敬请登录网站在线投稿2018年第5期
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基于自抗扰控制算法的单舵轮A G V控制系统设计
张煌
(济南二机床集团有限公司,济南250022)
摘要:智能A G V在机器人冲压自动化系统和压力机自动送料中有着非常重要的应用,针对当前冲压自动化的需要,本文基于自抗扰控制算法和高性能A R M控制器设计了一种激光S L AM引导的单舵轮A G V小车三实验结果表明,该A G V小车能实现非常高精度的路径跟踪和保持,具备较高的稳定性和鲁棒性三
关键词:A G V;A D R C;激光S L AM导航
中图分类号:T P273.5文献标识码:A
D e s i g n o f S i n g l e S t e e r i n g A G V C o n t r o l S y s t e m B a s e d o n A D R C
Z h a n g H u a n g
(J I E R MA C H I N E-T O O L G R O U P C o.,L t d.,J i n a n250022,C h i n a)
A b s t r a c t:T h e I n t e l l i g e n t A G V p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n a u t o m a t i c f e e d i n g s y s t e m a n d i n t h e a u t o m a t i c s t a m p i n g p r e s s m a c h i n e w i t h r o-b o t s.F o r t h e c u r r e n t s t a m p i n g a u t o m a t i o n r e q u i r e m e n t s,a l a s e r S L AM g u i d e d s i n g l e s t e e r i n g/d r i v e A G V b a s e d o n A D R C a l g o r i t h m a n d h i g h p e r f o r m a n c e A RM i s i n t r o d u c e d i n t h e p a p e r.T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e A G V c a n a c h i e v e v e r y h i g h p r e c i s i o n p a t h t r a c k i n g a n d m a i n t e n a n c e,a n d h a s h i g h s t a b i l i t y a n d r o b u s t n e s s.
K e y w o r d s:A G V;A D R C;l a s e r S L AM n a v i g a t i o n
引言
随着科学技术的快速提升,工业4.0和智能工厂的概念在工业生产中占有了越来越重要的地位,越来越多的机器人在工业生产中代替人工完成了重复二单调以及危险的工作,节省人力成本的同时,提升了工作效率三压力机行业中,由线首的拆垛机器人二板料传送系统二机器人上料系统二压力机间单元二线末的压力机下料单元以及自动运料A G V小车组成的机器人冲压自动化系统也得到了越来越多企业的认可[1]三A G V(A u t o m a t e d G u i d e d V e h i c l e),即自动引导小车,是该系统中的一个重要组成部分,运行中背载或牵引着物料沿预设的导引路线行驶三
在复杂的车间环境中,要求A G V能够:①准确二快速到达指定位置;②遇到障碍物时能够自动停车;③能到达并自动识别不同的站点,然后做出相应的动作三
随着电子技术的不断发展,出现了磁条(辅以R F I D 站点)二惯性导航或激光导航等自动导引装置[2],激光导航凭借其不需要地面辅助定位二可随时改变行驶路径的优点,得到了广泛的应用[3]三
本文基于激光S L AM(S i m u l t a n e o u s L o c a l i z a t i o n A n d M a p p i n g,S L AM)导航原理和自抗扰控制算法,设计了一种A G V自动控制系统,实现了A G V自动路径跟踪控制三该系统只需要通过上层调度软件更新位置坐标信息即可改变A G V行驶路径或停靠站点三所设计的A G V控制系统结构框图如图1所示
三
图1控制系统结构框图
1单舵轮A G V运动学数学模型
本系统选用的A G V包含一个能控制前进方向的舵
