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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。
实际上, 要实现控制目, 不一定要知道系统开环动态特征。实现控制关键目是施加控制力, 使目标值与输出值之间误差衰减下去, 所以只需要知道开环动态特征具体表现量。这就是将状态反馈理念转换为误差反馈理念。图（1）、 图（2）是这两种控制方法框图。

图（1）基于状态反馈全局控制方法

图（2）基于误差反馈“过程控制”

2.2 PID控制优缺点
PID控制关键优点是: “不用被控对象正确模型, 只用控制目标与对象实际行为误差来产生消除此误差控制策略过程控制思想, 是PID留给人类宝贵思想遗产, 是PID控制技术精髓。”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应用。
PID控制缺点: （1）直接以e=v-y方法产生原始误差。控制目标v是有可能产生突变, 而对象输出y一定是连续, 用连续缓变变量追踪可能跳变变量本身就是不合理。（2）产生e微分信号没有太好措施。（3）线性组合不一定是最好组合方法。（4）误差信号e积分反馈引入有很多负作用。
韩京清研究员针对PID控制缺点提出了改善方法。（1）安排过渡过程。（2）微分信号提取。（3）各参数非线性组合应用。（4）状态扩张观察器。

3. 自抗扰控制器基础结构
“用安排过渡过程、 扩张状态观察器、 非线性组合部件就能够装配出含有奇特功效控制器——自抗扰控制器（Auto/Active Disturbances Rejection Controler, ADRC）。”
3.1 自抗扰控制器框图

图（3）自抗扰控制器框图

3.2自抗扰控制器基础结构
自抗扰控制器(ADRC)关键包含: （1）非线性跟踪微分器(TD); （2）扩张状态观察器(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, 得到光滑输入信号, 并提取其微分信号。
ESO是ADRC关键, 采取双通道赔偿方法改造对象模型, 将非线性、 不确定系统近似线性化和确定性化。
利用扩张状态观察器(ESO)对对象进行估量, 不仅能得到各个状态变量估量, 而且能得到对象方程右端估量, 即扰动估量。
对跟踪微分器输出与扩张状态观察器给出状态变量估量取误差, 形成状态变量误差。这个状态变量误差非线性反馈与扩张状态观察器对未知作用力估量赔偿量一起组成控制量。

3.3 经典二阶自抗扰控制器算法

在这里r0, β01, β02, β03, r, c, h1, b0是控制器参数。其中r0是依据过渡过程快慢需要和系统承受能力来决定; 参数β01, β02, β03是由系统所采取采样步长来决定。这么, 系统中真正需要调整参数为控制量增益r、 阻尼系数c、 精度因子h1和赔偿因子b0四个了。在通常情况下, 控制量增益r是大到一定程度就能够了, 再大也几乎没什么影响。所以只需要调整三个参数r、 c、 h1。这三个参数与PID控制三个参数有很多相同之处, 但也有很多差异。

4. 自抗扰控制技术应用
自抗扰控制技术提出多年以来, 在中国外已经得到了大量应用。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取了自抗扰控制技术。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。在中国, 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。

【参考文件】
[1] 韩京清, 自抗扰控制技术, 前沿科学, （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, （9）
[3] 韩京清, 自抗扰控制器及其医用, 控制与决议, 1998（1）