自動(dòng)化控制兩種類(lèi)型：前饋控制和反饋控制

自動(dòng)化控制兩種類(lèi)型：前饋控制和反饋控制

應(yīng)用于過(guò)程的前饋控制具有有限的、可測(cè)量的干擾，可以使過(guò)程變量保持接近設(shè)定值。有效前饋控制的技巧是測(cè)量即將發(fā)生的干擾指標(biāo)，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它們對(duì)過(guò)程變量產(chǎn)生的影響。

傳統(tǒng)的反饋控制很像倒著跑的跑步者。如果不看前方的賽道，倒跑的跑步者必須完全依靠后方的視野來(lái)確定前進(jìn)的位置。向后看時(shí)，跑步者只能通過(guò)在邊緣線(xiàn)越來(lái)越近時(shí)調(diào)整左右位置來(lái)保持在賽道上。如果跑步者走得太快，在應(yīng)用程序進(jìn)行修正之前，跑步很容易就跑出界。向后直行。就像只有反饋的控制器一樣，面向后面的跑步者只能看到過(guò)去的位置，但這通常足以保持在正常的賽道。即使沒(méi)有向前看，也很容易觀察到賽道中心附近并補(bǔ)償向左或向右的任何緩慢漂移。

如果緩慢漂移是唯一的干擾，則純反饋控制器很容易將過(guò)程變量保持在恒定設(shè)定點(diǎn)附近。過(guò)程變量的歷史測(cè)量通常告訴控制器，當(dāng)控制問(wèn)題變得容易的時(shí)候它所需要了解的信息。

工業(yè)反饋控制器面臨同樣的挑戰(zhàn)。為了使受控過(guò)程保持所需的溫度、壓力、流速等，反饋控制器必須等待并監(jiān)視工作情況，然后糾正錯(cuò)誤并再次查看。這通常不是隨機(jī)的試錯(cuò)法。即使控制器對(duì)過(guò)程行為有足夠的了解，以對(duì)必要的修正做出有根據(jù)的猜測(cè)，但這些修正必須始終在事后進(jìn)行。

因此，與面向后方的跑步者一樣，反饋控制器必須謹(jǐn)慎行事，以避免過(guò)度糾正過(guò)去的錯(cuò)誤。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，如果對(duì)過(guò)程行為的知識(shí)了解不準(zhǔn)確或不完整更是如此。如果控制器無(wú)法預(yù)測(cè)其當(dāng)前控制工作對(duì)未來(lái)的影響，那么它幾乎沒(méi)有選擇，只能在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)保守行動(dòng)，而不是在較短的時(shí)間間隔內(nèi)積極行動(dòng)。圍繞曲線(xiàn)向后運(yùn)行更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)跑步者注意到曲線(xiàn)已經(jīng)使賽道的中心遠(yuǎn)離跑步者的路徑時(shí)，跑步者已經(jīng)偏離了賽道。在圖中顯示的情況下，跑步者在試圖補(bǔ)償干擾的同時(shí)，向左走得太遠(yuǎn)，然后又向右走得太遠(yuǎn)。

跑者的速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致來(lái)回持續(xù)過(guò)補(bǔ)償，直到干擾在曲線(xiàn)末端結(jié)束為止。如果反饋控制器的設(shè)計(jì)太強(qiáng)或者受控過(guò)程對(duì)控制器的控制活動(dòng)過(guò)于敏感，則它將表現(xiàn)出類(lèi)似的振蕩行為。在最壞的情況下，即使干擾結(jié)束也無(wú)濟(jì)于事。控制器可能會(huì)繼續(xù)在完全打開(kāi)和完全關(guān)閉之間振蕩，因?yàn)樗鼤?huì)一次又一次地繼續(xù)過(guò)度補(bǔ)償。

向前看，而不是向后看

跑步者所面臨的困境，明顯的解決方案是在跑步期間向前看，而不是向后看。憑借對(duì)未來(lái)曲線(xiàn)的先見(jiàn)知識(shí)，面向前方的跑步者將能夠進(jìn)行更加明智的路程修正，并且能夠更快地跑步。

一個(gè)敏銳的跑步者也可以低頭看賽道，并在看到即將到來(lái)的曲線(xiàn)時(shí)采取先發(fā)制人的行動(dòng)以保持在賽道中間。直接向前跑是最容易的。通過(guò)前方軌道的視圖，即使以最高速度沖刺，跑步者也幾乎可以即時(shí)補(bǔ)償任何向左或向右的緩慢漂移。以同樣的方式，應(yīng)用于具有有限的、可測(cè)量的干擾過(guò)程的前饋控制器，可以更容易地使過(guò)程變量保持接近設(shè)定點(diǎn)。