自抗扰算法（ADRC ）介绍报告 自抗扰控制器自PID 控制器演变过来，采取了PID 误差反馈控制的核心理念。传统PID 控制直接引取输出于参考输入做差作为控制信号，导致出现响应快速性与超调性的矛盾出现。自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器(tracking differentiator)，扩展状态观测器 (extended state observer) 和非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state error feedback law)。跟踪微分器的作用是安排过渡过程，给出合理的控制信号，解决了响应速度与超调性之间的矛盾。扩展状态观测器用来解决模型未知部分和外部未知扰动综合对控制对象的影响。虽然叫做扩展状态观测器，但与普通的状态观测器不同。扩展状态观测器设计了一个扩展的状态量来跟踪模型未知部分和外部未知扰动的影响。然后给出控制量补偿这些扰动。将控制对象变为普通的积分串联型控制对象。设计扩展状态观测器的目的就是观测扩展出来的状态变量，用来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化，将控制对象变为积分串联型。非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略。系统结构框图如图1 图1 过程和扩张状态观测器方程： 1y x =22302220(1)()*(()*(,,)*())z k z k h z k fal b u k βεαδ+=+-+1120111(1)()*(()*(,,))z k z k h z k fal βεαδ+=+-12212;()();()(,,,)x x x a t u t a t f x x t ω==+= 330312(1)**(,,) z k z h fal βεαδ+=-
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
一、研究意义 1.研究意义 由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。目前, 基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的P ID控制。PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后等特性, 很难用精确的数学模型描述, 这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。另外, 经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数, 无刷直流电机又具有数学模型复杂，非线性等特点，这给现场调试增加了难度。 2.国内外研究状况及发展 （1）无刷直流电机基本控制方法 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(V1～V6)分为上臂(V1、V3、V5)/下臂(V2、V4、V6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。电机驱动电路如图？所示。 图1 无刷直流电机的控制电路
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。
第30卷第12期2013年12月 控制理论与应用 Control Theory&Applications V ol.30No.12 Dec.2013自抗扰控制技术在微机电换能器中的应用 DOI:10.7641/CTA.2013.31016 董莉莉? (克里夫兰州立大学,俄亥俄州克里夫兰市44115,美国) 摘要:自抗扰技术,作为一门新兴的鲁棒控制技术,能够成功补偿微机电制造上的缺陷以及周围环境的扰动,从而提高微机电传感器和执行器的性能,增加它们的测量及移动精度.本文介绍了自抗扰技术在微机电陀螺仪和静电执行器两大微机电换能器上的应用.通过使用此项控制技术,微机电陀螺仪可精确测量并输出匀速及时变角速度.此外,一种模型辅助自抗扰控制器被首次应用到微执行器上.此模型辅助自抗扰控制器建立在部分模型已知的基础上.它能够在外干扰存在的情况下,把静电执行器的位移范围提高到电容间距的99%.模型辅助自抗扰控制器的抗噪声能力也优于传统的自抗扰控制器.作者用仿真和实验结果向读者展示了自抗扰技术在微机电领域的鲁棒性,有效性和实用性. 关键词:微机电系统;微机电陀螺仪;静电执行器;自抗扰控制;鲁棒性 中图分类号:TP202+.1文献标识码: Application of active disturbance rejection control to micro-electro-mechanism system transducers DONG Li-li? (Cleveland State University,Cleveland,OH44115,USA) Abstract:Active disturbance rejection control(ADRC)is an emerging robust control technology.It improves the performance of micro-electro-mechanism system(MEMS)sensors and actuators and increases their measurement and displacement accuracies