在高性能伺服系统中，前馈控制可以用来提高系统的响应特性和跟踪性能，前馈控制的特点是无须等到被控变量出现偏差，而是直接按照预先给定的指令给出控制量。前馈控制系统一般如下图所示。

在上图所示的交流伺服系统控制框图中，可以看出为了实现交流伺服系统的高速定位控制，获得对控制指令的快速响应和跟踪，在速度环和电流环稳定运行的前提下，引入了速度指令和电流指令的前馈控制，其中，位置环采用P控制，速度环和转矩环采用PI控制，在此基础上对转矩环引入转速前馈bBs和加速度前馈 mso-bidi-theme-font:minor-bidi;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language: ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA">aJs²，其中，a和b分别为加速度前馈系数和转速前馈系统，实际系统中，可以通过调节a和b两个系数，改变前馈量。通过前馈控制器可以将预先计算好的指令直接给到电流环和转速环，从而，大大提高指令跟踪效果。

前馈控制器通常根据系统模型求逆得到，这里以经典的伺服电机控制例子为例，不考虑电流环内部响应，那么位置开环传函为：



因而前馈控制器一般选择为：



这样选择的目的是为了使得在前馈控制器作用下，实际位置与给定位置一致。此时，从给定到实际位置的传递函数为：



因而，此时不存在跟踪误差，与我们控制目标一致。

因而，可以看出，设计前馈控制器时我们需要估计系统转动惯量以及摩擦参数，然后据此设计控制器。

前馈控制策略实际上预测控制的一种，其通过系统模型估计当前控制器输出，因而，相对于PID控制器能更快的对系统变化进行响应。前馈控制与PID相结合相对于传统PID控制能够加快系统动态响应并降低系统误差。

如果前馈控制所采用的参数与实际系统参数差别较小，那么PID控制器仅需要较小的作用降低系统误差，因而，整个闭环系统的误差将大大降低。

下面三幅图a,b,c为针对交流伺服系统位置控制分别采用三种不同控制策略仿真结果。其中图a为常规PI控制策略，未引入任何前馈控制；图b为在常规PI控制的基础上引入了转速前馈项bBs;图c为在常规PI控制的基础上同时引入了转速前馈和加速度前馈，为aJs^2+bBs的形式；其中每幅图形中黄色曲线为转速环PI调节器积分输出，红色和浅蓝色曲线分别代表实际位置和给定位置。蓝色曲线和粉色曲线分别代表实际转速和给定转速；绿色曲线为总的转矩给定。
图a
图b
图c

其中，图a为常规PI控制策略，没有转速前馈和转矩前馈。可以看出，此时，首先，位置环存在误差，经过位置环P调节器后得到给定转速，然后由于给定转速和实际转速的误差，因而转速环通过PI调节器得到给定转矩，如图a中绿色曲线所示。可以看出，由于转速环使用PI调节器实现，因而其经过一段时间才能实现转速的完全跟踪，实际转速和给定转速之间存在较大误差。

图b为在常规PI调节器上增转速前馈后的仿真结果。可以看出，此时，转速跟踪性能改善，位置跟踪误差变小。

图c为在常规PI调节器的基础上同时增加了转速前馈和加速度前馈后的仿真结果。可以看出，此时，转速跟踪性能进一步改善，位置跟踪接近理想情况。

参考文献：

[1] 郝双晖, 蔡一, 郑伟峰, 等. 基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制[J]. 微特電機, 2010, 38(2): 35-37+ 40.

[2] George W. Younkin, P.E.. "CURRENT FEEDFORWARD CONTROL."

[3] EPOS Application Note: Position Regulation with Feed Forward Edition May 2008

[4] Kaiser, David, and Parker Compumotor. "Fundamentals of servo motion control." Parker Compumotor 11 (2001).

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