从PID技术到自抗扰控制技术_韩京清(Word文档)
自抗扰算法介绍报告
自抗扰算法（ADRC ）介绍报告自抗扰控制器自PID 控制器演变过来，采取了PID 误差反馈控制的核心理念。
传统PID 控制直接引取输出于参考输入做差作为控制信号，导致出现响应快速性与超调性的矛盾出现。
自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(tracking differentiator)，扩展状态观测器 (extended state observer) 和非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state error feedback law)。
跟踪微分器的作用是安排过渡过程，给出合理的控制信号，解决了响应速度与超调性之间的矛盾。
扩展状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。
虽然叫做扩展状态观测器，但与普通的状态观测器不同。
扩展状态观测器设计了一个扩展的状态量来跟踪模型未知部分和外部未知扰动的影响。
然后给出控制量补偿这些扰动。
将控制对象变为普通的积分串联型控制对象。
设计扩展状态观测器的目的就是观测扩展出来的状态变量，用来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化，将控制对象变为积分串联型。
非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略。
系统结构框图如图1图1过程和扩张状态观测器方程：1y x =22302220(1)()*(()*(,,)*())z k z k h z k fal b u k βεαδ+=+-+1120111(1)()*(()*(,,))z k z k h z k fal βεαδ+=+-12212;()();()(,,,)x x x a t u t a t f x x t ω==+=330312(1)**(,,)z k z h fal βεαδ+=-非线性控制策略方程：二阶微分控制器：112(1)()*()v k v k h v k +=+2212(1)()*(()(),(),,)v k v k h fhan v k v k v k r h +=+-其中，h 为积分步长，r 为跟踪算子。
自抗扰控制技术简介
NLSEF
根据fal函数的特点和现场运行经验适当地选择非线 性因子，将极大地改变控制效果，使比例、微分各 自发挥出各自的功效。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术的应用
自抗扰控制技术的应用
自抗扰控制技术提出多年以来，在国内 外已经得到了大量的应用。在美国，NASA空 间飞行器太阳能发电稳定装置；飞机喷气发 动机控制采用了自抗扰控制技术。在日本， 自抗扰控制技术也应用于高精度位移控制、 温度控制。在国内，电力系统、化工系统、 精密机械加工、军工系统等领域里也成功应 用了自抗扰控制技术。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制器的基本结构
ADRC的组成 非线性跟踪微分器 扩张状态观测器 非线性误差反馈控制律
ADRC结构框图
TD
跟踪微分器最常用的形式为
TD
fhan(z11,z12,r,h)为如下定义的非线性函数
ESO
设有未知外扰动的不确定对象
上式中 f(x,x,…,x(n-1),t)为未知函数，w(t)为未 知外扰，u为控制量，ESO的形式如下：
小 节
自抗扰控制器是对PID的改进，省去了积分环节， 增加了ESO以实现对系统内部模型摄动和外部扰动的 实时估计，并采用非线性误差状态反馈策略，保留 了PID控制的优点，克服了其控制精度低的缺陷。
在国内，大多数成果仍处于仿真或简单的实体实验 阶段，并且集中低阶系统模型的应用，对高阶系统 自抗扰控制器的阶数确定，高阶ESO的稳定性证明， 控制参数的整定于优化等方面还缺乏深入的研究。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术简介
PID控制及其优势和缺陷
PID控制
PID控制器在工业过程控 制中占据的主导地位是绝无仅 有的。目前，PID控制器在运 动控制、航天控制及其他过程 控制的应用中，仍然占据95% 以上。
10-02 自抗扰控制
国家精品课程/ 国家精品资源共享课程/ 国家级精品教材国家级十一(二)五规划教材/ 教育部自动化专业教学指导委员会牵头规划系列教材控制系统仿真与CAD第十章智能控制器设计方法自抗扰控制Auto Disturbances Rejection Control主讲：薛定宇教授自抗扰控制自抗扰控制199x年有韩京清研究员提出的控制策略 控制器设计时无需受控对象模型的参数 有三个组成部分微分跟踪器扩张状态观测器自抗扰控制器微分跟踪器 数学模型S-函数(状态方程)的实现 S-函数入口语句S-函数的基本框架扩张的状态观测器 数学模型其中扩张状态观测器的S-函数实现选择参数，设计状态观测器主函数 输入输出路数、连续离散状态变量个数扩张状态观测器支持函数自抗扰控制器数学模型其中方程没有连续、离散状态输入信号为m(t)=[v(t), v2(t), z1(t), z2(t), z3(t)]1输出信号为u(t)自抗扰控制器S-函数实现 主函数支持函数 输入信号为 m (t )=[v 1(t ), v 2(t ), z 1(t ), z 2(t ), z 3(t )]输出信号为 u (t )例10-4自抗扰控制器仿真 时变受控对象模型搭建仿真框图 ex_han2.slx控制器参数仿真模型 受控对象ADRC控制器模块封装 自抗扰控制器内部结构自抗扰控制器仿真 新的系统框图控制器参数选择自抗扰控制设计小结 自抗扰控制的三个组成部分 微分跟踪器扩张的状态观测器自抗扰控制器数学模型与S-函数实现自抗扰控制系统的仿真与设计。
新adrc自抗扰控制技术
