[科普中国]-自适应前馈控制

背景

大多数惯性稳定平台控制系统应用经典的频率域回路成形技术。控制结构以超前滞后或PID加克服机械谐振的陷波器为主，扰动的抑制主要靠反馈回路的高增益实现。不过，在一些宽频带、高精度的稳定和跟踪系统中，采用经典设计方法很难达到设计指标。1

TI公司在20世纪90年代开始应用现代综合方法设计稳定平台控制器。这些方法基于简单的一阶线性随机差分方程实时建模和补偿符号未知、慢变的非线性库伦摩擦，应用线性二次型高斯控制(Linear QuadraticUaussian, LQU)控制算法计算反馈增益，取得了较好的控制性能。在后续的工作中，又针对稳定系统中的非线性扰动，采用LQU和Kalman滤波算法对扰动进行实时估计和补偿，并采用自校正控制方法提高LQU算法的鲁棒性。

除传统控制方法外，各种先进控制方法如最优控制、前馈控制、神经网络以及模糊控制等也逐渐应用于稳定平台的控制系统，这些控制方法的先决条件是获得模型的先验知识。由于传统的控制系统综合方法针对典型参数条件设计固定的控制结构，在设计参数出现摄动的情况下会导致控制性能下降。应用最小均方(Least-MeanSquare, LMS)和RLS自适应滤波器的自适应控制系统成为较活跃的研究领域。应用自适应控制可以放宽对模型不确定性和参数变化的要求，使机构设计或传感器的选择有更大的自由度，更容易达到尖峰控制性能。

简介前馈控制前馈控制是在前苏联学者所倡导的不变性原理的基础上发展而成的。20世纪50年代以后，在工程上，前馈控制系统逐渐得到了广泛的应用。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。2

前馈控制发生在实际工作开始之前，是未来导向的。质量控制培训项目、预测、预算、实时的计算机系统都属于前馈控制。前馈控制是管理层最渴望采取的控制类型，因为它能避免预期出现的问题，而不必当问题出现时再补救。

就一般而言，管理中采取的控制可以在行动开始之前、进行之中或结束之后进行，称为三种控制模型。第一种称为前馈控制或预先控制；第二种称为同期控制或过程控制；第三种称为反馈控制或事后控制。

前馈控制是在企业生产经营活动开始之前进行的控制，是一种开环控制。管理过程理论认为，只有当管理者能够对即将出现的偏差有所觉察并及时预先提出某些措施时，才能进行有效的控制，因此前馈控制具有重要的意义。

前馈控制采用的普遍方式，是利用所能得到的最新信息，进行认真、反复的预测，把计划所要达到的目标同预测相比较，并采取措施修改计划，以使预测与计划目标相吻合。运用的比较先进的前馈控制技术之一是计划评审法，或称网络分析法。它可以预先知道哪些工序的延时会影响到整个工期，在何时会出现何种资源需求高峰，从而采取有效的预防措施与行之有效的管理办法。

库存储备量在企业管理控制活动中，前馈控制的内容包括对人力资源、原材料、资金等的前馈控制。比如，人力资源必须适应任务要求，数量和素质方面有能力完成指派的任务，并控制机构臃肿，人浮于事的现象，利用统计抽样来控制原料质量，根据抽样不合格率决定接受或退货，根据库存理论控制库存储备量等。

流程工业中的前馈控制基本原理：测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使控制维持在设定值上。下图为换热器的前馈控制

自适应前馈控制系统单纯的前馈控制是开环的，是按扰动进行补偿的，因此根据一种扰动设置的前馈控制就只能克服这一扰动对被控变量的影响，而对于其他扰动对被控变量的影响，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为力了。所以在实际工业过程中单独使用前馈控制很难达到工艺要求，因此为了克服其他扰动对被控变量的影响，就必须将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。1

前馈反馈控制系统有两种结构形式，一种是前馈控制作用与反馈控制作用相乘，如上图所示的精馏塔出口温度的进料前馈反馈控制系统；另一种是前馈控制作用与反馈控制作用相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式，如下图所示的加热炉出口温度的进料前馈反馈控制系统。

采用自适应前馈控制系统的条件采用前馈控制系统的条件是：1

1、扰动可测但是不可控。

2、变化频繁且变化幅度大的扰动。

3、扰动对被控变量的影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程控制精度要求又十分严格的情况。

实施1）对计划与控制系统作认真深入的分析；

2）建立该系统的物理模型或因果关系分析图；

3）随时对上述模型进行补充、修正、完善、使之更符合实际；1

4）通过调查、预测，把变化的环境参数输入模型中，观查、分析其影响及偏差信息；

5）根据事前的备选方案，结合实际情况，采取相应的纠编措施。

要求一是要有大量的、准确的、有代表性的信息以便准确预测；1

二是要有科学的、经过实践检验的预测模型；

三是要充分了解控制过程并将其透视为“白箱”的能力；

四是要对过程变化高度敏感；

五是保持前馈控制模型的动态特性。这些因素在控制实务上具有一定的难度，因而，前馈控制是有风险的。

设计稳定回路控制器可以应用H2， H∞和模糊控制等常见的综合方法设计，针对外部扰动可以应用前馈补偿或者扰动观测的方式比，提高稳定性能。为重点说明前馈控制设计，反馈控制回路采用经典频域回路成型方法设计而忽略提高稳定性能的其它措施。简化的反馈控制回路结构如图所示。2

自适应前馈控制的结构框图如图6所示。其中，为有限冲击响应滤波器实现的前馈补偿器，为保证反馈控制回路具有ShannonBode逆解的延迟环节。算法通过自适应滤波器在线建模反馈控制回路的逆模型，形成反馈控制回路的前馈指令。理想情况下，指令r到输出y具有全通特性，自适应前馈控制与反馈控制回路构成2自由度控制结构。

下图所示为M阶自适应RLS滤波器的结构。2