理解前馈控制

传统的反馈控制很像倒着跑。如果不看前方的赛道，仰面跑者只能依靠后方的视野来决定前进的方向。当向后看时，当边缘线越来越近时，运动员只能通过调整左右位置来保持在跑道内。如果跑步者跑得太快，很容易在修正路线之前就偏离路线。(参见图1。)

图1:倒着跑直道。就像一个只有反馈的控制器一样，面向后方的跑者只能看到过去的位置，但这通常足以让他们保持既定路线。即使不看前方，也很容易观察到车道中心的距离，并补偿任何向左或向右的缓慢漂移。如果缓慢漂移是唯一的扰动，纯反馈控制器很难使过程变量保持在恒定的设定值附近。过程变量的历史测量通常告诉控制器它需要知道的一切，当控制问题是如此容易。礼貌:控制工程

工业反馈控制器也面临着同样的挑战。为了将被控制的过程保持在所需的温度、压力、流量等，纯反馈控制器必须等待，看看它是如何运行的，然后纠正它的错误，并再次查看。这通常不是一个随机的试错过程。即使控制器对进程的行为有足够的了解，可以对必要的修正做出有根据的猜测，但这些修正总是必须在事后进行。

因此，就像后向跑者一样，纯反馈控制器必须谨慎地进行，以避免对过去的错误进行过度或不足的纠正。当控制器在设计时不准确或不完整地了解进程的行为时，这尤其正确。如果控制者不能预测其当前控制努力的未来效果，那么它别无选择，只能在较长时间内采取保守行动，而不是在较短时间内采取激进行动。(参见图2。)

图2:绕着弯道倒着跑更具挑战性。当跑步者发现一条弯道将跑道的中心移离了他的路线时，他就已经偏离了轨道。在这里显示的情况下，跑步者在试图补偿干扰时，最后跑到左边太远，然后又跑到右边太远。高流道速度导致了持续的过度补偿，直到扰动在曲线末端结束。如果一个纯反馈控制器被设计成积极的行为，或者如果被控制的过程对控制器的努力反应过度，那么它将表现出相同的振荡行为。在最坏的情况下，即使骚乱结束也无济于事。控制器可能继续在完全开和完全关之间振荡，因为它继续一次又一次地过度补偿。礼貌:控制工程

向前看，不要向后看

解决跑步者困境的一个显而易见的方法是在跑步过程中转身向前看，而不是向后看。提前了解即将到来的弯道，跑在前面的人将能够做出更明智的路线修正，并能够跑得更快。

一个善于观察的跑步者也可以向下看跑道，并在看到即将到来的弯道时采取先发制人的行动，保持在车道中间。跑步者可以在需要的时候开始向左转弯，如图3“向前跑”图形所示。

图3:在直道上向前跑很容易。通过对前方跑道的观察，跑步者几乎可以立即补偿任何向左或向右的缓慢漂移，即使在全速冲刺时也是如此。同样地，前馈控制器应用于具有有限的可测量扰动的过程，可以很容易地使过程变量接近设定值。
沿着弯道向前跑并不难。跑步者可以直观地测量任何即将发生的干扰(弯道)，预测对未来轨迹的影响，并根据需要而不是事后修正路线。先进的知识可以让前面跑的人比后面跑的人跑得更快，误差更小。
先进的知识允许前馈控制器更积极和更准确。如果控制器能够正确地预测扰动将如何影响过程变量，以及如何对其进行补偿，那么控制器就可以应用更坚定的控制努力。这样做可以减少即将到来的干扰的影响，就像跑步者在预测即将到来的弯道时可以保持在车道的正中央一样。礼貌:控制工程

过程控制器配备了传感器，能够测量即将到来的干扰的前兆，可以更快地和先发制人地操作。没有必要等待过去控制努力的结果出现在测量中。传感器和控制器一起工作，观察即将到来的干扰，并将信息反馈给帮助计算未来的控制工作。

前馈控制实例

前馈控制的一个经典应用是蒸汽分配系统，其中一个中央锅炉以恒定的压力向整个工厂的各个设备部件提供蒸汽。当一台闲置的机器上线并开始从锅炉中抽取蒸汽时，如果系统能够确定机器需要多少蒸汽，压力控制器就可以预先提高热量并向锅炉中注入额外的水。

如果控制器严格依赖于反馈，它将不得不等到锅炉的压力已经下降，然后才试图补偿额外的负荷。如果压力控制器能够预测即将到来的扰动，那么它将能够主动防止仅反馈控制器在采取行动之前需要看到的压降。

有效前馈控制的诀窍是测量即将到来的扰动的指标，并准确预测它们对过程变量的影响。当前面有弯道时，跑在前面的选手几乎不需要考虑该怎么做，但前馈压力控制器必须做出不那么明显的决定。它不仅需要知道一台特定的机器何时上线，还需要知道它将抽取多少蒸汽，以及随着时间的推移，这种抽取将如何影响锅炉压力。

这些预测通常是在数学模型的帮助下做出的，该模型显示了该过程如何响应可测量的扰动。这些模型可以简单到包含早期试验中测量的扰动影响的查找表，也可以复杂到基于第一性原理分析或经验观察的多变量微分方程。随着时间的推移，在线学习算法和其他形式的人工智能有时可以帮助创建或至少改进数学模型。

最好的反馈，前馈

由于没有模型可以100%准确，并且由于其他不可测量的扰动也可能影响过程变量，前馈控制器几乎总是与反馈控制器结合在一起。前馈控制器对补偿即将发生的扰动所需的控制努力进行最佳猜测，而反馈控制器则弥补了这一不足。反馈控制器测量扰动的净影响，前馈控制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。前馈控制器的设计是具有挑战性的，当过程的行为不能很好地理解，干扰变量难以测量，或有太多的干扰变量要解释。设计不良的前馈控制器有时会放大扰动的影响，使反馈控制器的工作更加困难。

耗能少，磨损少

如果干扰太频繁或太大，以至于仅靠反馈控制器无法跟上，那么前馈控制器就非常值得付出努力。一个成功的前馈控制器可以将主要扰动的影响减小到过程变量中的小点。如果这样做也消除了纯反馈控制器的振荡行为，那么前馈/反馈组合控制器将通过进行更少的控制动作来消耗更少的能量。更少的控制动作也减少了用于将控制器输出应用到过程中的执行器的磨损。

控制工程由Chris Vavra编辑的教程，cvavra@cfemedia.com；还有马克·霍斯克，mhoske@cfemedia.com， CFE传媒。

更多的答案

关键词:高级控制，前馈控制，反馈控制

一个提供远景回首往事的控制者必须谨慎行事，避免对过去的错误进行过度或不足的纠正。

前馈控制可以更快和先发制人地操作，不需要等待过去控制工作的结果。

有效的前馈控制测量即将到来的扰动，并准确预测它们对过程变量的影响。

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