3.3自抗扰控制技术旳MATLAB仿真自抗扰控制技术是由韩京清专家根据数年实际控制工程经验提出旳新旳控制理论。
在老式旳工业和其他控制领域，PID一直占据主导地位。
目前，PID 在航空航天、运动控制及其他过程控制领域，仍然占据90%以上旳份额。
不过，PID自身还是存在缺陷，而韩京清专家正是出于对P1D控制算法旳充足认知，尤其是对其缺陷旳清晰分析，提出了自抗扰控制技术。
3.3.1自抗扰控制技术概述自抗扰控制技术旳提出是根据对PID控制技术旳充足认知，扬其长处，抑其缺陷而提出旳。
老式PID控制技术应用领域很广泛，其控制构造如图3-9所示。
图3-9 老式PID构造其中，•++⎰=ekekdeku t21)(ττ。
众所周知，PID控制原理是基于误差来生成消除误差控制方略:用误差旳过去、目前和变化趋势旳加权和消除误差。
其长处有:靠控制目旳与实际行为之间旳误差来确定消除此误差旳控制方略，而不是靠被控对象旳“输入一输出”关系，即不靠被控对象旳“输入-输出”模型来决定控制方略，简朴易行，只要选择PID增益使闭环稳定，就能使对象到达静态指标。
当然PID控制仍有缺陷，其缺陷如下1、采用PID校正系统闭环动态品质对PID增益旳交化太敏感，当被控对象处在变化旳环境中时，根据环境旳变化常常需要变动PID旳增益。
2、“基于误差反馈消除误差”是PID控制技术旳精髓，但实际状况中直接取目旳与实际行为之间旳误差常常会使初始控制力太大而使系统行为出现超调，而这正是导致使用PID控制技术旳闭环系统产生“迅速性”和“超调”不可调和矛盾旳重要原因。
3、PID是用误差旳比例、积分、微分旳加权和形式来形成反馈控制量旳，然而在诸多场所下，由于没有合适旳微分器，一般采用PI控制规律，限制了PID旳控制能力。
4、PID是用误差旳过去、目前和未来旳合适组合来产生程制量旳。
经典PID一般采用线性取和措施，不过实际系统多为非线性系统，因此非线性拉制器更适合实际状况。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术简介1．自抗扰控制技术概述1.1 什么是自抗扰控制技术自抗扰控制器（Auto/Active Disturbances Rejection Controler，ADRC）技术，是发扬PID控制技术的精髓并吸取现代控制理论的成就，运用计算机仿真实验结果的归纳和总结和综合中探索而来的，是不依赖被控对象精确模型的、能够替代PID控制技术的、新型实用数字控制技术。
1.2 自抗扰控制技术的提出者——韩京清韩京清，朝鲜族, 1937生，系统与控制专家，中国科学院数学与系统科学研究院系统科学研究所研究员、博士生导师,长期从事控制理论与应用研究工作，是我国控制理论和应用早期开拓者之一。
韩京清先生于1998年正式提出自抗扰控制这一思想。
在这个思想提出之后，国内外许多研究者都围绕着“自抗扰控制”展开实际工程应用的研究。
同时，自抗扰控制的理论分析的研究也在不断的深入。
1.3 自抗扰控制技术的特点和优点（1）自抗扰控制器采用“观测＋补偿”的方法来处理控制系统中的非线性与不确定性，同时配合非线性的反馈方式，提高控制器的动态性能。
（2）自抗扰控制器算法简单、易于实现、精度高、速度快、抗扰能力强。
（3）统一处理确定系统和不确定系统的控制问题；扰动抑制不需外扰模型或者外扰是否观测；控制算法不需辨识控制对象；统一处理非线性和线性系统；可以进行时滞系统控制；解耦控制只要考虑静态耦合，不用考虑动态耦合等。
2．自抗扰控制技术提出的背景2.1 现代控制理论的缺点和改进现代控制理论以状态变量描述为基础，以状态反馈实现极点配置来改善全局动态特性的问题。
因而，此种控制的主要手段是状态反馈。
“这种全局控制方法需要知道关于开环动态特性的先验知识和状态变量的信息，这在许多工程实际中是很不现实的，因为工程实际提供不了有关开环动态特性的多少先念知识，因此这种全局控制方法是很难在实际中得到应用。
”这就是现代控制理论的缺点，这也限制了这种控制方法在工程实际中的应用。
自抗扰技术
缺点
误差的取法不合理。 没有合理提取误差微分的办法。 加权和不一定是最好的组合方式。 积分反馈有许多副作用。
从PID到自抗扰控制（ADRC）
安排合适的“过渡过程” 合理提取“微分”-“跟踪微分器”（Tracking Differentiator，TD）； 探讨合适的组合方法-“非线性组合”（NF）； 探讨扰动估计办法-“扩张状态观测器”（Extended State Observer，ESO）。
从PID到自抗扰控制（ADRC） 考察一阶误差系统：
.
.
w u
（2.6.1）
u k , k 0 ，则 对上式实施误差的线性反馈，
如果存在一常数 w0 0满足
k w,1 / 2(d 2 / dt ) k 2 w
w w0 ,1 / 2(d 2 / dt ) k ( w0 / k )
（2.4.16）
上式是很好的数值微分器，称作“快速离散跟踪微 分器”。把函数 fst ()中的变量 h 取成与步长 h 相互 独立的新变量 h0 ，得：
x1 (t h) x1 (t ) hx2 (t ) x2 (t h) x2 (t ) hfst ( x1 (t ) v(t ), x2 (t ), r , h0 )
（2.4.17）
h0 。 r 决定着跟踪速度，称作 上式有两个可调参数 r ， “速度因子”；h0 起对噪声的滤波作用，称作“滤 波因子”。
从PID到自抗扰控制（ADRC） 在一般的控制系统中，误差直接取成：
ev y
（2.5.1）
误差的这种取法使初始误差很大，易引起“超调”， 很不合理。 改进：根据对象的承受能力，我们考虑先安排合理 的过渡过程v1 (t ) ，然后将误差取为：
自抗扰控制简介
u ( x1 , x2 ) r sign( x1
将式(3)代入式(2)可得：
x1 x2 x2 r sign( x 1 v0 (t )
x2 x2 ) 2r
(3)
x2 x2 2r
)
(4)
这个系统的解的分量
x1 (t )
在加速度
(7)