through effectively compensating the imperfections in micro-fabrications and environmental vari-ations.The applications of an ADRC to MEMS gyroscopes and electrostatic actuators are introduced in this paper.The ADRC facilitates accurate sensing of both constant and time-varying rotation rates for MEMS gyroscopes.In addition, an alternative ADRC is initially applied to an electro-static actuator.The alternative ADRC is constructed based on par-tially known model information.It drives and stabilizes the displacement output of an electrostatic actuator to99%of full capacitor gap despite of the presence of disturbance.The alternative ADRC also has better noise rejection capability than traditional ADRC.Simulation and experimental results demonstrate the robustness,effectiveness and feasibility of the ADRC in MEMS area. Key words:micro-electro-mechanism system(MEMS);MEMS gyroscope;electro-static actuator;active disturbance rejection control;robustness 1引言(Introduction) 微机电陀螺仪和静电执行器同属于微机电(micro-electro-mechanical system,MEMS)换能器.微机电陀螺仪是角速度和角位移传感器.静电执行器负责将静电信号转换成机械移动.随着微机电制造技术的日新月异,MEMS换能器在近20年来得到了飞速的发展.它们体积小(只有微米或者毫米量级)、重量轻、成本低、耗能少、便于携带,已经被广泛应用到航天系统、军事制导、家用电器和汽车工业中[1]. 微机电陀螺仪的测量精度主要取决于硅片的机械振动.然而微机电制造技术的缺陷会造成微陀螺仪内部驱动机构的错位,驱动和感应部位的非对称,以及质量与中心轴的偏离[2].这些机械系统的缺陷将引起微陀螺系统参数的不确定性,再加上周围环境变化所带来的外扰动,最终会导致测量误差的产生.传统的机械补偿能够减少一部分由于制造缺陷所带来的误差.然而机械补偿不但耗时、成本高,而且很难在一个小如硬币的微陀螺仪上实行.因此,需要一个能够成功消除(或大大减少)机械误差,提高微陀螺测量精度和稳定性的鲁棒控制器进行电补偿. 一个自由度的平板静电执行器(又称作微执行器)由固定和移动电板组成.两个平行电板在电场中充电后会形成电容.当改变电容器的控制电压时,移动电板可离开原始位置,上下移动.然而由于系统本 收稿日期:2013?09?26;收修改稿日期:2013?12?07.?通信作者.E-mail:L.Dong34@https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html,.
电气传动2017年第47卷第4期 永磁同步电机调速系统自抗扰控制器的设计 曾岳南，曾祥彩，蔡豪，汪亮亮 （广东工业大学自动化学院，广东广州510006） 摘要：将自抗扰控制器（ADRC ）运用到永磁同步电机（PMSM ）调速系统控制中。电流环采用一阶非线性自抗扰控制器（NLADRC ）抵消电流环反电势的影响，减小电流跟踪误差和相电流总谐波畸变（THD ）；转速环采用一阶线性自抗扰控制器（LADRC ）对负载转矩和黏滞摩擦进行补偿，提高系统转速稳定性；最后利用基于带宽的参数整定公式整定控制器参数。仿真和实验结果表明系统具有良好的转速稳定及抗负载扰动能力，验证了控制器设计的有效性。 