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前饋控制

前饋控制（feed-forward control），是一個術語，描述控制系統中的一個元素或路徑，它將控制信號從外部環境的來源傳遞到另一個外部環境中的負載。這通常是來自外部操作者的命令信號。

僅具有前饋行為的控制系統對其控制信號以預先定義的方式作出響應，不會對負載作出響應；它與同樣具有反饋的系統形成對比，反饋系統根據輸出如何影響負載，以及負載可能會如何變化來調整輸出；負載變化視為系統的外部環境。

在前饋系統中，控制變量的調整不是以目標和回授之間的誤差為基礎，它是以過程數學模型的知識和過程擾動的知識或測量為基礎[1]。

控制方案需要一些先決條件才能在沒有反饋的情形下，可靠的通過純前饋來控制：必須可以知道外部命令或控制信號，並且系統輸出對負載的影響應該是已知的（這通常意味着負載不會隨時間改變）。有時沒有反饋的純前饋控制稱為「彈道」（ballistic），因為一旦發出控制信號，就無法進一步調整；任何糾正調整必須通過新的控制信號。相比之下，「巡航控制」（cruise control）通過反饋機制調整輸出以響應其遇到的負載。

前饋系統可能和控制理論、生理學及計算有關。

概述

若要應用前饋控制，需要可以量測干擾，而且控制系統要在干擾真正影響系統之前，就要進行調整。以有暖氣的住家為例，前饋系統可以偵測大門有打開，在室內變冷之前先調高暖氣的溫度。前饋控制的困難點是需要精準的預測干擾對系統的影響，而且不能有其他量測不到的干擾。仍以有暖氣的住家為例，若沒有偵測窗戶是否開啟，可能會因為窗戶打開，而前饋控制系統沒有調整溫度，因此使室內溫度降低。

在微處理器為基礎的自動控制系統中，常常會討論到先進的前饋控制概念，但因為需要複雜的數學模型不容易開發，因此很少在實務上使用。自動控制系統常用的是開迴路控制以及閉迴路控制，閉迴路控制常會配合市售的PID控制器進行控制[2][3][4] 控制系統可分為3類：

  • 開環
  • 前饋
  • 反饋 (閉環)

開環系統的例子是車輛中無動力輔助的方向盤，方向盤沒有輔助電源，也不會因方向盤的變化而提供動力。駕駛需要自行調整轉動方向盤的出力。相較而言，動力方向盤有輔助動力可以使用，會依發動機速度而調整。當轉動方向盤時，會開啟閥門讓液壓油來轉動方向盤。有壓力感測器監控壓力。讓閥門打開的程式恰好可以提供足夠壓力轉動方向盤。這是前饋系統，不考慮汽車實際駕駛的方向，可以參考模型預測控制。

若這個系統將駕駛考慮在內，駕駛會觀察汽車行駛的方向。調整方向盤來修正位置。這就是反饋系統

一個系統內可以有其他的系統，系統會將內部的其他系統視為黑箱。

前饋控制不同於開環控制或遙控作業（英語：teleoperator）。前饋控制需要有過程的輸入輸出之間（或／及控制設備）的數學模型，也要知道輸入對系統的影響。開環控制或遙控作業系統都不需要複雜的受控實體系統數學模型。若是依操作員的輸入來控制，沒有整合性的處理或數學模型的詮釋，只能算遙控作業，不算是前饋控制。

計算機科學的感知機網絡是個前饋系統，因為每層神經元的輸出只傳給下一層，而不能傳給上一層神經元，因此沒有反饋。

歷史

在歷史上，feedforward（前饋）一詞有出現在Harold S. Black的發明（美國專利1686792，1923年3月17日發明）以及Donald MacCrimmon MacKay1956年的著作中。MacKay的著作是生物控制相關的研究，他只提到feedforward systems（前饋系統），沒有提到Feedforward Control（前饋控制）或是前饋控制相關的法則。MacKay以及早期使用前饋一詞的人是用來說明人類以及動物的腦部運作方式[5]。Black在1927年8月2日發明的美國專利2102671，是有關將前饋技術應用在電子系統上。

前饋控制的技術主要是由佐治亞理工學院、麻省理工學院、史丹福大學及卡內基·梅隆大學的教授以及研究所學生所發展的。MIT的Meckl和Seering以及佐治亞理工學院的Book和Dickerson在1970年代中期開始發展前饋控制的概念。在1980年代末期，在學術論文、文章和書籍中已清楚的定義前饋控制的法則[6][7][8][9]。

好處

前饋控制的好處很大，大過實施此技術需要的成本、時間及心力。若數學模型的品質夠好，前饋控制的實現也正確進行，控制精度可以提昇一個數量級。前饋控制系統及驅動裝置的耗能（英語：Energy consumption）遠小於其他的控制系統。控制設備可以用較低成本、較輕量的材料，仍然可以精確，並且可以在高速下運作，其穩定性也可以提昇。其他的好處包括減少設備的磨損以老化，降低維修成本、高可靠度，以及遲滯現象的顯著減少。若要讓性能最佳化，前饋控制還是會配合回授控制一起進行[6][10][11][12][8]。

模型

前饋控制系統（機器、程序或是生物體）的數學模型可以用控制工程的方式產生，也可以用控制系統自身學習而得到[13]。隨着微處理器運算速度的提昇，具有學習及調整數學模型能力的控制系統也就越來越接近實務應用。現代前饋控制的原理是因為微處理器的發明才有了實務發展的空間[6][14]。

