一文徹底搞懂前饋控制

前言

控制方式主要可分為反饋控制和前饋控制兩類。通常，我們的注意力集中在反饋控制上，因為反饋控制可以穩定系統并同時滿足一些魯棒性要求以及飽和限制。然而，當控制系統出現較大的擾動或需要提升跟蹤快速性能時，前饋控制也是必不可少的，尤其是在工業過程中。

前饋控制在人體系統中很常見，比如行走、打籃球和開車等等。

當你行走在大街上，看到前方5米處有障礙物時：

反饋控制：繼續向前走5米，撞到障礙物后，身體得到疼痛反饋，然后繞開；
前饋控制：你會直接繞過障礙物，而不是繼續向前行走直到撞上障礙物.

在這個案例中，由人體的眼睛得到先驗信息（Prior Knowledge），然后即進行前饋控制（重新規劃自己的行走路徑），避免了走到障礙物面前再重新規劃路徑所額外耗費的時間和能量（反饋控制）。

據此可簡單總結 前饋控制的優勢 ：

系統響應速度更快：前饋控制傳遞輸入信號前，根據物理模型預測被控對象的輸出結果，可以提前補償系統中預知的干擾，進而減小系統的響應延遲。
可以更好地處理非線性系統：前饋控制可以預測非線性系統引起的干擾，并在輸入控制量中提前加以補償，因此可以提高控制系統的響應準確度和穩定性。
對于系統的模型不確定性更為魯棒：前饋控制預測控制量是基于被控對象的模型，可以適用于模型存在誤差、摩擦或其他非理想狀態的情況。

雖然前饋系統能夠檢測（或預測）到干擾并提前采取行動，但是前饋控制器通常基于被控系統的傳遞函數的反函數來設計的， 過度的依賴于先驗信息 ，因此對模型誤差具有較低的容忍度，存在非理想因素時，需要對模型和參數進行精準的調整，否則結果就可能與預期的不一致。并且容易涉及系統穩定性問題，同時無法調整系統性能，如下圖(b)。因此，前饋控制系統通常需要某些特定類型的反饋控制作為補充，如下圖(c)。

由于現實過程中無法獲取絕對精確的理想模型，那么單獨采用反函數設計的前饋控制穩定性很差，導致實際研究意義不大，所以本文不對這類前饋控制方法進行研究，僅在穩定的反饋控制系統的基礎上研究前饋控制方法。

穩定性、可實現性不佳在學術上足以這種給單獨使用前饋控制的方法判死刑，但在工業實際過程中依靠于工人師傅自身的經驗，單獨前饋控制卻是較為常見的，但這樣的做法實際上已經不算是“自動化”。

根據不同的控制目標，前饋控制器主要有兩種：

以抑制擾動為目標的前饋控制（抗擾前饋控制器）：在化工、熱控等過程中經常使用，當干擾進入系統時，可以立即檢測并消除干擾。
以精確跟蹤為目標的前饋控制（跟蹤前饋控制器）：幫助系統在不改變原有閉環結構的情況下提高跟蹤跟蹤性能，尤其是跟蹤的快速性。

抗擾前饋控制器

下圖清晰展示了前饋控制器如何消除前饋-反饋控制系統中的干擾影響。一旦干擾信號進入系統，前饋控制器將其即時消除，擾動不會對控制閉環和系統輸出不產生任何影響。相比之下，僅有反饋控制器的控制回路將通過所有控制路徑傳播擾動，導致誤差信號形成并驅動反饋控制器響應。此外，擾動傳播路徑上的滯后時間長，對系統輸出性能產生不必要的影響，可能導致過沖和控制變量振蕩。為避免這些影響，值得考慮采用前饋控制器。