盡可能使用前饋結(jié)構(gòu)來補充反饋結(jié)構(gòu)

當(dāng)我在 70 年代后期學(xué)習(xí)控制理論時，我們從未學(xué)習(xí)過前饋系統(tǒng)。一切都基于反饋和“G/(1+GH)”。如果我想從我的控制回路中得到一個僵硬的響應(yīng)，我唯一知道要做的就是提高我的增益，直到我的系統(tǒng)剛好避免振蕩!但后來我在 90 年代中期閱讀了 Curtis Wilson(無關(guān))的一篇關(guān)于前饋控制的文章，它改變了我對控制系統(tǒng)的看法。作為前饋如何工作的示例，假設(shè)您有一個電機，您希望在其中控制其電流。反饋方法包括對電機電流進行采樣，將其與所需電流進行比較以生成誤差信號，然后將該誤差信號饋送到控制結(jié)構(gòu)中以驅(qū)動電機電壓。但是前饋方法會問，“電機電壓的方程式是什么v(t)作為電流i(t)的函數(shù)?” 一旦定義了方程式，您只需將方程式中的i(t)設(shè)置為您的指令電流，并求解實現(xiàn)該電流所需的電壓v(t) 。假設(shè)您的傳遞函數(shù)是正確的，如果您隨后將該電壓波形應(yīng)用于電機繞組，您應(yīng)該會得到所需的電流波形。

在大多數(shù)情況下，前饋結(jié)構(gòu)比反饋結(jié)構(gòu)快得多。這是因為反饋結(jié)構(gòu)必須首先在命令值和反饋值之間產(chǎn)生誤差，然后才能生成響應(yīng)。但是前饋結(jié)構(gòu)不按照誤差原理工作。它只是計算需要應(yīng)用于工廠輸入(例如，電壓)以使其輸出等于命令輸入值(例如，電流)的理論值。而且這樣做完全不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因為它不使用反饋回路!

雖然前饋結(jié)構(gòu)非常適合設(shè)計能夠快速響應(yīng)輸入變化的控制系統(tǒng)，但它們在負載或工廠中無法預(yù)測的變化方面表現(xiàn)不佳。然而，這是一個反饋結(jié)構(gòu)做得很好的領(lǐng)域。因此，最終的解決方案是一種混合方法，您可以使用前饋結(jié)構(gòu)來完成繁重的工作，以在輸入快速變化時改善瞬態(tài)響應(yīng)，然后使用反饋來校正漂移和其他不可預(yù)測的低頻效應(yīng)。為了讓反饋環(huán)路做到這一點，它的增益可以設(shè)置為如果它也負責(zé)瞬態(tài)響應(yīng)則必須達到的增益的一小部分。較低的增益等于更好的穩(wěn)定性!混合反饋/前饋控制器的示例如下所示。

利用觀察者窺探信號

很多時候，您需要訪問無法直接測量的隱蔽信號，例如電機內(nèi)部的反電動勢信號或轉(zhuǎn)子磁通的角度。但是，如果此信號與您確實可以訪問的其他信號有明確的關(guān)系，您可以使用稱為 OBSERVER 的東西從其他信號中擠出丟失的信號!我仍然對它的效果感到驚訝!這些小過濾器非常聰明，似乎可以憑空提取信號。順便說一句，觀察者是反饋結(jié)構(gòu)與前饋結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的一個例子，就像我們在上一節(jié)中談到的那樣。

有許多不同類型的觀察者……這里無法涵蓋。下面是一個典型的速度觀測器示例，您可能會在使用編碼器的數(shù)字控制系統(tǒng)中找到它。試圖從編碼器中擠出速度信息可能會讓人望而生畏，尤其是在編碼器移動非常緩慢的情況下。如果您只是測量每次采樣更新時編碼器計數(shù)之間的差異，您最終會在低電機速度下得到非常量化的速度信號。另一方面，如果你測量編碼器邊緣轉(zhuǎn)換之間的時間，你有很多數(shù)字分辨率，但你的速度采樣頻率在低電機速度下會被破壞。但是，觀察器可以與您的控制回路的其余部分以相同的采樣頻率運行，并且它會創(chuàng)建一個具有您想要的分辨率的速度信號。前饋電流輸入信號允許觀察者估計具有零或接近零相位滯后的速度信號!這真是太酷了!