前饋控制需要將數學模型整合到控制演算法中，依照目前已知的系統狀態來決定控制動作。以重量輕、有可撓性的機械手臂而言，可能是在手臂有載重時加以補償，沒有載重時則不補償。目標的關節角度會以根據數學模型，載重造成系統的擾動，以及在理想位置下手臂的變形量調整。若是一系統決定命令，再由另一個系統執行命令，這不一定符合上述前饋控制的定義。只有系統有方式可以偵測擾動，或是有輸入信號，再將輸入信號送到數學模型中，以此來調整控制命令，這才稱為是真正的前饋控制[15][16][17]。

開迴路系統

在系統科學中，開迴路系統（open system）是指沒有反饋可以控制其輸出的系統。相反的，閉迴路系統（英語：closed system (control theory)）可以用回授迴路來控制系統運動。開迴路系統中，系統的輸出不會回授到系統，供控制或是運作使用。

應用

生理前饋系統

在生理學上，前饋控制的例子是在實際體力活動之前，自主神經系統對心跳的正常預期調節。前饋控制可以比作對已知線索的預期反應（預測編碼）。心跳的反饋調節為機體提供了進一步對運動的適應性。

前饋系統也存在於人類和動物大腦的生物控制中[18]。即使在生物前饋系統的情況下，例如在人類大腦中，知識或植物（身體）的心智模型也可以被認為是數學模型，因為該模型具有極限、節奏、力學和模式的特徵。[19][20]

純前饋系統不同於生物體內的穩態控制系統，後者具有保持身體內部環境「穩定」或「長時間處於穩定狀態」的功能。體內平衡控制系統主要依賴於反饋（尤其是負面反饋），以及系統的前饋元素。

基因調控與前饋

前饋環是由三個基因X,Y,Z所形成的一種基因調控模體（motif）。假設有X,Y,Z三個基因，那麼前饋環的基本模式是：X調控Y，Y調控Z，同時X又能直接調控Z。換言之，X能夠通過Y間接對Z產生調控，也能直接對Z產生調控。

通過隨機模擬的方法證明，在大腸桿菌中，前饋環是三個基因構成的可能的13種調控模式中唯一一種模體。因此可以推斷，這種基因調控模式對生物體對環境的適應有着重要的意義。

前饋環的性質會隨着亞型的不同而不同。

大致上，根據基因間的調控關係的不同，可以將前饋環分為兩種：一致前饋（coherent feedforwatd）和非一致前饋（incoherent feedforward）。依舊以上文的X,Y,Z基因為例，一致前饋中的直接（X到Z）和間接（X通過Y到Z）調控途徑對下游基因的作用（調控或抑制）相同；而非一致前饋中直接和間接調控途徑對下有基因的作用相反。

在前饋環中存在三條箭頭，也就是三對基因間的調控關係：X對Y，Y對Z，X對Z。這三對調控關係中的每一對都有促進和抑制兩種可能，所以根據X,Y,Z基因間的關係不同，三個元素組成的前饋具有8種前饋類型。其中，最常見的類型有兩種：一種三對關係全為促進關係，一種是Y對Z是抑制關係，其餘兩對關係是促進關係。顯然，第一種關係是一致前饋，而第二種關係是非一致前饋。

一致前饋的作用是持續性檢測和信號敏感性延遲。以Z啟動子的兩個輸入是「與」邏輯為例（也就是，Z啟動子必須要X和Y分子的濃度同時達到一定的閾值才能啟動）。信號敏感性延遲指，當X激活並達到閾值，Z並不立即表達，而是需要等到X激活的Y也達到閾值才產生表達；而持續性檢測指，如果X只是產生了一個高濃度的脈衝，而不是持續性處於高濃度的狀態，在Y表達超過閾值之前X的濃度就已經下降，那麼Z就不會有表達。

Z啟動子的兩個輸入時「或「邏輯的情形相似，只不過是當X有持續的表達突然降到表達量為0的時刻產生的持續性檢測和信號敏感性延遲。讀者可按照相同的邏輯自行推演。

非一致前饋的作用是脈衝發放和響應加速。脈衝發放是指，如果Y對Z的抑制完全（即只要Y的濃度達到閾值，不論X是否存在，Z都沒有表達）當X的濃度上升，由於X直接激活Z，Z的濃度會出現一個迅速的上升；之後，由於Y的上升，Z的濃度又會下降，這樣一看，Z對X濃度提高的相應是一個脈衝；響應加速是指，如果Y對Z抑制不完全（也即，在X和Y同時存在的情況下，Z會表達但是表達水平不高）在Z的濃度在受Y抑制而降低之前，Z會由於X的激活而較快達到一個比較高的峰值，從而加速了對信號的響應。[21]

計算上的前饋系統

主條目：感知器

在計算上，前饋一般是指感知器網絡，所有神經元的輸出都是往下一層，不會回到較前面的層，因此沒有反饋。在訓練階段會建立其連結

長途電信

1970年代初期，跨市的同軸傳輸系統（包括L-carrier（英語：L-carrier））用前饋放大器來減小線性失真。這個系統比較複雜，但和傳統的回授系統相比，可以有較寬的帶寬。後來光導纖維的普及，這類的技術就已經過時了。

自動控制以及機器控制

前饋控制是控制理論中的一個主題。

帶導數的並行前饋補償（PFCD）

帶導數的並行前饋補償（Parallel feed-forward compensation with derivative）是一種新的技術，可以調整開迴路傳遞函數的相位，由非最小相位系統調整為最小相位系統[22]。

參見

參考文獻

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進一步閱讀

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