扩张状态观测器对被观测系统有较好的跟踪能力， 响应速度快， 估计精度高， 但是对总扰动的实时估计受到某些条件的限制。当外扰频率较高时，扩张状态观 测器对于总扰动的跟踪能力较差。
3.3 自抗扰控制律
在韩京清先生的《自抗扰控制技术》第五章中，介绍了改进过的非线性 PID 与由线性跟踪微分器以及状态观测器实现的“线性 PID”。并且谈及了为给定安 排过渡函数，以及按不同误差组合构成的“非线性 PID”。而之后的“自抗扰控 制器”是跟踪微分器和扩展状态观测器产生的状态变量估计之间的误差的非线 性组合，并且与扩张状态观测器对总扰动的补偿量一起组成控制量：
5
参考文献
[1] 韩京清. 控制理论—–模型论还是控制论 [J]. 系统科学与数学, 1989, 9(4): 328 – 335. [2] 韩京清. 线性控制系统的结构与反馈系统计算 [C] //全国控制理论 及其应用论文集. 北京: 科学出版社, 1981: 43 – 55. [3] 韩京清. 控制系统的鲁棒性与 Gö del 不完备性定理 [J]. 控制理论与 应用, 1999, 16(增刊): 149 – 155. [4] 韩京清. 抗扰控制技术—–估计补偿不确定因素的控制技术 [M]. 北 京: 国防工业出版社, 2008. [5] HAN Jingqing. From PID to active disturbance rejection control [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 900 – 906. [6]杨晟萱. 四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[D].大连理工大学,2014. [7]朱晓光. 航天器交会对接逼近段自抗扰控制研究[D].吉林大学,2015. [8]吴丹,赵彤,陈恳. 快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J]. 控制理论与 应用,2013,12:1534-1542. [9] 马幼捷 ,刘增高 , 周雪松 ,王新志 . 基于自抗扰控制技术的发电机励磁控制系统 [J]. 控制工程,2008,06:627-629+695. [10]TIAN G, GAO Z Q. Benchmark tests of active disturbance rejection control on an industrial motion control platform [C].Proceedings of the 2009 American Control Conference. St. Louis, MO: IEEE, 2009:5552 – 5557 [11] Achieve improved motion and efficiency for advanced motor control designs in minutes with TI’s new InstaSPIN(TM)–MOTION technology, The Wall Street Journal, April 18, 2013 at http: ///article/PR – CO – 20130418 – 907338.html ? mod = googlenews_wsj. [12] 李 海 生 , 朱 学 峰 . 自 抗 扰 控 制 器 参 数 整 定 与 优 化 方 法 研 究 [J]. 控 制 工 程 ,2004,11(5):419-423. [13] 张文革 . 时间尺度与自抗扰控制器 [D]. 北京 : 中国科学院系统科学研究 所 ,1999.
自抗扰控制简介
目录目录目录 (1)1 绪论 (1)2 问题描述 (1)3 发展现状 (2)3.1 非线性跟踪微分器 (2)3.2 扩张状态观测器 (3)3.3 自抗扰控制律 (4)3.4 参数整定问题 (4)4 未来展望 (15分) (4)5 结论 (5)参考文献 (6)1 绪论自抗扰控制是韩京清先生以对控制理论的反思为开端提出的以反馈系统的标准型（积分器串联型）为基础，以工程控制的鲁棒性为目标的控制技术[1-5]。
其思想是以工业界占主导地位的PID控制为出发点，在改进非线性PID的基础上提出自抗扰的概念，算法简单，在未知强非线性和不确定强扰动的作用下仍能够保持控制精度。
在国内，自抗扰控制技术在四旋翼无人机控制[6]、航天器姿态控制[7]、精密车床中快速刀具的伺服控制[8]、电机的励磁控制[9]等方面均有应用案例。
在国外，自抗扰控制于2009年通过了运动控制的工业评估[10]；2013年，德州仪器开始在全球发布以自抗扰为技术核心的运动控制芯片[11]。
可见，自抗扰控制技术具备巨大的潜力与工程应用前景。
2 问题描述1989年，韩京清先生提出了对控制领域的疑问——模型论还是控制论。
模型论“靠系统的数学模型去找控制率”，后者依靠的是系统的“某些响应特征或过程的某些实时信息”。
而“通过误差来消除误差”正是简单的线性PID所蕴含的朴素思想，也是PID能够在工业界获得广泛应用的原因。
而以现代控制理论为代表的控制理论虽然在数学上严密可证，然而在实际应用中却较少，因为实际的控制对象总是不可避免地存在未知与不确定性。
因此，反思控制理论数学化带来的理论与工业实践的脱节，探索新的控制技术与理论是有必要的。
而自抗扰控制技术就是基于以上的问题，以PID为出发点，探索控制技术与理论的新方向。
3 发展现状3.1 非线性跟踪微分器自抗扰控制目前主要包括三方面的内容：非线性跟踪微分器，扩张状态观测器以及一系列自抗扰控制律的设计。
非线性跟踪微分器能够抑制噪声信号的放大效应，得到较好的微分近似信号。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术介绍1．自抗扰控制技术概述1.1 什么是自抗扰控制技术自抗扰控制器（Auto/Active Disturbances Rejection Controler, ADRC）技术, 是发扬PID控制技术精髓并吸收现代控制理论成就, 利用计算机仿真试验结果归纳和总结和综合中探索而来, 是不依靠被控对象正确模型、能够替换PID控制技术、新型实用数字控制技术。
