自抗擾控制技術(shù)簡(jiǎn)介

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1、自抗擾控制技術(shù)簡(jiǎn)介1．自抗擾控制技術(shù)概述1.1什么是自抗擾控制技術(shù)自抗擾控制器（Auto/ActiveDisturbancesRejectionControler，ADRC）技術(shù)，是發(fā)揚(yáng)PID控制技術(shù)的精髓并吸取現(xiàn)代控制理論的成就，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納和總結(jié)和綜合中探索而來(lái)的，是不依賴(lài)被控對(duì)象精確模型的、能夠替代PID控制技術(shù)的、新型實(shí)用數(shù)字控制技術(shù)。1.2自抗擾控制技術(shù)的提出者——韓京清韓京清，朝鮮族,1937生，系統(tǒng)與控制專(zhuān)家，中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院系統(tǒng)科學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師,長(zhǎng)期從事控制理論與應(yīng)用研究工作，是我國(guó)控制理論和應(yīng)用早期開(kāi)拓者之一。韓京清先生于1998年正

2、式提出自抗擾控制這一思想。在這個(gè)思想提出之后，國(guó)內(nèi)外許多研究者都圍繞著“自抗擾控制”展開(kāi)實(shí)際工程應(yīng)用的研究。同時(shí)，自抗擾控制的理論分析的研究也在不斷的深入。1.3自抗擾控制技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)（1）自抗擾控制器采用“觀測(cè)＋補(bǔ)償”的方法來(lái)處理控制系統(tǒng)中的非線(xiàn)性與不確定性，同時(shí)配合非線(xiàn)性的反饋方式，提高控制器的動(dòng)態(tài)性能。（2）自抗擾控制器算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、精度高、速度快、抗擾能力強(qiáng)。（3）統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制問(wèn)題；擾動(dòng)抑制不需外擾模型或者外擾是否觀測(cè)；控制算法不需辨識(shí)控制對(duì)象；統(tǒng)一處理非線(xiàn)性和線(xiàn)性系統(tǒng)；可以進(jìn)行時(shí)滯系統(tǒng)控制；解耦控制只要考慮靜態(tài)耦合，不用考慮動(dòng)態(tài)耦合等。2．自抗擾控制技

3、術(shù)提出的背景2.1現(xiàn)代控制理論的缺點(diǎn)和改進(jìn)現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)變量描述為基礎(chǔ)，以狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置來(lái)改善全局動(dòng)態(tài)特性的問(wèn)題。因而，此種控制的主要手段是狀態(tài)反饋?！斑@種全局控制方法需要知道關(guān)于開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性的先驗(yàn)知識(shí)和狀態(tài)變量的信息，這在許多工程實(shí)際中是很不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楣こ虒?shí)際提供不了有關(guān)開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性的多少先念知識(shí)，因此這種全局控制方法是很難在實(shí)際中得到應(yīng)用。”這就是現(xiàn)代控制理論的缺點(diǎn)，這也限制了這種控制方法在工程實(shí)際中的應(yīng)用。事實(shí)上，要實(shí)現(xiàn)控制目的，不一定要知道系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性。實(shí)現(xiàn)控制的主要目的是施加控制力，使目標(biāo)值與輸出值之間的誤差衰減下去，因而只需要知道開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性的具體表現(xiàn)量。這就是將

4、狀態(tài)反饋的理念轉(zhuǎn)換為誤差反饋的理念。圖（1）、圖（2）是這兩種控制方式的框圖。圖（1）基于狀態(tài)反饋的全局控制方法圖（2）基于誤差反饋的“過(guò)程的控制”2.2PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)PID控制的主要優(yōu)點(diǎn)是：“不用被控對(duì)象的精確模型，只用控制目標(biāo)與對(duì)象實(shí)際行為的誤差來(lái)產(chǎn)生消除此誤差的控制策略的過(guò)程控制思想，是PID留給人類(lèi)的寶貴思想遺產(chǎn)，是PID控制技術(shù)的精髓?！币舱且?yàn)檫@個(gè)原因，PID控制才能在控制工程實(shí)踐中得到廣泛有效的應(yīng)用。PID控制的缺陷：（1）直接以e=v-y的方式產(chǎn)生原始誤差。控制目標(biāo)v是有可能產(chǎn)生突變的，而對(duì)象輸出y一定是連續(xù)的，用連續(xù)的緩變的變量追蹤可能跳變的變量本身就是不合理的。（2）

5、產(chǎn)生e的微分信號(hào)沒(méi)有太好的辦法。（3）線(xiàn)性組合不一定是最好的組合方式。（4）誤差信號(hào)e的積分反饋的引入有很多負(fù)作用。韓京清研究員針對(duì)PID控制的缺陷提出了改進(jìn)方法。（1）安排過(guò)渡過(guò)程。（2）微分信號(hào)的提取。（3）各參數(shù)的非線(xiàn)性組合的應(yīng)用。（4）狀態(tài)擴(kuò)張觀測(cè)器。3.自抗擾控制器的基本結(jié)構(gòu)“用安排過(guò)渡過(guò)程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線(xiàn)性組合部件就可以裝配出具有奇特功能的控制器——自抗擾控制器（Auto/ActiveDisturbancesRejectionControler，ADRC）?！?.1自抗擾控制器的框圖圖（3）自抗擾控制器的框圖3.2自抗擾控制器的基本結(jié)構(gòu)自抗擾控制器(ADRC)主要包括：（1）

6、非線(xiàn)性跟蹤微分器(TD)；（2）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)；（3）非線(xiàn)性組合(NLC)。自抗擾控制器利用跟蹤微分器(TD)為參數(shù)輸入安排過(guò)渡過(guò)程，得到光滑的輸入信號(hào)，并提取其微分信號(hào)。ESO是ADRC的核心，采用雙通道補(bǔ)償?shù)姆椒ǜ脑鞂?duì)象模型，將非線(xiàn)性、不確定的系統(tǒng)近似線(xiàn)性化和確定性化。利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)對(duì)對(duì)象進(jìn)行估計(jì)，不僅能得到各個(gè)狀態(tài)變量的估計(jì)，而且能得到對(duì)象方程右端估計(jì)，即擾動(dòng)估計(jì)。對(duì)跟蹤微分器輸出與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器給出的狀態(tài)變量估計(jì)取誤差，形成狀態(tài)變量誤差。這個(gè)狀態(tài)變量誤差的非線(xiàn)性反饋與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)未知作用力估計(jì)的補(bǔ)償量一起組成控制量。3.3典型的二階自抗擾控制器的算法在這里r

7、0，β01，β02，β03，r，c，h1，b0是控制器的參數(shù)。其中r0是根據(jù)過(guò)渡過(guò)程快慢的需要和系統(tǒng)的承受能力來(lái)決定的；參數(shù)β01，β02，β03是由系統(tǒng)所采用采樣步長(zhǎng)來(lái)決定的。這樣，系統(tǒng)中真正需要調(diào)整的參數(shù)為控制量增益r、阻尼系數(shù)c、精度因子h1和補(bǔ)償因子b0四個(gè)了。在一般情況下，控制量增益r是大到一定程度就可以了，再大也幾乎沒(méi)什么影響。因此只需要調(diào)整三個(gè)參數(shù)r、c、h1。這三個(gè)參數(shù)與PID控制