【经典】自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状

ADRC的应用 SpinTAC在洗衣机中的应用
LineStream公司将传统的速度和电流PID控制器替换为SpinTAC来控制 洗衣机的速度环和电流环。在储水式洗衣机和滚筒洗衣机全负载应用条件下， LineStream采用TI开发套件来直接连接电机，并比较SpinTAC和传统PID控 制器的控制性能。测试结果如下：
传统状态观测器结构
当前时刻离散状态 观测器结构 (current discrete ESO)
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用
目前ADRC的应用领域广泛。包括纸幅张力控制，硬盘驱动控制， DC-DC变换器。它也可以解决执行机构的非线性问题，如压电陶瓷执 行器的滞环问题。基于ADRC算法，一些多输入多输出系统可以获得 解耦控制，如微型机电系统(micro-electro-mechanical system，和连续 搅拌槽式反应器(continuous stirred tank reactor)。ADRC的应用不只局 限于控制领域，他也可以用来执行健康监视和故障诊断等任务。 在伺服领域，ADRC的应用文章大多为位置控制，且采用的控制 对象模型如下：
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用
下图为韩京清教授于1997年访美后(Cleveland State University, Gao Zhiqiang)，ADRC算法在美国的商业化历程
1997 韩京清教授访美，调试成功了第一台 ADRC控制伺服机构
AlliedSignal
AlliedSignal Invacare Eveready/LogiSync/CAMP NASA NASA NASA NASA
Dec. 97
Jun-98 Jun-98 Jul-98 May-99 May-99 Jul-00 Jan. 2002
May-98
Oct. 98 Dec. 98 Mar-00 May-99 Dec. 2001 Dec. 2001 Dec.2004
不同控制器的设计调节方式对比
设计和调节 参数对比 模型独立 设计参数 调节参数 PID 是 Null Kp,Ki,Kd PID+超前滞 后 否 Kn, ωn Kp,Ki,Kd,ω1, ω2,… PID+前馈 是 Null Kpv,Kiv,Kdv, Kpv,Kiv,Kdv 回路成型 loop shaping 否 Kn,ωn,m,n,ω 1,ω ωc ADRC 是 b0,ω0 ωc
自抗扰控制器国内外研究现状
ADRC具有自抗扰能力，对模型参数误差不敏感等优点，但算法 复杂，且可调节参数很多，这对ADRC的应用造成很大的障碍。 高志强教授在2003年提出了简化、归一化参数的ADRC设计思想 《Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning》，为ADRC的工程应用提供了设计思路。其后，在此基 础上逐步形成了线性ADRC控制算法，并将其应用于多种工业领 域中。 1.On stability analysis of active disturbance rejection control for nonlinear time-varying plants with unknown dynamics 2. A stability study of the active disturbance rejection control problem by a singular perturbation approach 3. A practical approach to disturbance decoupling control[J]. Control Engineering Practice 4. Comparison of the DOB based control, a special kind of PID control and ADRC 5. The active disturbance rejection control for a class of MIMO block lower-triangular system
2011
TI采用ADRC算法，Linestream获得3 项专利 TI发布最新的基于ADRC算法的控制 芯片 InstaSPIN-Motion
2013
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用 TI InstaSPIN-Motion
自抗扰控制器ADRC背景分 析及发展应用现状
牛里
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
内容导航
自抗扰控制器原理的起源及背景 自抗扰控制器国内外研究现状 自抗扰控制器的结构及实现 总结及未来发展趋势
电力电子与电力传动研究所
自抗扰控制器原理的起源及背景
1995年韩京清提出了特殊的ESO来观测外部扰动和系统内部误差扰动。 当观测出系统的总体扰动后，就可以采用韩京清提出的ADRC算法来 消除扰动的干扰。6ຫໍສະໝຸດ 年代 最优控制，留苏(不变性原理)
70年代
制导理论，反馈系统的标准型
80年代
线性系统理论，计算机辅助设计
1989-
自抗扰控制
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用
与高志强教授课题组早期合作过的工业公司列表