1.2 自抗扰控制技术提出者——韩京清韩京清, 朝鲜族, 1937生, 系统与控制教授, 中国科学院数学与系统科学研究院系统科学研究所研究员、博士生导师,长久从事控制理论与应用研究工作, 是中国控制理论和应用早期开拓者之一。
韩京清先生于1998年正式提出自抗扰控制这一思想。
在这个思想提出以后, 中国外很多研究者都围绕着“自抗扰控制”展开实际工程应用研究。
同时, 自抗扰控制理论分析研究也在不停深入。
1.3 自抗扰控制技术特点和优点（1）自抗扰控制器采取“观察＋赔偿”方法来处理控制系统中非线性与不确定性, 同时配合非线性反馈方法, 提升控制器动态性能。
（2）自抗扰控制器算法简单、易于实现、精度高、速度快、抗扰能力强。
（3）统一处理确定系统和不确定系统控制问题; 扰动抑制不需外扰模型或者外扰是否观察; 控制算法不需辨识控制对象; 统一处理非线性和线性系统; 能够进行时滞系统控制; 解耦控制只要考虑静态耦合, 不用考虑动态耦合等。
2．自抗扰控制技术提出背景2.1 现代控制理论缺点和改善现代控制理论以状态变量描述为基础, 以状态反馈实现极点配置来改善全局动态特征问题。
所以, 此种控制关键手段是状态反馈。
“这种全局控制方法需要知道相关开环动态特征先验知识和状态变量信息, 这在很多工程实际中是很不现实, 因为工程实际提供不了相关开环动态特征多少先念知识, 所以这种全局控制方法是极难在实际中得到应用。
”这就是现代控制理论缺点, 这也限制了这种控制方法在工程实际中应用。
从PID技术到“自抗扰控制”技术
２Ｏ ０ ２年 ５月
控
制 工
程
Ｍ ａ ｖ２００２
Ｖｏ ． Ｎｏ． Ｉ ９． ３
第９ 第３ 卷 期
Ｃ ｍ ｒＩ ｇｎ ｅ ｉ ｏ ｉａ ｏ ｏ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｆＣｈｎ ｇ
文章编 号 ：１０ —６２ ２ ０ ） ３０ １—６ ０ ５３ ６ （０ ２ ０ —０ ３０
关 键 词 ：ＰＤ； 线 性反 馈 ； Ｉ 非 白抗 扰 控 制
中圈分类号 ：Ｔ ３ Ｐ ｌ
文献标识码 ：Ａ
１ 引 言
Ｐ Ｄ控 制器在 工业 过程控 制 中 占据的 主导 地 Ｉ 位是绝 无仅 有的 。 目前 ， Ｄ控 制器 在 运动 控 制 、 ＰＩ 航天控 制及其 他过 程控 制的 应 用 中 ． 然 占据 ９ 仍 ５
业 中． Ｉ 制器 的应 用 甚 至 超 过 了 ９ 由此 Ｐ 控 ８％ 可见 ， 不管现 代 控制 理 论 给 出 的控 制 方 法 在理 论
Ｐ Ｄ 的优 点 ： 控制 目标 与实 际行 为之 问的 Ｉ 靠 误 差来确定 消除此 误 差的 控制策 略 。 ＰＥ 的缺 点 ： 误差 的取 法 ； 由误差 提取 Ｉ ） ① ② ｄ ／ ｒ的办法 ； 加 权 和” ｅｄ ③“ 策略不 一 定最 好 ； 积 ④ 分反馈有 许多 副作 用 。 我们 的思路 是探 讨 更 好 的 控制 策 略 ， 种策 这 略 的宗 旨是 保 留 Ｐ Ｄ 的优 点 ， 服其 缺 点 。我们 Ｉ 克 的工具是 利用 特殊 非线性 效应 来开发 具有 特殊 功 能的环节 ， 以此 来组合 出高 品质控 制器 。 并 克服 Ｐ Ｄ 缺 点 ” Ｉ“ 的具 体 办 法 是 ： 安 排 合适 ① 的“ 过渡过 程 ” ② 合理提 取 “ ； 微分 ”“ 踪微 分器 ” ．跟 （ ａｋｎ ｉ ｅｅ ｔ ｔｒＴＤ）③ 探讨 合 适 的组 合 Ｔｒｃ ｉ Ｄ ｆ ｒｎ ｉ ｏ ， ｇ ａ ； 方法一非线 性 组 合 ” ＮＦ ； “ （ ） ④探 讨 “ 动 估 计 ” 扰 办 法一扩 张 状态 观 测器 ” Ｅ ｔ ｄ ｄＳａｅ０ｂ ｖ ｒ “ （ ｘｅ ｅ ｔｔ ￣ｒｅ ， ｎ
新adrc自抗扰控制技术
3.3自抗扰控制技术的MATLAB仿真自抗扰控制技术是由韩京清教授根据多年实际控制工程经验提出的新的控制理论。
在传统的工业和其他控制领域，PID一直占据主导地位。
目前，PID 在航空航天、运动控制及其他过程控制领域，仍然占据90%以上的份额。
但是，PID自身还是存在缺陷，而韩京清教授正是出于对P1D控制算法的充分认知，尤其是对其缺陷的清晰分析，提出了自抗扰控制技术。
3.3.1自抗扰控制技术概述自抗扰控制技术的提出是根据对PID控制技术的充分认知，扬其优点，抑其缺点而提出的。
传统PID控制技术应用领域很广泛，其控制结构如图3-9所示。
图3-9 传统PID结构其中，•++⎰=ekekdeku t21)(ττ。
众所周知，PID控制原理是基于误差来生成消除误差控制策略:用误差的过去、现在和变化趋势的加权和消除误差。
其优点有:靠控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略，而不是靠被控对象的“输入一输出”关系，即不靠被控对象的“输入-输出”模型来决定控制策略，简单易行，只要选择PID增益使闭环稳定，就能使对象达到静态指标。
当然PID控制仍有缺点，其缺点如下1、采用PID校正系统闭环动态品质对PID增益的交化太敏感，当被控对象处于变化的环境中时，根据环境的变化经常需要变动PID的增益。
2、“基于误差反馈消除误差”是PID控制技术的精髓，但实际情况中直接取目标与实际行为之间的误差常常会使初始控制力太大而使系统行为出现超调，而这正是导致使用PID控制技术的闭环系统产生“快速性”和“超调”不可调和矛盾的主要原因。
3、PID是用误差的比例、积分、微分的加权和形式来形成反馈控制量的，然而在很多场合下，由于没有合适的微分器，通常采用PI控制规律，限制了PID的控制能力。
4、PID是用误差的过去、现在和将来的适当组合来产生程制量的。
经典PID一般采用线性取和方法，但是实际系统多为非线性系统，所以非线性拉制器更适合实际情况。
自抗扰控制技术
