前馈控制

前馈（有时写作前馈）是控制系统中的一个元件或路径，它将控制信号从其外部环境中的源传递到其外部环境中别处的负载。 这通常是来自外部操作员的命令信号。

只有前馈行为的控制系统以预定义的方式响应其控制信号，而不响应负载的反应方式； 它与同样具有反馈的系统形成对比，后者调整输入以考虑它如何影响负载，以及负载本身如何不可预测地变化； 负载被认为属于系统的外部环境。

在前馈系统中，控制变量调整不是基于误差的。 相反，它基于过程的数学模型形式的过程知识以及过程扰动的知识或测量值。

无反馈的纯前馈控制方案可靠需要一些先决条件：外部命令或控制信号必须可用，并且系统输出对负载的影响应该是已知的（这通常意味着负载 必须可以预见地随时间不变）。 有时没有反馈的纯前馈控制称为“弹道”，因为一旦发送了控制信号，就无法进一步调整； 任何校正调整都必须通过新的控制信号。 相比之下，“巡航控制”通过反馈机制根据遇到的负载调整输出。

这些系统可能与控制理论、生理学或计算有关。

通过前馈或前馈控制，可以在扰动影响系统之前对其进行测量和计算。 在房子的例子中，前馈系统可以测量门打开的事实，并在房子变得太冷之前自动打开加热器。 前馈控制的困难在于必须准确预测扰动对系统的影响，并且不能有任何不可测量的扰动。 例如，如果打开一扇没有被测量的窗户，前馈控制的恒温器可能会让房子降温。

该术语在基于 CPU 的自动控制领域具有特定含义。 与基于 CPU 的现代自动控制相关的前馈控制学科被广泛讨论，但由于开发或提供促进此类控制所需的数学模型的难度和费用，很少被实践。 通常基于固定 PID 控制算法的开环控制和反馈控制得到更广泛的应用。

控制系统分为三种类型：开环、前馈和反馈。 纯开环控制系统的一个例子是机动车的手动非助力转向； 转向系统无法使用辅助动力源，并且不会响应方向轮转动的不同阻力； 驾驶员必须在没有转向系统帮助的情况下做出这种反应。 相比之下，动力转向可以使用受控的辅助动力源，这取决于发动机转速。 当方向盘转动时，一个阀门打开，使流体在压力下转动驱动轮。 传感器监控该压力，以便阀门仅打开到足以使正确的压力到达车轮转动机构的程度。 这是前馈控制，其中系统的输出，即车辆行驶方向的变化，在系统中不起作用。 请参见模型预测控制。

如果驾驶员包含在系统中，那么他们确实会通过观察行进方向并通过转动方向盘来补偿错误来提供反馈路径。 在那种情况下，您有一个反馈系统，图 (c) 中标有系统的块是一个前馈系统。

也就是说，可以嵌套不同类型的系统，将整个系统看成一个黑盒子。

前馈控制明显不同于开环控制和遥控系统。 前馈控制需要工厂（过程和/或被控制的机器）的数学模型以及工厂与系统可能接收到的任何输入或反馈的关系。 开环控制和遥控系统都不需要复杂的物理系统或受控设备的数学模型。

基于操作员输入而不通过系统的数学模型进行整体处理和解释的控制是遥控系统，不被视为前馈控制。

从历史上看，术语前馈的使用最早出现在 Harold S. Black 的美国专利 1686792（1923 年 3 月 17 日发明）和 D. M. MacKay 早在 1956 年的作品中。虽然 MacKay 的工作属于生物控制理论领域， 他只谈到前馈系统。