自抗擾控制技術(shù)簡介

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1、自抗擾控制技術(shù)簡介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PID控制技術(shù)的精髓并吸取現(xiàn)代控制理論的成就，運用計算機(jī)仿真實驗結(jié)果的歸納和總結(jié)和綜合中探索而來的，是不依賴被控對象精確模型的、能夠替代PID控制技術(shù)的、新型實用數(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)與控制專家，中國科學(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,長期從事控制理論與應(yīng)用研究工作，是我國控制理論和應(yīng)用早期開拓者之一。韓京清先生于1998年正

2、式提出自抗擾控制這一思想。在這個思想提出之后，國內(nèi)外許多研究者都圍繞著“自抗擾控制”展開實際工程應(yīng)用的研究。同時，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)的特點和優(yōu)點（1）自抗擾控制器采用“觀測＋補(bǔ)償”的方法來處理控制系統(tǒng)中的非線性與不確定性，同時配合非線性的反饋方式，提高控制器的動態(tài)性能。（2）自抗擾控制器算法簡單、易于實現(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)的控制問題；擾動抑制不需外擾模型或者外擾是否觀測；控制算法不需辨識控制對象；統(tǒng)一處理非線性和線性系統(tǒng)；可以進(jìn)行時滯系統(tǒng)控制；解耦控制只要考慮靜態(tài)耦合，不用考慮動態(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)反饋實現(xiàn)極點配置來改善全局動態(tài)特性的問題。因而，此種控制的主要手段是狀態(tài)反饋。“這種全局控制方法需要知道關(guān)于開環(huán)動態(tài)特性的先驗知識和狀態(tài)變量的信息，這在許多工程實際中是很不現(xiàn)實的，因為工程實際提供不了有關(guān)開環(huán)動態(tài)特性的多少先念知識，因此這種全局控制方法是很難在實際中得到應(yīng)用。”這就是現(xiàn)代控制理論的缺點，這也限制了這種控制方法在工程實際中的應(yīng)用。事實上，要實現(xiàn)控制目的，不一定要知道系統(tǒng)的開環(huán)動態(tài)特性。實現(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，因而只需要知道開環(huán)動態(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“過程的控制”2.2PID控制的優(yōu)缺點PID控制的主要優(yōu)點是：“不用被控對象的精確模型，只用控制目標(biāo)與對象實際行為的誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略的過程控制思想，是PID留給人類的寶貴思想遺產(chǎn)，是PID控制技術(shù)的精髓?！币舱且驗檫@個原因，PID控制才能在控制工程實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?？刂颇繕?biāo)v是有可能產(chǎn)生突變的，而對象輸出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的微分信號沒有太好的辦法。（3）線性組合不一定是最好的組合方式。（4）誤差信號e的積分反饋的引入有很多負(fù)作用。韓京清研究員針對PID控制的缺陷提出了改進(jìn)方法。（1）安排過渡過程。（2）微分信號的提取。（3）各參數(shù)的非線性組合的應(yīng)用。（4）狀態(tài)擴(kuò)張觀測器。3.自抗擾控制器的基本結(jié)構(gòu)“用安排過渡過程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、非線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）。”3.1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、非線性跟蹤微分器(TD)；（2）擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)；（3）非線性組合(NLC)。自抗擾控制器利用跟蹤微分器(TD)為參數(shù)輸入安排過渡過程，得到光滑的輸入信號，并提取其微分信號。ESO是ADRC的核心，采用雙通道補(bǔ)償?shù)姆椒ǜ脑鞂ο竽Ｐ停瑢⒎蔷€性、不確定的系統(tǒng)近似線性化和確定性化。利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)對對象進(jìn)行估計，不僅能得到各個狀態(tài)變量的估計，而且能得到對象方程右端估計，即擾動估計。對跟蹤微分器輸出與擴(kuò)張狀態(tài)觀測器給出的狀態(tài)變量估計取誤差，形成狀態(tài)變量誤差。這個狀態(tài)變量誤差的非線性反饋與擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對未知作用力估計的補(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)過渡過程快慢的需要和系統(tǒng)的承受能力來決定的；參數(shù)β01，β02，β03是由系統(tǒng)所采用采樣步長來決定的。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，再大也幾乎沒什么影響。因此只需要調(diào)整三個參數(shù)r、c、h1。這三個參數(shù)與PID控制