然后把控制量 再取成误差 及其微分的反馈,比如(也可以辨用效率更高的反馈形式) (6) 那么闭环过程方程最后变成 (7) 显然这个微分方程是稳定的,从而有 ⇒ ,于是达到了控制的目的 ⇒ . 这个过程并不着眼于"全局动态特性"的改造,而着眼于过程中的输入-输出量和控制目标的信 号处理和控制目标与对象输出之间误差的"误差反馈",因此我们把这样的控制过程称作"过程的控 制".实现这种过程控制的框图如下:
自抗扰控制技术
北京前沿科学研究所 韩京清 本文简单介绍"自抗扰控制技术"和它是如何从经典PID控制技术演变出新型实用控制技术的基 本想法和关键技术."自抗扰控制器"(Auto(Active)Disturbances Rejection Controller-"ADRC") 技术,是发扬PID控制技术的精髓、吸取现代控制理论成就、开发利用特殊非线性效应、运用计算 机仿真试验手段来探索出来的,是不依赖于被控对象精确模型的、能夠替代PID控制技术的、新型 实用数字控制器技术. 一.控制理论与控制工程的脱节现象 在经典控制理论时期,发展了把对象在运行点附近的局部动态特性－开环传递特性改造成期望 的闭环传递特性(当然也是运行点附近的局部动态特性)来实现控制目的的理论和设计方法. 以状态变量描述为基础的现代控制系统理论是把上述局部传递特性的改造过程转化为用状态 反馈实现极点配置等来改善全空间(或全局)动态特性的问题.这样,便形成了以全局动态特性的改 造来实现控制目的的理论框架.既然立足于"全局动态特性"的改造,就得借用整个经典的和现代的" 动力学系统理论"工具,于是"矩阵理论"、"微分几何理论"都涌入了控制理论界,发展构筑了丰富多 彩的"现代控制理论"大厦. 在这里,采用的主要手段是"状态反馈",要解决的关键问题是被改造了的闭环动态特性的"稳定 性"问题,闭环动态稳定了才能实现控制目的.我们把这种"全局动态特性的改造"来实现控制目的的 方法称之为"全局控制"方法. 实现控制目的的这种"全局控制"方法的框图表示如下(以二阶被控对象为例):
自抗扰控制技术
NLSEF
根据fal函数的特点和现场运行经验适当地选择非线 性因子，将极大地改变控制效果，使比例、微分各 自发挥出各自的功效。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术的应用
自抗扰控制技术的应用
自抗扰控制技术提出多年以来，在国内 外已经得到了大量的应用。在美国，NASA空 间飞行器太阳能发电稳定装置；飞机喷气发 动机控制采用了自抗扰控制技术。在日本， 自抗扰控制技术也应用于高精度位移控制、 温度控制。在国内，电力系统、化工系统、 精密机械加工、军工系统等领域里也成功应 用了自抗扰控制技术。
➢误差信号e的积分反馈的引入有很多负作用。
自抗扰控制技术简介
克服PID“缺陷”的具体办法
克服PID“缺陷”的具体办法
(1)安排合适的“过渡过程”； (2)合理提取“微分——“跟踪微分器； (3)探讨合适的组合方法一“非线性
组合”； (4)探讨“扰动估计办法一“扩张状
态观测器”。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制器的基本结构
ADRC的组成 ➢非线性跟踪微分器 ➢扩张状态观测器 ➢非线性误差反馈控制律
ADRC结构框图
TD
跟踪微分器最常用的形式为
TD
fhan(z11,z12,r,h)为如下定义的非线性函数
ESO
设有未知外扰动的不确定对象
上式中 f(x,x,…,x(n-1),t)为未知函数，w(t)为未 知外扰，u为控制量，ESO的形式如下：
[4]黄一,薛文超,赵春哲,自抗扰控制纵横谈[J],系 统科学与数学,2011(9).
从上文中可以看出，在纸浆和造纸工业中， PI控制器的应用甚至超过了98%。
PID控制
传统PID控制的结
靠控制目标于实际行为之间的 误差来确定消除误差的策略。
一种新型控制方法——自抗扰控制技术及其工程应用综述
一种新型控制方法——自抗扰控制技术及其工程应用综述陈增强;刘俊杰;孙明玮【期刊名称】《智能系统学报》【年(卷),期】2018(13)6【摘要】自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)是韩京清研究员于1998年正式提出的一种不依赖被控对象模型的新型实用技术,具有很好的工程应用前景.为了便于理论分析与工程实际应用的推广实现,高志强教授在ADRC的基础上提出易于参数整定的线性自抗扰控制(LADRC),极大地推动了自抗扰控制理论发展与实际应用.本文简要介绍了自抗扰控制的基本思想及线性自抗扰控制的基本原理,较为系统地阐述了自抗扰控制理论的研究进展,就自抗扰控制在实际工程领域中的应用进行了分类总结,最后给出需要进一步深入研究的方向.【总页数】13页(P865-877)【作者】陈增强;刘俊杰;孙明玮【作者单位】南开大学计算机与控制工程学院,天津300350;天津市智能机器人重点实验室,天津300350;南开大学计算机与控制工程学院,天津300350;天津市智能机器人重点实验室,天津300350;南开大学计算机与控制工程学院,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.基于自抗扰控制技术的焊线机冲击力控制方法 [J], 戴冠豪;高健2.一种新型抗扰控制方法的研究与应用 [J], 李军;黄卫剑;万文军;朱亚清;潘凤萍3.基于自抗扰控制技术的电压源变流器电流解耦控制方法 [J], 盛超;唐酿;朱以顺;丁业豪;王传旭4.基于自抗扰控制技术的虚拟同步机无频差控制方法 [J], 唐酿;朱以顺;盛超;黄辉5.基于线性自抗扰控制技术控制器设计的控制方法 [J], 白杰; 朱日兴; 王伟; 马振因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
自抗扰控制简介
2 问题描述