关键词：永磁同步电机；自抗扰控制器；调速系统；参数整定中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI ：10.19457/j.1001-2095.20170401 Active Disturbance Rejection Controller Design for PMSM Speed Regulation System ZENG Yuenan ，ZENG Xiangcai ，CAI Hao ，WANG Liangliang （Automation Faculty ，Guangdong University of Technology ，Guangzhou 510006，Guangdong ，China ）Abstract:Active disturbance rejection controller （ADRC ）was applied to speed control of permanent magnet synchronous motor （PMSM ）regulation system.Nonlinear ADRC （NLADRC ）were employed for d and q axis current regulation ，so that the effect of back EMF was cancelled by NLADRC ，furthermore ，the tracking error and total harmonic distortion （THD ）of phase current were https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html,DRC were employed for speed regulation ，the load torque and viscous friction were compensated by LADRC ，as a result ，the speed stability was improved effectively. Finally the controller parameters were tuned based on the bandwidth formula.The simulation and experimental results show that the system has good speed stability and load disturbance performance ，which proves effectiveness of the controller design. Key words:permanent magnet synchronous motor ；active disturbance rejection controller ；speed regulation system ；parameters tuning 作者简介：曾岳南（1962-），男，博士，教授，Email ：zengyn@https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html, ELECTRIC DRIVE 2017Vol.47No.4 文献［1］将自抗扰控制器应用到火炮伺服控制系统中，推导出火炮系统自抗扰控制器的设计和离散化方法，系统具有较好的鲁棒性和位置跟随性能，但未给出控制器的参数整定方法。文献［2］为了更好地描述实际物理模型，将ADRC 中的状态误差反馈改为比例+分数阶积分的方式，取得了较好的控制效果，但是分数阶积分算法较复杂，计算量大。文献［3］设计了一种直线伺服电机自抗扰控制器，并给出了控制器增益调整的规律，但调整规律比较难以获得，并且整定参数时，没有考虑实际物理系统中的噪声问题。文献［4］将二阶ADRC 应用到机床切削控制系统中，对位置、转速同时控制，取得了较好的控制效果，但未给出控制器的参数选取方法。 本文详细推导了PMSM 调速系统转速环LADRC 、电流环NLADRC 的设计方法，利用基于带宽的参数整定公式得到控制器参数，进行了仿真和实验。仿真和实验结果验证了电流环以及转速环控制器设计的正确性和有效性。 1PMSM 转速环LADRC 控制器设计 LADRC 具有算法简单、参数整定方便等优 点，适用于对带宽要求不高的场合，为此转速环采用LADRC ，包括线性跟踪微分器（LTD ）、线性扩展状态观测器（LESO ）以及线性状态误差反馈（LSEF ）3个部分。 转速控制器输入为转速给定值和反馈值，输出为转矩电流给定。根据PMSM 的电磁转矩和 3 万方数据
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.风力发电技术概述及其研究意义 目前随着石化能源的逐渐枯竭以及对环保的日益重视，迫切需要人们开发清洁的再生能源，因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发应用已经受到世界的高度重视。风力资源丰厚，风力发电的潜力很大，但是风能能量密度较低,目前风力发电面临的一个急待解决的问题是风能利用效率的提高。风力机捕获的风能取决于风速、叶片浆距角和风轮转速,通过控制机构调节浆距角和风轮转速,使风力机捕获的风能跟踪最大功率曲线,可以有效地提高风力发电系统的发电效率。20年来风力发电技术领域有了很大的成就，中国从八十年代才开始发展风力发电，但是规模远不及欧美等国，尚处于探索时期，因此，风力发电在中国能源发展中的地位及发展的前景预测这一课题有重大的战略意义和社会意义。 但是风能在利用中存在很多的问题，风能是一种存在很多不确定性的能源，风力发电系统处于自然界中，外部的干扰很多且不易预知和控制，怎样实现风能的最大捕获成为一个我们在现实风力发电时首要考虑的问题。 在现在的风力发电中，我们运用到实际的控制方法有很多，有古典控制理论部分的应用，也有PID控制的应用，且其在控制界曾处于很高的位置，但是PID使用的范围有限制，对线性系统或者能线性化的系统，其控制效果还是很好的，但是由于风能的并不确定因素很多，这样导致PID在风里发电系统中便显示出了很多的缺点。图1所示为传统PID的控制图。 图 1 PID控制结构
