基于線性自抗擾的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

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1、基于線性自抗擾的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)郝玉春（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院）摘要：本文針對(duì)一種較新的控制器——自抗擾控制器，從原理上對(duì)其作了系統(tǒng)的介紹。包括最初的一般非線性自抗擾控制器的原理，以及后來(lái)的線性自抗擾控制器及其完整的參數(shù)整定方案。最后把所提出的算法應(yīng)用在了單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，并與常規(guī)的內(nèi)模協(xié)調(diào)控制方案比較，仿真結(jié)果表明，線性自抗擾控制器的超調(diào)小，抗干擾性能良好，調(diào)試簡(jiǎn)單，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：自抗擾，線性自抗擾，整定，協(xié)調(diào)控制1.引言熱工過(guò)程控制主要是對(duì)電力、冶金、化工、石油等生產(chǎn)過(guò)程中熱工參數(shù)的控制。目前廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)是由PID

2、控制器組成的反饋控制系統(tǒng)，PID控制器及其改進(jìn)型在工業(yè)過(guò)程控制中的比例超過(guò)90%，主要原因是其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，概念易于理解且不依賴于數(shù)學(xué)模型。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)代熱力系統(tǒng)逐漸大型化和復(fù)雜化，特別是熱力發(fā)電機(jī)組正在向高參數(shù)、大容量以及高自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變，對(duì)控制品質(zhì)的要求也越來(lái)越高：一方面希望獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，另一方面，應(yīng)在模型不確定和擾動(dòng)存在時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定且動(dòng)態(tài)特性變化盡可能小，即所謂的性能魯棒性。為了進(jìn)一步改善參數(shù)控制的質(zhì)量，確保熱力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及高效運(yùn)行，人們研究設(shè)計(jì)了多種新的過(guò)程控制系統(tǒng)。復(fù)雜的熱力過(guò)程往往具有如下特點(diǎn)：(1)具有

3、較大的慣性和延遲；(2)難以得到精確的數(shù)學(xué)模型，即存在模型不確定性；(3)存在系統(tǒng)外界帶來(lái)的不確定性干擾；(4)存在非線性，不同負(fù)荷下過(guò)程的特性不同；(5)是多變量的，各變量之間存在耦合作用。復(fù)雜熱工對(duì)象的上述特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)難以獲得令人滿意的控制效果，對(duì)象模型的不確定性又限制了最優(yōu)控制等現(xiàn)代理論的有效應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制等智能控制方法與PID控制器的結(jié)合，形成了許多形式的人工智能PID控制器，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模的選取不明確、遺傳算法的收斂速度低、模糊規(guī)則歸納困難等缺點(diǎn)以及過(guò)于復(fù)雜的算法和結(jié)構(gòu)使得智能控制目前還難以獲得廣

4、泛的應(yīng)用。許多其它先進(jìn)過(guò)程控制方法也不斷出現(xiàn)，比如H∞方法、預(yù)測(cè)控制方法和自適應(yīng)控制方法等，但由于H∞方法結(jié)果相對(duì)保守、預(yù)測(cè)控制方法算法繁瑣、自適應(yīng)控制難以在大時(shí)間延遲系統(tǒng)中得到應(yīng)用等缺點(diǎn)，它們目前還不能對(duì)工程應(yīng)用提供有力的支持。因此，研究一種簡(jiǎn)單又不完全依賴系統(tǒng)模型、魯棒性和適應(yīng)性強(qiáng)的控制策略，對(duì)于提高現(xiàn)有熱力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平以及促進(jìn)控制理論的發(fā)展都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。于是，在這種背景下，有人提出了自抗擾控制(ActiveDisturbanceRejectionControl，簡(jiǎn)稱ADRC)。自抗擾控制器的發(fā)展始于一篇討論如何統(tǒng)一處理線性系統(tǒng)

5、的結(jié)構(gòu)和反饋系統(tǒng)計(jì)算問(wèn)題的論文中的一個(gè)重要結(jié)論：一個(gè)系統(tǒng)的積分器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。七十年代以來(lái)，韓京清研究員經(jīng)過(guò)對(duì)線性系統(tǒng)理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。同樣，對(duì)一類自由非線性系統(tǒng)，也可以設(shè)計(jì)其觀測(cè)器，使其在非線性觀測(cè)變換下的標(biāo)準(zhǔn)形為積分串聯(lián)型。八十年代后期，韓京清研究員進(jìn)一步探討了線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的關(guān)系。他指出人們頭腦中的線性和非線性的概念大都來(lái)自于沒(méi)有控制輸入

6、的經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)。在經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)中，人們關(guān)心的是描述和解釋軌線分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)沒(méi)有輸入、輸出的封閉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)具有完全不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩者不能任意轉(zhuǎn)化。然而控制系統(tǒng)具有經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)所沒(méi)有的新結(jié)構(gòu)——控制輸入和反饋，控制系統(tǒng)中的反饋?zhàn)饔媚軌蚱茐脑到y(tǒng)中的大部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又能建立起全新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在狀態(tài)反饋?zhàn)饔弥?，控制系統(tǒng)中不變的性質(zhì)幾乎只剩下幾個(gè)積分器和聯(lián)結(jié)它們的信息通道，此外的其他性質(zhì)幾乎可以隨意設(shè)置。因此，控制系統(tǒng)中的反饋?zhàn)饔么蚱屏私?jīng)典動(dòng)力系統(tǒng)意義下的線性和非線性的界限，反饋能夠把線性轉(zhuǎn)化為非線性，也可以把許多非線性轉(zhuǎn)化為線性

7、。從反饋控制的角度看，不應(yīng)該再按經(jīng)典意義把控制系統(tǒng)分成線性和非線性系統(tǒng)，對(duì)能控的線性系統(tǒng)可以用狀態(tài)反饋設(shè)置一些非線性特性。以此為基礎(chǔ)，韓京清研究員提出了控制理論中更為基本的問(wèn)題，即控制理論的發(fā)展到底是走模型論還是控制論的道路。他指出現(xiàn)代控制理論時(shí)期是控制理論發(fā)展史中的“模型論"時(shí)期，無(wú)論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，無(wú)論是狀態(tài)空間法還是頻域法，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已成為分析與設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)或建模與辨識(shí)的歸宿。然而依靠模型建立控制律的方法，在控制工程中遇到了很大的挑戰(zhàn)，魯棒性是首當(dāng)其沖的大問(wèn)題。而經(jīng)典調(diào)節(jié)理論中的基本思想是不完全依靠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而是靠期望軌跡

8、與實(shí)際軌跡的誤差的大小和方向來(lái)實(shí)施，是一種基于過(guò)程誤差來(lái)抑制或消除誤差的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。他還指出尋求和利用某些具有