1989 年，韩京清先生提出了对控制领域的疑问——模型论还是控制论。模 型论“靠系统的数学模型去找控制率”， 后者依靠的是系统的“某些响应特征或 过程的某些实时信息”。 而“通过误差来消除误差”正是简单的线性 PID 所蕴含的朴素思想，也是 PID 能够在工业界获得广泛应用的原因。而以现代控制理论为代表的控制理论虽 然在数学上严密可证， 然而在实际应用中却较少，因为实际的控制对象总是不可 避免地存在未知与不确定性。 因此，反思控制理论数学化带来的理论与工业实践 的脱节， 探索新的控制技术与理论是有必要的。而自抗扰控制技术就是基于以上 的问题，以 PID 为出发点，探索控制技术与理论的新方向。
4 未来展望 (15 分)
实践与数值仿真证明， 自抗扰控制技术确实具有较高的工程应用价值。然而 在该技术刚刚提出之时， 收到了理论界的极大反对与排斥。韩京清先生的论文也
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很少能够投到理论性很强的刊物上。 这很大程度上也是因为自抗扰控制技术更多 的偏向于技术实践， 而不是严谨缜密的数理证明。而正是这一点使自抗扰控制技 术能够很好地适应一些具体的工程应用。 而自抗扰控制技术中更珍贵的也许是韩 京清先生对于控制理论本身的理解， 而其中衍生出的控制技术值得我们去发展与 探索。 未来相当一段时间，围绕自抗扰控制技术应当有以下两方面的主题：一、严 格的理论证明，在既有的理论框架下进行延展与创新；二、具体的围绕自抗扰控 制技术的控制思想的新的控制技术的提出与发展。
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参考文献
[1] 韩京清. 控制理论—–模型论还是控制论 [J]. 系统科学与数学, 1989, 9(4): 328 – 335. [2] 韩京清. 线性控制系统的结构与反馈系统计算 [C] //全国控制理论 及其应用论文集. 北京: 科学出版社, 1981: 43 – 55. [3] 韩京清. 控制系统的鲁棒性与 Gö del 不完备性定理 [J]. 控制理论与 应用, 1999, 16(增刊): 149 – 155. [4] 韩京清. 抗扰控制技术—–估计补偿不确定因素的控制技术 [M]. 北 京: 国防工业出版社, 2008. [5] HAN Jingqing. From PID to active disturbance rejection control [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 900 – 906. [6]杨晟萱. 四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[D].大连理工大学,2014. [7]朱晓光. 航天器交会对接逼近段自抗扰控制研究[D].吉林大学,2015. [8]吴丹,赵彤,陈恳. 快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J]. 控制理论与 应用,2013,12:1534-1542. [9] 马幼捷 ,刘增高 , 周雪松 ,王新志 . 基于自抗扰控制技术的发电机励磁控制系统 [J]. 控制工程,2008,06:627-629+695. [10]TIAN G, GAO Z Q. Benchmark tests of active disturbance rejection control on an industrial motion control platform [C].Proceedings of the 2009 American Control Conference. St. Louis, MO: IEEE, 2009:5552 – 5557 [11] Achieve improved motion and efficiency for advanced motor control designs in minutes with TI’s new InstaSPIN(TM)–MOTION technology, The Wall Street Journal, April 18, 2013 at http: ///article/PR – CO – 20130418 – 907338.html ? mod = googlenews_wsj. [12] 李 海 生 , 朱 学 峰 . 自 抗 扰 控 制 器 参 数 整 定 与 优 化 方 法 研 究 [J]. 控 制 工 程 ,2004,11(5):419-423. [13] 张文革 . 时间尺度与自抗扰控制器 [D]. 北京 : 中国科学院系统科学研究 所 ,1999.
自抗扰控制基础范文
自抗扰控制基础范文
郭雷院士在《关于反馈的作用及能力的认识》一文中写道：
既然反馈是为了克服不确定性和干扰，就来一个扰动观测器呗。
先来一篇文献综述《》，建立抗干扰的概念，并了解各种DOBC的框架。
如此多抗扰动的技术，自抗扰控制是如何提出并发展的呢？推荐韩京清老师1989年发表的文章，《》，探寻自抗扰控制的起源。
接下来，韩老师的三篇文章，《》《》《》，你值得拥有。
再推荐高志强教授的一篇综述《》，回顾历史、开拓思路。
最后，请配合下面两个视频教程学习哦。
2023年10月，IEEE第13届自抗扰控制研讨会时，东南大学的李世华教授以板书的形式，讲解了他对PID控制的局限性的思考，介绍了干扰观测补偿的思路。
从框架上便于初学者理清思路。
2023年12月自抗扰控制研讨会，郑青老师的ADRC的讲座，包括详细的讲解和推导，但很基础，适合初学者入门。
从PID技术到自抗扰控制技术_韩京清(Word文档)
从PID技术到“自抗扰控制”技术韩京清(中国科学院数学与系统科学研究院系统科学所，北京100080)摘要:从传统PID的原理出发，分析了它的优缺点。
利用非线性机制来开发了一些具有特殊功能的环节:跟踪微分器CTD)，扩张状态观测器(ESO)，非线性PID(NPID)等，并以此组合出高品质的新型控制器一自抗扰控制器(ADRC )，从而形成了新的“自抗扰控制”技术。
新型的控制器具有算法简单、参数易于调N的特点。
关键词:PID;非线性反馈;自抗扰控制中图分类号:TP 13文献标识码:A1引言PID控制器在工业过程控制中占据的主导地位是绝无仅有的。
