前馈控制

反馈控制 逆行驾驶碰碰车会迫使司机等到干扰发生后再进行航向修正。 来源:控制工程

向前行驶可以让司机直观地测量即将发生的干扰，预测其对汽车未来轨迹的影响，并确定正确的路线。 来源:控制工程

传统的反馈控制被比作倒着开碰碰车。由于看不到前方的赛道，车手必须向后看才能决定行驶方向。转向修正只能在汽车偏离轨道后进行补偿。

前馈控制更类似于向前驾驶汽车，以便驾驶员可以在到达下一个弯道之前进行转向修正。当驾驶员看到前方的障碍物会扰乱预期的轨迹时，先发制人的行动可以将即将发生的偏差最小化。

在工业应用中，前馈控制器同样可以最小化扰动的影响，但前提是扰动可以被测量或计算之前它影响过程变量。一个典型的例子是蒸汽分配系统，其中一个中央锅炉以恒定的压力向工厂设备提供蒸汽。

当一台闲置的机器上线并开始从锅炉中抽取蒸汽时，如果压力控制器知道机器需要多少蒸汽，就可以先发制人地提高热量并向锅炉中注入更多的水。如果要严格依赖反馈，压力控制器将不得不等到锅炉压力下降后才试图补偿新的负荷。

有效前馈控制的诀窍是准确预测测量扰动的影响。一个有经验的碰碰车司机可以很容易地决定如何绕过即将到来的障碍。对于蒸汽分配，前馈压力控制器需要准确地知道特定机器何时上线以及需要多少蒸汽。

数学模型可以预测一个过程如何响应可测量的扰动和控制器的努力。由于模型永远不可能100%准确，而且其他不可测量的扰动也可能影响过程变量，因此前馈控制器几乎总是与反馈控制器相结合，以达到两全齐美的效果。

前馈控制器对如何修改控制努力来补偿即将发生的扰动做出最佳猜测，而反馈控制器则弥补了这一懈怠。它测量了扰动的净影响，前馈控制器的抢先努力然后补偿前馈控制器无法防止的过程变量中的任何偏差。

前馈控制器很难实现，特别是在过程行为不能很好地理解或干扰变量难以测量或太多的情况下。设计不好的前馈控制器也会放大扰动，使反馈控制器的工作更加困难。

不过，如果干扰太频繁或太大，以至于仅靠反馈控制器无法跟上，那么前馈控制器还是值得付出努力的。设计良好的前馈控制器可以将主要负载变化的影响降低到过程变量中的小点。

作者信息

Vance VanDoren，博士，体育，是控制工程咨询编辑controleng@msn.com．

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