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。

事实上，要实现控制目的，不一定要知道系统的开环动态特性。实现控制的主要目的是施加控制力，使目标值与输出值之间的误差衰减下去，因而只需要知道开环动态特性的具体表现量。这就是将状态反馈的理念转换为误差反馈的理念。图（1）、图（2）是这两种控制方式的框图。

图（1）基于状态反馈的全局控制方法

图（2）基于误差反馈的“过程的控制”

2.2 PID控制的优缺点

PID控制的主要优点是：“不用被控对象的精确模型，只用控制目标与对象实际行为的误差来产生消除此误差的控制策略的过程控制思想，是PID留给人类的宝贵思想遗产，是PID控制技术的精髓。”也正是因为这个原因，PID控制才能在控制工程实践中得到广泛有效的应用。

PID控制的缺陷：（1）直接以e=v-y的方式产生原始误差。控制目标v是有可能产生突变的，而对象输出y一定是连续的，用连续的缓变的变量追踪可能跳变的变量本身就是不合理的。（2）产生e的微分信号没有太好的办法。（3）线性组合不一定是最好的组合方式。（4）误差信号e的积分反馈的引入有很多负作用。

韩京清研究员针对PID控制的缺陷提出了改进方法。（1）安排过渡过程。（2）微分信号的提取。（3）各参数的非线性组合的应用。（4）状态扩张观测器。

3. 自抗扰控制器的基本结构

“用安排过渡过程、扩张状态观测器、非线性组合部件就可以装配出具有奇特功能的控制器——自抗扰控制器（Auto/Active Disturbances Rejection Controler，ADRC）。”

3.1 自抗扰控制器的框图

图（3）自抗扰控制器的框图

3.2自抗扰控制器的基本结构

自抗扰控制器(ADRC)主要包括：（1）非线性跟踪微分器(TD)；（2）扩张状态观测器(ESO)；（3）非线性组合(NLC) 。

自抗扰控制器利用跟踪微分器(TD)为参数输入安排过渡过程，得到光滑的输

入信号，并提取其微分信号。

ESO是ADRC的核心，采用双通道补偿的方法改造对象模型，将非线性、不确定的系统近似线性化和确定性化。

利用扩张状态观测器(ESO)对对象进行估计，不仅能得到各个状态变量的估计，而且能得到对象方程右端估计，即扰动估计。

对跟踪微分器输出与扩张状态观测器给出的状态变量估计取误差，形成状态变量误差。这个状态变量误差的非线性反馈与扩张状态观测器对未知作用力估计的补偿量一起组成控制量。

3.3 典型的二阶自抗扰控制器的算法

在这里r

0，β

01

，β

02

，β

03

，r，c，h

1

，b

是控制器的参数。其中r

是根据

过渡过程快慢的需要和系统的承受能力来决定的；参数β

01，β

02

，β

03

是由系统

所采用采样步长来决定的。这样，系统中真正需要调整的参数为控制量增益r、

阻尼系数c、精度因子h

1和补偿因子b

四个了。在一般情况下，控制量增益r

是大到一定程度就可以了，再大也几乎没什么影响。因此只需要调整三个参数r、c、h

1

。这三个参数与PID控制的三个参数有很多相似之处，但也有很多的差别。

4. 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。

【参考文献】

[1] 韩京清，自抗扰控制技术，前沿科学，2007（1）

[2] 黄一、薛文超、赵春哲，自抗扰控制纵横谈，系统科学与数学，2011（9）

[3] 韩京清，自抗扰控制器及其医用，控制与决策，1998（1）