[发明专利]具有异常应对能力的自抗扰控制装置

说明书

本发明公开了一种具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其包括用于估计被控对象的总扰动的扩张状态观测器、用于根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令的状态误差反馈控制器、用于根据总扰动估计值和误差控制指令生成总控制指令的扰动补偿单元、用于判断被控对象和/或控制装置是否出现异常的诊断单元、当被控对象和/或控制装置出现异常后对被控对象的总扰动估计值进行修正的总扰动估计值修正单元、根据经修正的总扰动估计值和误差控制指令生成总控制指令的对被控对象进行控制的扰动补偿单元。本发明在被控对象或控制装置出现异常时可以稳退出自抗扰控制机制，避免系统因自抗扰控制的异常而出现失稳等严重后果。

技术领域

本发明涉及自抗扰控制装置，特别涉及一种具有在被控对象和/或控制装置出现异常时退出机制的自抗扰控制装置。

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，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)。

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。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)。

ADRC不依赖于被控对象的精确对象模型，具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快、结构简单等诸多特点，得到了国内外学者和工程技术人员广泛而深入的应用性研究，具有广阔的应用前景。近年来，ADRC在工程实践中的应用范围逐步扩大，如：非圆车削中快速刀具伺服系统的精密跟踪控制、无刷直流伺服电机的低速摩擦补偿、典型分数阶系统，机器人无标定手眼协调、异步电机调速系统、微机电系统(micro.electro—mechanicalsystems，MEMS)或微机械陀螺仪、化工过程精馏塔、飞行器控制、刚体航天器姿态跟踪、永磁同步电机调速系统、柔性关节系统、超导加速器谐振腔控制、化工过程连续搅拌反应釜(continuous stirred tank reactor，CSTR)、电站机炉协调控制、气化炉控制系统等。

但是，ADRC的理论研究明显滞后于其应用。由于ADRC的结构较为复杂，控制参数多且物理意义不是非常明确，特别是非线性ADRC，尚未形成有效的控制参数设计方法，目前多是凭借设计者的经验试凑，与之对应的是，对于ADRC的扩张状态观测器的收敛特性以及ADRC的稳定性分析，尚未形成完整、有效、成熟、普适的分析和判定方法。因此，在实际应用ADRC对被控对象进行控制时，应当考虑ADRC出现异常时的应对措施。参见文献4(中国发明专利，名称：三参数最速自抗扰控制器装置及自抗扰控制方法，授权公告号：CN100527024C)、文献5(中国发明专利，名称：一种采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步电机时延补偿和控制方法，申请号：201410350645.8)以及文献6(中国发明专利，名称：最速地实现自抗扰反馈控制的方法及其装置，授权公告号：CN1225679C)等。

发明内容