圍繞曲線(xiàn)前進(jìn)并不是那么困難。跑步者可以直觀地測(cè)量任何即將發(fā)生的干擾（曲線(xiàn)），預(yù)測(cè)對(duì)未來(lái)軌跡的影響，并根據(jù)需要而不是事后進(jìn)行修正。超前的知識(shí)使得面向前方的跑步者，能夠比面向后面的跑步者更快并以更小的誤差圍繞曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

超前的知識(shí)也使前饋控制器更準(zhǔn)確。如果控制器能夠正確預(yù)測(cè)干擾將如何影響過(guò)程變量以及如何對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，則控制器可以更自信地承擔(dān)更多的控制工作。這樣做可以減少即將發(fā)生的干擾的影響，就像跑步者在預(yù)測(cè)即將到來(lái)的曲線(xiàn)時(shí)可以保持在賽道中心一樣。

配置了能夠測(cè)量即將發(fā)生干擾的前兆傳感器的過(guò)程控制器，可以更快地、更超前的運(yùn)行。無(wú)需等待過(guò)去控制工作的結(jié)果反應(yīng)在測(cè)量中來(lái)進(jìn)行控制活動(dòng)。傳感器和控制器協(xié)同工作，以觀察即將到來(lái)的干擾并向前提供信息，以幫助計(jì)算未來(lái)的控制工作。

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前饋控制的優(yōu)勢(shì)

前饋控制的經(jīng)典應(yīng)用是蒸汽分配系統(tǒng)，例如中央鍋爐以恒定壓力向整個(gè)工廠中的各種設(shè)備提供蒸汽。當(dāng)閑置機(jī)器上線(xiàn)并開(kāi)始從鍋爐抽取蒸汽時(shí)，壓力控制器可以預(yù)先加熱并向鍋爐注入額外的水，前提是系統(tǒng)可以確定機(jī)器需要多少蒸汽。

如果控制器嚴(yán)格依賴(lài)反饋，則必須等到鍋爐中的壓力已經(jīng)下降，然后再?lài)L試補(bǔ)償額外負(fù)載。如果它可以預(yù)測(cè)即將發(fā)生的干擾，壓力控制器將能夠主動(dòng)防止壓降，而反饋控制器在采取行動(dòng)之前則需要測(cè)量到該壓降。

有效前饋控制的技巧是測(cè)量即將發(fā)生的干擾指標(biāo)，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它們對(duì)過(guò)程變量產(chǎn)生的影響。向前的跑步者幾乎不需要考慮前方有曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)該做什么，但前饋壓力控制器必須做出不太明顯的決定。它不僅需要知道特定機(jī)器即將上線(xiàn)的時(shí)間，還需要了解它將要抽取多少蒸汽，以及特定抽取方式隨著時(shí)間的推移對(duì)鍋爐壓力的影響。

這些預(yù)測(cè)通常借助于數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行，該模型顯示過(guò)程如何響應(yīng)可測(cè)量的干擾。這些模型可以像查表一樣簡(jiǎn)單，該表包含早期測(cè)量中干擾的影響，也可以像基于第一原理分析或經(jīng)驗(yàn)觀察的多變量微分方程一樣復(fù)雜。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)在線(xiàn)學(xué)習(xí)算法和其它形式的人工智能，將可以幫助創(chuàng)建或改進(jìn)數(shù)學(xué)模型。

反饋與前饋的完美搭配

由于沒(méi)有模型可以100％精確，并且其它不可測(cè)量的干擾也可能影響過(guò)程變量，所以前饋控制器幾乎總是與反饋控制器組合。前饋控制器對(duì)補(bǔ)償即將到來(lái)的干擾所需的控制工作做出了最佳猜測(cè)，而反饋控制器則彌補(bǔ)了它的不足。反饋控制器測(cè)量干擾的凈效果，然后前饋控制工作并努力補(bǔ)償過(guò)程變量中的任何偏差（前饋控制器無(wú)法避免的）。

在有些應(yīng)用中，前饋控制器可能難以實(shí)施。當(dāng)過(guò)程的行為未被充分理解、干擾變量難以測(cè)量，或者干擾變量太多時(shí)，前饋控制器的設(shè)計(jì)將具有挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)不完善的前饋控制器有時(shí)會(huì)放大干擾的影響，使反饋控制器的工作更加困難。

減少能量和磨損

如果干擾頻繁或太大，以至于單獨(dú)的反饋控制器無(wú)法達(dá)到目的，則前饋控制器的加入就非常值得。成功的前饋控制器，可以將主要干擾的影響減少過(guò)程變量中的峰值。如果這樣做也消除了反饋控制器的振蕩行為，則組合的前饋/ 反饋控制器將減少移動(dòng)，從而可以使用更少的能量。較少的控制移動(dòng)，還減少了用于過(guò)程控制中執(zhí)行器的磨損。