工业界合作伙伴 Invacare Nordson AlliedSignal Eveready Eveready/CAMP Black and Decker /CAMP 项目名称 智能控制在医疗电子中的应用 模糊控制在工业应用温度控制中的应用 ADS系统中新型控制算法的开发 模糊控制算法在高速增量运动控制中的应用 高速运动控制系统中优化电机尺寸的设计 在线噪音/振动分析 第一阶段 在线噪音/振动分析 Black and Decker /CAMP 第二阶段 闭环货车ABS 第一阶段 闭环货车ABS 第二阶段 医疗器械中的智能控制 制造过程自动化应用中的伺服CAD组件的开发 数字控制技术在空间电源系统中应用的可行性研究 电源管理和分配系统的数字控制技术开发 DSP硬件和软件的开发 电源管理和分配系统的高级数字控制解决方案 Jun-97 Dec. 98 Jun-96 Dec. 97 起始时间 Jun-95 Jun-95 Jan. 96 Jun-96 Jun-96 结束时间 Apr-96 Jun-96 Sept. 96 Mar-97 Jun-97
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
自抗扰控制器国内外研究现状
状态观测器的发展历程
ˆ (k 1) [ Lp H ]x ˆ (k ) [ Lp J , Lp ]ud (k ) x ˆ d (k ) x ˆ (k ) y ˆ (k 1) [ Lp H ]x ˆ (k ) [ Lp J , Lp ]ud (k ) x ˆ d (k ) [ I Lc H ]x ˆ (k ) [ Lc , Lc ]ud (k ) y
G(s)
16.5 s(0.71s 1)
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用
在传统运动控制领域，文献《On motion control design and tuning techniques》、《Motion control design optimization: Problem and solutions》对比了ADRC与传统PID等控制算法，并给出了设计和 调节思路。在一个直流电机模型中对各个控制算法进行了比较，其结 论如下：
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
ADRC的应用 下图为SpinTAC结合InstaSPIN-Motion技术的结构框图。
InstaSPIN(TM)-MOTION位置控制结构示意图
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
自抗扰控制器原理的起源及背景
传说指南车发明于公元前2634年， 而有记录的是在公元235年。
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
InstaSPIN™-MOTION特点和优点: 解决了传统电机系统的运动控制难题：InstaSPIN™-MOTION去除了低效的轨迹设计技术。如，一些 技术需要预先设定电机的运动轨迹为十分简单的且不可变的轨迹，需要手写编程且计算量大的轨迹。同 样的，一些技术为了在不同场合实现理想的电机控制性能，需要多次设定大量系统参数，PI调节器也需 要一定时间来进行调节。 InstaSPIN-MOTION's SpinTAC™组件包括 辨识：确保系统具有最优的跟踪和抗扰性能，使系统实时获得真实的惯量信息。 控制：采用单参数调节，减小系统的复杂性和调试难度。快速的测试和调节速度控制速度控 制(可根据速度环的硬度来设定)。对于一个具体的应用案例，可以设定一个典型参数在全速度范围和负载 范围内有效。实时主动地估计和消除系统扰动，提供最优的系统性能能。 运动：根据实际系统对加速度、颠簸情况和运动轨迹形式的限制，以及系统的其实速度和目 标速度，可自动产生最优的运动轨迹。 规划：快速构造不同的运动状态(从速度A到速度B)，并根据状态逻辑使他们相互配合。 采用新的软件库MotorWare使得快速开发和评估成为可能。
韩京清教授的自抗扰控制演变过程
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
内容导航
自抗扰控制器原理的起源及背景 自抗扰控制器国内外研究现状 自抗扰控制器的结构及实现 总结及未来发展趋势
电力电子与电力传动研究所
Institute of Power Electronics & Electrical Drives
2001
在国际会议中发表ADRC相关文章
2003
提出线性化、参数规范化ADRC，并 获得专利 $1M风险投资(Linestream)；在2012年 增长为$5M风险投资(Texas Instruments)
2008
2010
第一次实现了工厂应用，10个Parker 公司挤压机生产线(10 Parker extrusion lines)，平均节能57%
1.节省25%洗涤时间：在测试中，通过滚筒在两个方向的转动来测量洗涤过程。生产 商要求滚动需要在一个方向转动110°，并立即向相反方向转动110°。对于相同的洗 涤两，采用SpinTAC可以减少25%的时间。此外，两种控制器均具有相同的约束条件， 如逆变器温度和电流最大值。 2.节省15%的能源：通过更准确的跟踪运动规划轨迹以及更快速地扰动抑制能力， SpinTAC控制系统可以节约15%的电能。 3.精确控制：SpinTAC能够实现高速旋转(1200rpm)且保持最小的超调量，而传统PID 控制器的超调则十分明显。 4.快速简单的调节：因为是单参数调节，SpinTAC控制器只需要很短的调节时间。且 该参数可以用户实时调节，而不需要测试系统的性能和稳定性。
InstaSPIN-motion可以拓展运动限制范围，减少系统调节过程。 InstaSPIN-motion是一个广义的转矩、速度、运动控制软件解决方案，他可 以在诸多运动过程中实现鲁棒、高效的电机控制。InstaSPIN-motion的独特 设计可以优化复杂的运动序列，减少可调节参数(单参数调节)。它同样包含 了最新，最优化的无传感器电机控制。