大器制造出稳定的线性放大器。
反馈的另一个应用是改变一个系统的动态特性。利用反馈改变系统的行为可满足具体应用的需要：不稳定的系统可以变得稳定，响应迟缓的系统可以变得响应快速，工作点漂移的系统可以使工作点保持不变。控制理论为复杂系统的分析提供了大量的技术，这些技术既可以用来分析系统的稳定性和动态响应，也可以用来分析那些描述系统部件的线性、非线性算子的增益，从而限定系统的行为。
一个来自飞行控制领域的例子可以用来说明控制理论在动态设计上的应用。下面这段话选自威尔伯·莱特（Wilbur Wright）在1901年的演讲，可以用来说明控制理论在飞机发展中所起的作用：
“人类已经知道如何建造飞机，当飞机在空中以足够高的速度飞行时，飞机的机翼就能够支撑自身的重量，包括发动机以及工程师的重量。人类还知道如何制造出足够轻和功率足够大的发动机和螺旋桨，以驱动飞机达到连续飞行的速度。研究飞行问题的人们仍然会遇到维持平衡和转向的问题。只要这个问题得到解决，飞行的时代就到来了，因为所有其他的困难都是次要的。” [180]
莱特兄弟因此意识到控制是飞行能否成功的关键所在。在他们建造的飞机[莱特飞行器（Wright Flyer）]中，他们实现了稳定性与操控性的折中。 [78] 这是一架不稳定但却易操控的飞机，飞机的前部有一个很容易操控的方向舵。但它有一个缺点，就是在飞行时，飞行员必须不断地调节方向舵。如果飞行员放开方向舵，飞机就将坠毁。他们于1903年在基蒂霍克（Kitty Hawk，美国北卡罗来纳州东北部一小镇）成功进行了人类的首次飞行。现代战斗机在某些飞行状态下也不稳定，例如在起飞和着陆时。
由于驾驶不稳定的飞机是相当枯燥乏味的，因此人们有强烈的动机要寻找一种可以使飞机稳定的反馈机制。最终由斯佩里（Sperry）使用一个可指示垂直方向且回转稳定的摆锤设计了这种反馈机制（如果飞机朝下，就拉动方向舵使飞机朝上移，反之就使飞机朝下移）。斯佩里自动飞行仪是展示反馈如何使不稳定的系统变得稳定的一个很好的例子，也是航空工程中首次对这种反馈机制的应用，斯佩里因此赢得了1914年在巴黎主办的最安全飞机竞赛的大奖。
反馈可用于创建模块化的系统，并以结构化、层次化的方式为输入输出创建良好的关系。模块化系统是指可以在不修改整个系统的情况下替换单个组件的系统。反馈使得系统中的组件能十分鲁棒地面对其互连上的变化，维持输入/输出特性不变。图1.11所示的位置控制系统就是一个典型的模块化系统例子，它具有三环级联的架构。最内环是电流环，电流控制器（CC）驱动放大器，使电动机的电流跟随指令值（也称设定值或参考值）。中间反馈环为速度环，速度控制器（VC）建立（或说驱动）电流控制器的设定值，以使速度跟随设定值。最外环为位置环，位置控制器（PC）建立速度环的设定值，以使位置跟随设定值。
图1.11 位置控制系统框图。该系统有三个级联的环，分别用于控制电流、速度和位置。每环都有外部提供的参考值（用下标“r”表示），它设置了本环输入的额定值，其与紧邻的外环输出相加，确定了本环的指令值（或设定值）
图1.11所示的控制环嵌套的模块化十分常见，它简化了设计、调试和运行。以速度环的设计为例。假定电流控制器已经设计良好，电动机的电流能跟随电流控制器的设定值。由于电动机转矩正比于电流，电动机速度与电流控制器输入之间的动态关系可近似简化为一个积分器。将该简化的模型用于速度环的设计，可以减小摩擦及其他干扰的影响。有了精心设计的速度环，位置环的设计也就简单了。级联环结构的调整也可以按从内到外的顺序进行。
这个模块化系统实例展示了把控制器的设计模块化、用反馈来简化控制器的总体设计。由于每个模块的设计仅依赖于该模块系统的闭环行为，具有模块化功能。假如用一个新电动机替换原有电动机，并重新设计电流控制器，以使电流环提供相同的闭环性能，那就无须修改外环。类似地，如果需要为一个不同规格指标的应用重新设计某个外层环的控制器，那通常也可以利用现有的内环设计（只要现有设计能提供足够的性能，足以满足外环的需求即可）。
尽管反馈有许多优点，但如果设计不当的话，可能会导致系统不稳定。显然这种情况是要尽力避免的，因为我们所设计的系统不仅应该在正常情况下能够稳定工作，而且在所有可能的动态干扰下也应保持稳定。
除了潜在的不稳定性之外，反馈还必然会将系统的不同部分耦合在一起。反馈的一个共同问题是，它往往会将测量噪声注入系统。我们不仅必须小心地对测量信号进行滤波，以保证处理与执行过程不受噪声影响，同时更要确保传感器的测量信号与闭环的动态特性正确耦合（以便能够达到适当的性能水平）。
虽然在过去的几十年里，传感、计算及执行单元的成本已经大大降低了，但实际上控制系统往往十分复杂，因此人们不得不在成本和收益之间进行小心的权衡。在汽车中使用微处理器的反馈系统正是这样一个早期的工程实例。20世纪70年代初，汽车尾气排放标准日益严格，而只有将电子控制系统嵌入汽车系统中才能达到排放标准，因此，微处理器开始应用于汽车系统中，但这也增加了汽车的成本，且早期故障率高，经常引起客户不满。经过不断的技术改进，汽车的性能、可靠性得以提升，汽车成本也得以透明化。即使到了今天，汽车系统的复杂性仍使车主很难自己解决相关的车辆故障。