前馈控制知识详解：作用、设计及应用
前馈控制知识详解：作用、设计及应用
前馈控制是一种在控制系统中预先补偿扰动影响的控制策略，特别适用于存在较大滞后作用的系统。本文将详细介绍前馈控制的作用、设计方法及其在伺服系统中的应用。
前馈控制作用
前馈控制主要应用于控制系统本身存在较大的滞后作用。如果仅仅在系统产生误差之后进行控制，系统总是会跟在干扰后面波动，难以稳定。前馈控制的基本观点是建立按扰动量进行补偿的开环控制，即当影响系统的扰动出现时，按照扰动量的大小直接产生相应的矫正作用，以抵消扰动的影响。当控制算式选择得当时，可以达到很高的控制精度。
前馈控制设计
作者调试过多家伺服驱动产品，发现在没有前馈的情况下，位置环跟踪误差可能达到100机械角度。而加入100%前馈后，位置环跟踪误差可以降低到1机械角度上下。但是，前馈并非越多越好，过大的前馈会导致速度环给定出现波动，电机出现高频震动。
位置环设计
很多论文提到电流环（ACR）和速度环（ASR）一般使用PI调节器，而位置环使用P调节器即可。这种说法不够严谨，因为只有比例增益（Kpos）时，位置环必然会有稳态误差，且误差与Kpos值呈反比。目前位置环主要有两种设计方案：
- 对位置指令和位置反馈的误差进行累加，累加器经过Kpos后，送给速度环的给定。
- 位置环引入积分环节，即位置环设计成PI调节器。
第一种设计方案更为常见。
为什么需要位置环前馈环路？
以第一种位置环设计思路为例，为了使位置环不会产生超调，需要根据电机参数、速度环增益等设计合适的Kpos。这就意味着不能一直通过增加Kpos值来提高位置环的响应速度。因此，需要前馈的参与来提高系统的响应。增加前馈不会影响系统的极点，不会影响系统的整体稳定性。
位置环前馈设计方法
设计位置环时，通常先对速度闭环进行等效处理，然后设计前馈和位置环（APR）。具体设计方法如下：
最后对F(S)进行离散化处理，使用前向欧拉方法即可，然后将结果转换成代码写入MCU。实验证明，即使只使用位置前馈中的速度分量，位置环的跟踪响应也会得到显著改善。这是因为当F（s）这部分分量变多后，APR输出的分量就会减小，最终产生的效果就是位置环跟踪误差变小。