第18讲：PID Controller 的最后一环——为什么飞控还需要 Feedforward（前馈控制）？

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本讲知识点

• PID Controller（PID控制器）中的三个反馈控制项已经完成后，为什么仍然需要 Feedforward（前馈控制）
• Feedback Control（反馈控制）与 Feedforward（前馈控制）的区别
• Feedforward 为什么直接观察飞手输入变化
• pidSetpointDelta（目标变化量）的作用
• Kf（前馈系数）如何影响 Feedforward 输出
• Betaflight 中 pidData[axis].F 的计算过程
• PID Sum（最终控制输出）的形成

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本讲对应 Betaflight 源码

文件：src/main/flight/pid.c

函数：pidController()

本讲涉及源码：

#ifdef USE_ABSOLUTE_CONTROL
    pidSetpointDelta += setpointCorrection - pidRuntime.oldSetpointCorrection[axis];
    pidRuntime.oldSetpointCorrection[axis] = setpointCorrection;
#endif

const float feedforwardGain = launchControlActive ? 0.0f : pidRuntime.pidCoefficient[axis].Kf;
pidData[axis].F = feedforwardGain * pidSetpointDelta;

以及：

const float pidSum = pidData[axis].P + pidData[axis].I + pidData[axis].D + pidData[axis].F;

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回顾上一讲

上一讲中，我们已经完成 D Term（微分控制项）的建立。

至此，Rate Controller（角速度控制器）已经具备：

P Term（比例控制项）

I Term（积分控制项）

D Term（微分控制项）

三个基础反馈控制项。

控制链继续推进到：

P Term

↓

I Term

↓

D Term

↓

Feedforward

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本讲学习目标

虽然 PID Controller（PID控制器）已经能够根据误差修正飞机状态，

但是, 反馈控制存在一个天然限制：它必须先等误差产生，然后才能开始修正。

当飞手快速打杆时，飞机需要快速产生响应，而不是等待：

目标变化

↓

产生误差

↓

PID修正

这个过程完成以后才开始动作。

因此，本讲进入：

Feedforward（前馈控制）

理解飞控如何直接观察目标变化，在误差出现之前，提前产生控制响应。

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PID 三个反馈项已经足够了吗？

到目前为止，控制链已经进入：Rate Controller（角速度控制器）。

飞控拥有：Rate Error（角速度误差）。

然后通过：P Term -> I Term -> D Term 产生控制输出。

看起来，PID 已经完整了。

但是现实中仍然存在一个问题：飞手输入是主动产生的。

例如：

飞手快速向右打杆，控制目标瞬间变化：

当前目标角速度：0°/s -> 300°/s

这时候, 飞机实际角速度仍然可能接近 0°/s, 因此, Rate Error 会突然增大。

反馈控制需要经历：

目标变化

↓

产生误差

↓

P/I/D计算

↓

电机响应

这个过程需要时间。

而飞手希望看到的是：打杆以后，飞机立即开始响应。

因此，飞控需要一种不等待误差出现，提前响应目标变化的方法。

这就是：Feedforward（前馈控制）。

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Feedback Control 与 Feedforward 的区别

理解 Feedforward 前，需要先区分两种控制思想。

Feedback Control（反馈控制）

反馈控制关注：飞机现在做得对不对。

它观察：

目标值

↓

当前状态

↓

计算误差。

例如：

目标角速度：300°/s

当前角速度：200°/s

产生：Rate Error 100°/s

然后 PID 根据误差修正。

所以, 反馈控制解决的是：飞机已经偏离目标以后，如何修回来。

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Feedforward（前馈控制）

Feedforward 关注：目标正在如何变化。

例如：

飞手突然快速打杆：目标角速度 0°/s --> 300°/s

虽然飞机还没有产生误差，但是飞控已经知道：未来需要快速增加控制输出。

因此，Feedforward 不等待 Current Angular Rate（当前角速度）变化。

而是直接观察 Setpoint（目标值）的变化。

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pidSetpointDelta：目标变化量

源码中：

pidSetpointDelta 表示：当前目标角速度，相比上一周期变化了多少。

简单理解：

如果上一周期目标：0°/s

当前目标：300°/s

那么，目标变化量 300°/s

这个变化量代表：飞手希望飞机快速改变运动状态。

因此，Feedforward 使用“目标变化速度”作为提前控制依据。

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第一行核心源码

首先观察：

const float feedforwardGain = launchControlActive ? 0.0f : pidRuntime.pidCoefficient[axis].Kf;

这一行负责获取：Kf（Feedforward Gain，前馈增益）。

Kf 的作用：控制 Feedforward 对最终输出的影响大小。

如果Kf 较大, 目标变化时，提前产生更强响应。

如果Kf 较小, 提前响应较弱。

因此, Kf 决定飞控对飞手输入变化的敏感程度。

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Feedforward 输出计算

核心代码：

pidData[axis].F = feedforwardGain * pidSetpointDelta;

翻译成控制思想：

目标变化量 × 前馈增益 --> Feedforward 输出

也就是说, 飞手动作变化越快，Feedforward 输出越大。

例如：

飞手轻微移动摇杆, 目标变化小。

↓

Feedforward 小。

飞手快速打杆, 目标变化大。

↓

Feedforward 大。

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为什么 Feedforward 不替代 PID？

这里需要注意：Feedforward 不是替代 PID。

因为, 它只知道：飞手希望怎么变化, 但是它不知道：飞机实际有没有做到。

例如：

飞手快速打杆, Feedforward 提供提前推力。

但是, 如果电池电压下降；电机性能不足；受到风阻；飞机仍然可能达不到目标。

这时候, Rate Error 仍然存在。

于是, PID Feedback Control（反馈控制）继续负责修正实际误差。

所以完整控制逻辑是：

Feedforward 提前推动飞机。

PID：根据实际误差修正飞机。

两者共同作用：快速响应 + 准确控制。

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PID Sum：最终控制输出

当：

P Term

I Term

D Term

Feedforward

全部计算完成以后, 源码进入：

const float pidSum = pidData[axis].P 
                   + pidData[axis].I 
                   + pidData[axis].D 
                   + pidData[axis].F;

这里表示所有控制作用最终合并。

也就是, 反馈控制 P + I + D + F 共同形成PID Controller（PID控制器）的最终输出。

控制链推进到：

Rate Error

↓

P Term

↓

I Term

↓

D Term

↓

Feedforward

↓

PID Sum

至此, Rate Controller 内部的主要控制组成已经建立完成。

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本讲小结

本讲完成了 Feedforward（前馈控制）的建立。

Feedforward 与 P Term、I Term、D Term 不同，它不是根据已经产生的误差进行修正，而是直接观察目标变化趋势，提前产生控制响应。

Betaflight 通过 pidSetpointDelta 获得目标角速度变化量，

再结合 Kf 计算 pidData[axis].F。

至此，Rate Controller 内部主要控制组成已经全部建立：

P Term：解决当前误差。

I Term：解决长期累计误差。

D Term：观察变化趋势。

Feedforward：提前响应目标变化。

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下一讲预告

下一讲，我们将离开 PID Controller 内部计算，

进入：

Motor Mixer（电机混控）。

理解飞控如何把单个轴的控制输出，转换为四个电机的具体控制量。