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，

•

+

+

⎰

=e

k

e

k

d

e

k

u t

2

1

)

(τ

τ。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。5、PID中的误差积分反馈对抑制常值扰动确实有效，但在无扰动作用时，误差积分反馈

常使闭环的动态特性变差，而对于随时变化的扰动来说，积分反馈的抑制作用能力又不是很显著。

正是出于对传统PID控制技术的深刻认识，为了避免其缺点，继承其优点，韩京清等提出了自抗扰控制技术。自抗扰控制技术针对传统PID的缺点，逐一提出解决方法:安排合适的“过渡过程”；通过“跟踪微分器”合理提取微分和安排过渡过程;采用非线性状态误差反馈控制器:针对扰动问题，提出采用“扩张状态观测器”对扰动进行估计。

3.3.2自抗扰控制技术的关键部分

自抗扰控制器通过关键的几个部分设计，达到规避PID控制器缺点和不足，取得更好的控制效果的目的。而跟踪微分器（TD)、非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)、扩张状态观测器(ESO)等正是自抗扰控制器的关键部分。下面作简单介绍。

3.3.3跟踪微分器

首先解释一下过渡过程，即控制系统从初始状态达到期望状态的过渡阶段。而跟踪微分器可以在这个阶段适当规划实现过程，解决超调与响应时间之间的矛盾，而这正是经典PID所欠缺的。

1.安排过渡过程

由于受到认知水平和技术条件的限制，PID对误差的提取不合理，直接取控制目标与系统输出的误差（当前大部分控制系统的做法)会导致很大的超调，为此提出了安排过渡过程的想法，让输入量缓慢增大，使其与输出量的差值很小，就可以尽可能地降低超调，达到稳态，如图3-10所示

（a）传统PID控制（b）安排过渡过程

图3-10传统PID 控制与安排过渡过程后超调与快速性的对比

可以看到，通过安排过程可以解决超调与快速性之间的矛盾;而且事先安排过渡过程可以使误差反馈增益和误差微分反馈增益的选取范围扩大，从而使其整定更容易；另外，事先安排过渡过程可以使给定的反馈增益所能适应的对象参数范围扩大，即控制器的鲁棒性更强。

2.“跟踪微分器”合理提取微分

另外，由于传统PID 控制器的微分环节对误差微分的提取不太合理，若输入信号中含有噪声，传统的微分器很容易导致严重的噪声放大效应，为此提出了跟踪微分器(TD)的概念，试图解决噪声放大的问题，并解决微分信号延迟于误差信号的难题，在经典控制理论中，对给定信号的微分通过如下微分环节得到

)1

1

(1)111(11)(y v Ts v T v Ts T v Ts s v s w +-=+-=+=

= （3-12） 其中，w(s)为经典微分器；v 为输入信号；式中T 是比较小的微分常数。可以看到上式右边括号内第二项为时间常数为T 的惯性环节，而第一项将输入信号直接输出，其等价框图如图3-I1所示。

图3-11 经典微分器等价框图

如果将第二项惯性环节的输出记作-

v ，那么式(3-12 )满足如下等式

))()((1

)(t v t v T

t y --= (3-13)

当输入信号v(t)缓慢变化而时间常数T 较小时Ts e Ts -≈+1

1

,即可以看成一个延时

环节，此时可以得到

)()(T t v t v -≈-

(3-14)

所以式(3-12 )可以转化为

)())()((1

))()((1)(t v T t v t v T

t v t v T t y •-≈--≈-= (3-15)

这就是微分环节的数学含义了，当然，时间常数T 越小，越接近真实微分。 若输入信号是很纯净的，没有噪声的信号，采用此种纯微分环节会获得比较好的