新adrc自抗擾控制技術(shù).doc

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1、3.3自抗擾控制技術(shù)的MATLAB仿真自抗擾控制技術(shù)是由韓京清教授根據(jù)多年實(shí)際控制工程經(jīng)驗(yàn)提出的新的控制理論。在傳統(tǒng)的工業(yè)和其他控制領(lǐng)域，PID一直占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，PID在航空航天、運(yùn)動(dòng)控制及其他過程控制領(lǐng)域，仍然占據(jù)90%以上的份額。但是，PID自身還是存在缺陷，而韓京清教授正是出于對(duì)P1D控制算法的充分認(rèn)知，尤其是對(duì)其缺陷的清晰分析，提出了自抗擾控制技術(shù)。3.3.1自抗擾控制技術(shù)概述自抗擾控制技術(shù)的提出是根據(jù)對(duì)PID控制技術(shù)的充分認(rèn)知，揚(yáng)其優(yōu)點(diǎn)，抑其缺點(diǎn)而提出的。傳統(tǒng)PID控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，其控制結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9傳統(tǒng)PID結(jié)構(gòu)其中

2、，。眾所周知，PID控制原理是基于誤差來生成消除誤差控制策略:用誤差的過去、現(xiàn)在和變化趨勢(shì)的加權(quán)和消除誤差。其優(yōu)點(diǎn)有:靠控制目標(biāo)與實(shí)際行為之間的誤差來確定消除此誤差的控制策略，而不是靠被控對(duì)象的“輸入一輸出”關(guān)系，即不靠被控對(duì)象的“輸入-輸出”模型來決定控制策略，簡單易行，只要選擇PID增益使閉環(huán)穩(wěn)定，就能使對(duì)象達(dá)到靜態(tài)指標(biāo)。當(dāng)然PID控制仍有缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)如下1、采用PID校正系統(tǒng)閉環(huán)動(dòng)態(tài)品質(zhì)對(duì)PID增益的交化太敏感，當(dāng)被控對(duì)象處于變化的環(huán)境中時(shí)，根據(jù)環(huán)境的變化經(jīng)常需要變動(dòng)PID的增益。2、“基于誤差反饋消除誤差”是PID控制技術(shù)的精髓，但實(shí)際情況中直接

3、取目標(biāo)與實(shí)際行為之間的誤差常常會(huì)使初始控制力太大而使系統(tǒng)行為出現(xiàn)超調(diào)，而這正是導(dǎo)致使用PID控制技術(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生“快速性”和“超調(diào)”不可調(diào)和矛盾的主要原因。3、PID是用誤差的比例、積分、微分的加權(quán)和形式來形成反饋控制量的，然而在很多場(chǎng)合下，由于沒有合適的微分器，通常采用PI控制規(guī)律，限制了PID的控制能力。4、PID是用誤差的過去、現(xiàn)在和將來的適當(dāng)組合來產(chǎn)生程制量的。經(jīng)典PID一般采用線性取和方法，但是實(shí)際系統(tǒng)多為非線性系統(tǒng)，所以非線性拉制器更適合實(shí)際情況。5、PID中的誤差積分反饋對(duì)抑制常值擾動(dòng)確實(shí)有效，但在無擾動(dòng)作用時(shí)，16誤差積分反饋常使閉環(huán)的動(dòng)

4、態(tài)特性變差，而對(duì)于隨時(shí)變化的擾動(dòng)來說，積分反饋的抑制作用能力又不是很顯著。正是出于對(duì)傳統(tǒng)PID控制技術(shù)的深刻認(rèn)識(shí)，為了避免其缺點(diǎn)，繼承其優(yōu)點(diǎn)，韓京清等提出了自抗擾控制技術(shù)。自抗擾控制技術(shù)針對(duì)傳統(tǒng)PID的缺點(diǎn)，逐一提出解決方法:安排合適的“過渡過程”；通過“跟蹤微分器”合理提取微分和安排過渡過程;采用非線性狀態(tài)誤差反饋控制器:針對(duì)擾動(dòng)問題，提出采用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器”對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)。3.3.2自抗擾控制技術(shù)的關(guān)鍵部分自抗擾控制器通過關(guān)鍵的幾個(gè)部分設(shè)計(jì)，達(dá)到規(guī)避PID控制器缺點(diǎn)和不足，取得更好的控制效果的目的。而跟蹤微分器（TD)、非線性狀態(tài)誤差反饋控制器(NL

5、SEF)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)等正是自抗擾控制器的關(guān)鍵部分。下面作簡單介紹。3.3.3跟蹤微分器首先解釋一下過渡過程，即控制系統(tǒng)從初始狀態(tài)達(dá)到期望狀態(tài)的過渡階段。而跟蹤微分器可以在這個(gè)階段適當(dāng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)過程，解決超調(diào)與響應(yīng)時(shí)間之間的矛盾，而這正是經(jīng)典PID所欠缺的。1.安排過渡過程由于受到認(rèn)知水平和技術(shù)條件的限制，PID對(duì)誤差的提取不合理，直接取控制目標(biāo)與系統(tǒng)輸出的誤差（當(dāng)前大部分控制系統(tǒng)的做法)會(huì)導(dǎo)致很大的超調(diào)，為此提出了安排過渡過程的想法，讓輸入量緩慢增大，使其與輸出量的差值很小，就可以盡可能地降低超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，如圖3-10所示（a）傳統(tǒng)PID控制

6、（b）安排過渡過程16圖3-10傳統(tǒng)PID控制與安排過渡過程后超調(diào)與快速性的對(duì)比可以看到，通過安排過程可以解決超調(diào)與快速性之間的矛盾;而且事先安排過渡過程可以使誤差反饋增益和誤差微分反饋增益的選取范圍擴(kuò)大，從而使其整定更容易；另外，事先安排過渡過程可以使給定的反饋增益所能適應(yīng)的對(duì)象參數(shù)范圍擴(kuò)大，即控制器的魯棒性更強(qiáng)。2.“跟蹤微分器”合理提取微分另外，由于傳統(tǒng)PID控制器的微分環(huán)節(jié)對(duì)誤差微分的提取不太合理，若輸入信號(hào)中含有噪聲，傳統(tǒng)的微分器很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲放大效應(yīng)，為此提出了跟蹤微分器(TD)的概念，試圖解決噪聲放大的問題，并解決微分信號(hào)延遲于誤差信號(hào)

7、的難題，在經(jīng)典控制理論中，對(duì)給定信號(hào)的微分通過如下微分環(huán)節(jié)得到（3-12）其中，w(s)為經(jīng)典微分器；v為輸入信號(hào)；式中T是比較小的微分常數(shù)?？梢钥吹缴鲜接疫吚ㄌ?hào)內(nèi)第二項(xiàng)為時(shí)間常數(shù)為T的慣性環(huán)節(jié)，而第一項(xiàng)將輸入信號(hào)直接輸出，其等價(jià)框圖如圖3-I1所示。圖3-11經(jīng)典微分器等價(jià)框圖如果將第二項(xiàng)慣性環(huán)節(jié)的輸出記作，那么式(3-12)滿足如下等式(3-13)當(dāng)輸入信號(hào)v(t)緩慢變化而時(shí)間常數(shù)T較小時(shí),即可以看成一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)，此時(shí)可以得到(3-14)所以式(3-12)可以轉(zhuǎn)化為(3-15)這就是微分環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)含義了，當(dāng)然，時(shí)間常數(shù)T越小，越接近真實(shí)微分。16若輸

8、入信號(hào)是很純凈的，沒有噪聲的信號(hào)，采用此種純微分環(huán)節(jié)會(huì)獲得比較好的