目前，PID控制器在运动控制、航天控制及其他过程控制的应用中，仍然占据95%以上。
据最新的文献[1]显示，在纸浆和造纸工业中，PI控制器的应用甚至超过了98%。
由此可见，不管现代控制理论给出的控制方法在理论上是多么的完美而漂亮，可是仍然难以在现代的工业控制中找到白己的立足之处。
这说明时至今日，控制理论和工程实际相脱离的鸿沟不但没有弥合的迹象，反而有了加剧的趋势。
面对这种尴尬的局面，我们不得不重新认识PID控制技术，探索其机理，发扬其优势，克服其缺点，进而寻找更好的控制技术。
本文的出发点就在于此。
2传统PID的结构及优、缺点传统PID的结构如图1所示。
图1传统PID的结构工业过程控制的PID控制原理是基于误差来生成消除误差的控制策略:用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。
PID在实际中大量应用，但不易满足高性能要求，于是想靠对象模型来寻求更好的控制方法，但靠模型的路了恰恰把PID的最大优点丢掉了PID的优点:靠控制目标与实际行为之问的误差来确定消除此误差的控制策略。
PID的缺点:①误差的取法;②由误差e提取deldt的办法;③“加权和”策略不一定最好;①积分反馈有许多副作用。
我们的思路是探讨更好的控制策略，这种策略的宗旨是保留PID的优点，克服其缺点。
我们的工具是利用特殊非线性效应来开发具有特殊功能的环节，并以此来组合出高品质控制器。
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从PID技术到“自抗扰控制”技术韩京清(中国科学院数学与系统科学研究院系统科学所，北京100080)摘要:从传统PID的原理出发，分析了它的优缺点。
利用非线性机制来开发了一些具有特殊功能的环节:跟踪微分器CTD)，扩张状态观测器(ESO)，非线性PID(NPID)等，并以此组合出高品质的新型控制器一自抗扰控制器(ADRC )，从而形成了新的“自抗扰控制”技术。
新型的控制器具有算法简单、参数易于调N的特点。
关键词:PID;非线性反馈;自抗扰控制中图分类号:TP 13文献标识码:A1引言PID控制器在工业过程控制中占据的主导地位是绝无仅有的。
目前，PID控制器在运动控制、航天控制及其他过程控制的应用中，仍然占据95%以上。
据最新的文献[1]显示，在纸浆和造纸工业中，PI控制器的应用甚至超过了98%。
由此可见，不管现代控制理论给出的控制方法在理论上是多么的完美而漂亮，可是仍然难以在现代的工业控制中找到白己的立足之处。
这说明时至今日，控制理论和工程实际相脱离的鸿沟不但没有弥合的迹象，反而有了加剧的趋势。
面对这种尴尬的局面，我们不得不重新认识PID控制技术，探索其机理，发扬其优势，克服其缺点，进而寻找更好的控制技术。
本文的出发点就在于此。
2传统PID的结构及优、缺点传统PID的结构如图1所示。
图1传统PID的结构工业过程控制的PID控制原理是基于误差来生成消除误差的控制策略:用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。
PID在实际中大量应用，但不易满足高性能要求，于是想靠对象模型来寻求更好的控制方法，但靠模型的路了恰恰把PID的最大优点丢掉了PID的优点:靠控制目标与实际行为之问的误差来确定消除此误差的控制策略。
PID的缺点:①误差的取法;②由误差e提取deldt的办法;③“加权和”策略不一定最好;①积分反馈有许多副作用。
我们的思路是探讨更好的控制策略，这种策略的宗旨是保留PID的优点，克服其缺点。
我们的工具是利用特殊非线性效应来开发具有特殊功能的环节，并以此来组合出高品质控制器。
克服PID“缺点”的具体办法是:①安排合适的“过渡过程”;②合理提取“微分”一“跟踪微分器”(Tracking Differentiator, TD);③探讨合适的组合方法一“非线性组合”(NF );①探讨“扰动估计”办法一韦、一张状态观测器”(Extended State Observer,ESO)。
下面，我们以二阶对象控制为例来讨论保留PID的优点，克服其缺点的办法。
3合理提取微分的方法一“跟踪微分器”(TD)经典微分器的形式为:式中，、分别是系统的输入、输出信号，是系统的传递函数。
当对信号叠加随机噪声n(t)时:越小时，系统输出的“噪声放大”就越严重。
若用近似微分公式z则有可以降低“噪声放大”的效应。
这里，“微分”信号是用“尽快地跟踪输入号的办法得到的。
那么能否用“最快地跟踪”办法得到微分信号呢?2)跟踪一微分器的一般理论：设二阶系统为:上式的“快速最优控制”综合系统为:把(t)改为(t)一v (t)，得式中，是在限制r下，最快地跟踪输入信号V (t)。
充分接近V (t)时，有(t)可做V (t}的近似微分。
定理设二阶系统为:若二阶系统式(2)稳定，那么对有界可测v (t), tT>0，有系统)且系统式((3)的解f(xi一v(t)，x2/ r)x}(:，t)满足式中，x1 (r, t)跟踪v(t),x2(r , t)收敛于“广义函数”v (t)的“广义导数”。
系统式(3)称做系统式(2)派生的“跟踪微分器”。
系统式(1)称做“快速跟踪微分器”。
3)“快速跟踪微分器”的离散形式用跟踪微分器式(1)来进行数值计算，进入稳态’，时易产生“高频颤振”，把sgn ( x)改成sat ( x, d)也不能使之避免。
为此，我们给出“跟踪微分器”的离散形式。
设离散系统为:直接对上式求“快速控制最优综合函数”，得式中，h为积分步长。
有离散系统为：系统式((4)是很好的数值微分器，称做“快速离散跟踪微分器。
把函数fst(。
)中的变量h取成与步长h相互独立的新变量ho，得系统式(5)有两个可调参数:，r, ho:决定跟踪速度，称做“速度因了”;h。
起对噪声的滤波作用，称做“滤波因了”。
注1:函数fst (,,:，ho)在控制和信号理中的作用非常广泛。
4安排过渡过程在一般的控制系统中，误差直接取成:e=v-y式中，v为设定值,y为系统输出。
