[发明专利]自抗扰控制装置及基于自抗扰控制装置的控制方法

说明书

本发明公开的一种自抗扰控制装置及基于自抗扰控制装置的控制方法，应用自抗扰控制装置对被控对象进行控制包括两个阶段：阶段一获取初始值并对扩张状态观测器中的相应状态变量进行赋值，扩张状态观测器、状态误差反馈控制器和扰动补偿器未启动运行；阶段二扩张状态观测器、状态误差反馈控制器和扰动补偿器启动运行，执行对被控对象的控制。本发明即使是被用于控制输出初始量不为零的被控对象和/或初始总扰动较大的被控对象，被控对象的输出与其目标值间的控制误差仍能保持在较小范围内，从而获得满意的控制效果。

技术领域

本发明涉及自抗扰控制装置，特别涉及一种能够应用于具有非零初始值的被控对象的自抗扰控制装置及基于自抗扰控制装置的控制方法。

背景技术

自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)技术是由中科院韩京清研究员1998年提出的一种非线性控制策略，该技术是将系统未建模动态、外界干扰统一作为总扰动，然后通过构建扩张状态观测器(ESO)对总扰动进行观测，接着再利用观测结果对总扰动进行补偿，最后将基于标准模型设计的控制律与补偿律进行综合得到最终的控制律，利用该控制律即可得到理想的控制效果。

ADRC发扬了经典比例–积分–微分控制方法(proportional-integral-derivative,PID)的技术精髓——“基于误差来消除误差”，算法不依赖于模型，融合了现代控制理论的成就，仅利用误差反馈进行控制，克服了经典PID控制快速性与超调之间的矛盾以及现代控制理论依赖于控制对象模型的局限。该技术是将系统未建模动态、外界干扰统一作为总扰动，然后通过构建扩张状态观测器(ESO)对总扰动进行观测，接着再利用观测结果对总扰动进行补偿，最后将基于标准模型设计的控制律与补偿律进行综合得到最终的控制律。ADRC综合了经典控制理论和现代控制理论的优点，既可以有效处理控制系统的不确定性和非线性，又不完全依赖被控对象的数学模型。更具吸引力的是，ADRC打破了以线性或非线性、时变或非时变划分被控对象的传统框架，无论是线性定常系统还是非线性时变系统，均可釆用统一的控制方法。详见文献1(从PID技术到“自抗扰控制”技术，韩京清等，控制工程，第9卷第3期，2002年)、文献2(自抗扰控制技术滤波特性的研究，宋金来等，控制与决策，第18卷第1期，2003年)、文献3(自抗扰控制思想探究，高志强，控制理论与应用，第30卷第12期，2013年)。

应用已有的常规ADRC去控制被控量初始量为零的被控对象和/或初始总扰动较大的被控对象时往往能够获得令人满意的控制效果，但在控制被控量初始量不为零的被控对象时，从控制的起始时刻至后续的一段过渡阶段中，被控对象的被控量与其目标值间的控制误差往往较大，控制性能差强人意，只有在离开前述过渡过程后，控制误差才会逐渐减小并稳定在可接受的范围内，控制性能才能提升。较大的控制误差往往意味着被控量的剧烈波动，这在某些特定场合下是无法接受和容忍的。

如附图1所示，自抗扰控制装置主要由跟踪微分器(Tracking Differentiator，TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)、状态误差反馈(State ErrorFeedback，SEF)控制器、扰动补偿器四个部分组成，其中，跟踪微分器用于安排过渡过程并给出过程的微分信号，扩张状态观测器用于给出对象状态变量的估计值以及包括外界扰动、系统物理参数误差和内部未建模动态等在内的总扰动作用的实时估计值，该实时估计值的补偿作用使被控对象化为“积分器串联型”，状态误差反馈控制器利用过渡过程与状态估计之间误差的线性或非线性组合和基于总扰动实时估计值的补偿生成控制信号实现对被化成“积分器串联型”的对象进行控制。需要指出的是，跟踪微分器在自抗扰控制装置中不是必须的，有些情况下可省略。自抗扰控制装置的3个组成部分的选取方法可以有很多不同形式，因此在这个统一的结构框架下，根据不同对象的需求，可以构造出不同的自抗扰控制装置。

发明内容