前馈的基本原理是不变性原理,如果对扰动的影响是已知和确定的,总可以及时通过补偿行为,将扰动的影响减少到最小。典型的“善战者无赫赫之功”。
理论上如果有被控对象的准确模型,使用被控对象模型的逆就能实现完美的控制,甚至不需要反馈。这个不使用被控变量实际测量信息的控制策略,本质上也是前馈控制。
反馈控制需要偏差出现才进行控制,而且反馈控制让整个系统有不稳定的可能。从整个角度看,前馈控制总是有益的。但是,实际上,反馈才是控制的基础和核心。
“不确定性无处不在,人们也总是想尽各种办法"对付"不确定性,以达到调控目的或期望目标。但是,就像我们在理想化的封闭环境中通过练习学会了开车,真正到了复杂开放的实际公路上,还会面临各种不确定性。也就是说,理想模型与现实情况可能存在着较大差异,而解决它的一个有力且必要的机制就是实时反馈调控。”中国科学院院士、中国科学院数学与系统科学研究院研究员郭雷表示。
在实际控制中,前馈远远没有反馈重要,两者应用的数量不成比例。精确模型既复杂又昂贵,很多时候控制需求并没有那么高,简单用反馈控制搞搞就能解决问题。尽管反馈控制整定参数需要模型,但是这个模型不需要太精确,差不多就可以。
理想主义凝聚人心,现实主义决定行动!
反馈控制用的越多,自动化程度越高,说明被控对象的不确定性越多。性能和稳定就要综合考虑。
精确模型的难度就更大,基于精确模型的解决方案越难落地。前馈既昂贵也只能解决部分问题,非常理想的解决方法就败给了现实。
只要能让反馈生效,问题就有很大改观。所以现场常常只用简单的PI控制。再复杂一点,就用还是线性控制算法的模型预测控制解决。
大部分情况下,只使用前馈并不能解决问题。工业解决方案都是能简单绝不复杂。所以就算是看起来人畜无害的串级控制,也要能不用,尽可能不用。无论新过程还是老过程,总是先用PID反馈控制试试,如果参数合适能满足要求,就没有必要再使用前馈。反馈是必须而且往往足够的,前馈可以作为反馈性能不足的一种补充,前馈不是必须的而且也不充分。
PID这个三参数控制器,现场经常只使用PI控制,甚至P控制,也是能简单绝不复杂这种思想的体现。
不管是整定方法,还是控制算法,只要不够简单就很难工业流行。这个观点推动了我们在Lambda整定方法上做的改进方向。ZN整定方法能够工业流行也是因为简单易懂。
“当时大约有15种其他数学方法可以替代齐格勒-尼科尔斯方法,每一种都曾被尝试和推崇-但最终都因其简单易用而让位于Z-N整定法。当该方法被引入美国机械工程师协会时,控制行业几乎对其嗤之以鼻,但很快它就在当时流行却存在缺陷的直觉性方法中赢得了广泛认可。如果未来有一天要建造一座纪念PID的博物馆,约翰·齐格勒和内特·尼科尔斯的雕像应当矗立在入口处。”(摘自《控制工程》1998年1月,关于齐格勒逝世的新闻报道)
作者:冯少辉博士