误差的这种取法使初始误差很大，易引起“超调”，很不合理。
根据对象承受的能力，我们先安排合理的过渡过程，然后误差取成e=-y.这是解决PID的“快速性’，和“超调，，之问矛盾的有效办法，也是提高调节器“鲁棒性”的一种办法。
跟踪微分器的阶跃响应为:对系统输入V0=1的阶跃信号。
vl(t)表示安排的过渡过程，无超调;v2(t>表示其微分信号。
阶跃响应曲线如图2所示。
图2阶跃响应曲线图安排过渡过程的原则选加速度形状，先正，后负，正部分面积与负部分面积相等;积分两次，得单调上升、无条件超调的过渡过程，如图3所示。
图3安排过渡过程曲线图5非光滑(非线性)反馈效应考察一阶误差系统e=w+u对上式实施误差的线性反馈u=,k>0如果存在一常数> 0,满足<,则当>/k时，有<0，即“稳态误差，，或“静差，，小于/k。
即在线性反馈之下，稳态误差与反馈增益k成反比。
“非光滑(非线性)反馈”当>/k时，有<0，因此系统的“静差”最终要小于(/k)'/a。
取=1,k=10,a 2;0.5;0.25,则稳态误差(/k )1/“分别是减小，就以数量级的方式减小稳态误差。
若取=0,则反馈形式u=--k()为变结构控制。
线性反馈:增益反比的方式抑制扰动;非光滑反馈:数量级的方式抑制扰动。
当α=0时,反馈为变结构形式,完全抑制了扰动。
变结构控制对模型和扰动独立的机理就在于此。
取=1,k=1.5,α:2;1;1/2;1/3;1/5,则静差图如图4所示。
图4不同反馈的系统静差图不同反馈的系统静差图误差衰减的动态特性:设误差方程为:上式的通解为：式中，t/k(1-)当> 1时(t)以的速度衰减;当=1时，e (t)以exp (-kt)的速度“指数衰减”;当a<1时，在/k(1-a)时刻，=0:，即“有限时间衰减”这里时是“光滑反馈”<1时是“非光滑反馈”=0时是“变结构控制”。
注2;“非光滑反馈”的效率比“光滑反馈”好。
“光滑反馈”里，“指数衰减率”最好;“非光滑”反馈里，“指数衰减率”最不好。
6非线性PID利用跟踪微分器(TD>，把经典PID改造成“非线性PID;，其结构如图5所示。
图5非线性PID结构图这里TD给出跟踪输出Y的量及其微分z2;误差、积分、微分是由安排的过渡过程和TD的输出z2来产生的把原先的“加权和”改成“非线性组合”而得“非线性PID"。
一种可用的“非线性组合”形式为:当a> 1时，fal函数具有:小误差，大增益;大误差，小增益的特性。
“非线性PID'，的控制律为式中，，甚至可取<0,0<2,>1也可采用其他合适的“非线性组合”。
7扩张状态观测器(ESO对于系统方程-系统:称为经典状态观测器。
这两个系统的误差方程为:矩阵A一LC稳定时，z (t)渐近地估计状态变量x(t>。
如果L是依噪声特性按最小方差律确定的，则这个状态观测器就是卡尔曼滤波器。
考虑系统若厂(x1, x2, t)为已知，则其观测器可设计为:问题:很多情况下f (,, t)未知，因此不能应用f (,, t )，那么如何构造状态观测器呢?当f (,, t)未知时，把f (,, t)当作扰动，用“非光滑反馈”效应抑制其作用。
令=f (,, t)，=g(,t)，则g(,, t)也是未知函数，于是有式中a}，可取a}--0. 5=1/2, a2=0.25=1/40被扩张的状态对“未知扰动”的“实时作用量”a (t)=f(t)作出很好的估计。
系统式(7)叫做系统式(6)的“扩张状态观测器”若(, t)，已知，取则有式中，系统的“。
)是系统的“内扰”和“外扰”的总和，即总扰动”。
ESO的:估计的是“总扰动”中未知部分的“实时作用量”当控制量时，对象近似地变成为:系统被“线性化”成“积分器串联型”。
这是不确定系统的“实时动态线性化，。
“系统设计”问题变成对“积分器串联型系统的设计”问题。
8自抗扰控制器(Active Disturbances Re- jection Controller, ADRC)利用TD和ESO，给出如下ADRC控制器方案，如图6所示。
当对象有已知部分f。
(。
)时，ADRC结构如图7所示。
这里不再需要“误差积分”反馈。
“自抗扰”意义在于”补偿”项一系统的“未建模动态”和“未知外扰”作用一并给予估计和补偿[”]。
“自抗扰控制器”算法:被控对象:x= f (x, z, w, t )}bu, y一x1)安排过渡过程v。
为设定值。
或其他合适办法。
1) 估计状态和总扰动((ESO方程)2)3) 3)控制量的形成式中这个控制器的算法只需对象的输入输出数据u (k)和y (k)。
被控对象的函数有已知部分，控制器算法中的u (k)和ESO改为9“控制问题”的描述从自抗扰控制器的作用机理看，我们从另外一个角度描述控制问题。
从控制的目的来看，对于下面两个系统它们的控制问题没有什么区别。
①被控对象以一定范围变化的f (t)和输入量u所驱动的动态系统为:记,F为动态系统的集合。
②控制目标输入,所激励的一动态过程( t >的输出所成的集合V③控制器以:为输入、输出、控制量，且含有可调参数p的动态系统，用C (p)表示。
①控制问题用表示如下“控制问题”:设计一控制器C(p)，对控制器C (p)所产生的控制量u(t)都能使输出y (t)跟踪目标v (t)10结语本文从传统的PID原理及其结构进行分析，揭示了传统PID的优缺点，并本着继承其优点，克服其缺点的原则，逐步阐述了自抗扰控制技术的基本思想。
这项新的控制技术的核心是把系统的未建模动态和未知外扰作用都归结为对系统的“总扰动”而进行估计并给予补偿。
采用的方法是充分运用特殊的“非线性”效应。
这种方法具有如下诸多优点:安排过渡过程解决了“快速性和超调之间的矛盾”;不用1反馈也能实现“无静差”，避免了积分反馈的副作用;统一处理确定系统和不确定系统的控制问题;不存在“鲁棒性”问题，只有控制器的“鲁棒性”、“适应范围”;抑制外扰，不一定要知道其模型或要直接测量;同一个ADRC!控制“时间尺度”相当的一对象;线性、非线性对象一视同仁，不用区分;实现控制，不一定要进行“辨识”;解藕控制，只需考虑静态藕合”，不用考虑“动态藕合”;ADRC容易控制时滞系统等。