从这个框图可以概括出PID控制技术的如下四个方面的缺陷: 第一，误差取法不合理。系统输入信号常常是不光滑、不连续的，而输出信号通常是光滑的，因而导致系统超调或振荡；第二，微分信号的实现需要改进。现场微分信号的实现通常采用差分或超前网络，这种方式对噪声放大作用很大，使微分信号失真而不能使用；第三，误差信号采用的线性组合不一定最合适，这种线性组合不易解决快速性和超调的矛盾；第四，积分反馈的作用主要是消除稳念误差，但它的引入也带来很多副作用，增加了系统的不稳定性以及积分饱和现象的出现。 面对这样的问题，我们也曾提出很多控制方法，比如自适应的应用，鲁棒控制和模糊控制，这些的控制效果也很好，但是由于这些的算法相对比较复杂，有些系统不易建立精确的数学模型，导致这些应用过程中会复杂。这时自抗扰技术的发展就为我们更好的利用风能提供了一个很好的方法。 自抗扰控制理论是我国学者韩京清先生首先提出的一种利用简单非线性部件对非线性系统的状态量及其所受干扰进行检测，进而利用非线性误差反馈规律进行总体补偿的非线性控制策略。其控制结构由跟踪微分器(TD)，扩张状态观测器(ESO)和非线性反馈组成，如图2所示。 图 2 自抗扰控制结构 TD用来实现对系统输入信号的快速无超调跟踪，并给出其“广义”微分
目录 目录 目录 (1) 1 绪论 (1) 2 问题描述 (1) 3 发展现状 (2) 3.1 非线性跟踪微分器 (2) 3.2 扩张状态观测器 (3) 3.3 自抗扰控制律 (4) 3.4 参数整定问题 (4) 4 未来展望 (15分) (4) 5 结论 (5) 参考文献 (6)
1 绪论 自抗扰控制是韩京清先生以对控制理论的反思为开端提出的以反馈系统的标准型（积分器串联型）为基础，以工程控制的鲁棒性为目标的控制技术[1-5]。其思想是以工业界占主导地位的PID控制为出发点，在改进非线性PID的基础上提出自抗扰的概念，算法简单，在未知强非线性和不确定强扰动的作用下仍能够保持控制精度。在国内，自抗扰控制技术在四旋翼无人机控制[6]、航天器姿态控制[7]、精密车床中快速刀具的伺服控制[8]、电机的励磁控制[9]等方面均有应用案例。在国外，自抗扰控制于2009年通过了运动控制的工业评估[10]；2013年，德州仪器开始在全球发布以自抗扰为技术核心的运动控制芯片[11]。可见，自抗扰控制技术具备巨大的潜力与工程应用前景。 2 问题描述 1989年，韩京清先生提出了对控制领域的疑问——模型论还是控制论。模型论“靠系统的数学模型去找控制率”，后者依靠的是系统的“某些响应特征或过程的某些实时信息”。 而“通过误差来消除误差”正是简单的线性PID所蕴含的朴素思想，也是PID能够在工业界获得广泛应用的原因。而以现代控制理论为代表的控制理论虽然在数学上严密可证，然而在实际应用中却较少，因为实际的控制对象总是不可避免地存在未知与不确定性。因此，反思控制理论数学化带来的理论与工业实践的脱节，探索新的控制技术与理论是有必要的。而自抗扰控制技术就是基于以上的问题，以PID为出发点，探索控制技术与理论的新方向。
自抗扰控制器设计原理 1非线性跟踪微分器 跟踪微分器(tacking-differentiator, TD)是这样的一个非线性动态环节：对于输入信号v(t)，它将在平均收敛和弱收敛意义下，输出信号v(t)及其高阶导数(或广义导数)的光滑逼近。本文采用二阶TD的离散算法，即 其中，h为步长；h 为滤波因子；r为速度因子。 本文设计的气压伺服自抗扰控制器中，TD主要有两个作用：一是在伺服定位控制中利用TD控制过渡过程，降低系统起始误差。根据定位信号和系统所能承受的“能力”，利用TD控制一个合适的过渡过程，使系统的输出跟踪这个控制的过渡过程，就可实现快速而又无超调地跟踪阶跃信号的目的，并且使控制器的鲁棒性和适应性得到较大改善。二是提取输入信号的微分(速度)。作为前馈参与控制，减小控制系统响应的相位滞后。 2 扩张状态观测器 扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心，其作用是利用系统输出，估计受未知外扰作用的非线性不确定对象的扩张状态，以实现反馈控制及扰动补偿。 针对式(4)，设系统变量：x 1=x，x 2 =x，x 3 =x；系统输出y=x 1 。则系 统状态方程可写为
定义系统总扰动为扩张状态： x 4 =a(t)=f(x，x，x，w(t)) (3) 系统的扩张状态方程为 根据式(4)，设计四阶扩张状态观测器，其离散算法如下： 合理配置式(5)参数，使其稳定，则Z 21、Z 22 和Z 23 分别实时跟踪系统 的状态x 1,x 2 和x 3 ，而Z 24 实时跟踪系统的总扰动即扩张状态a(t)。 3 气压伺服系统自抗扰控制器 自抗扰控制器是基于跟踪微分器安排过渡过程，利用扩张状态观测器估计系统状态、模型和外扰，并采用非线性状态误差反馈控制规律的一种非线性控制器，在线性系统理论中，状态反馈控制采用的是系统状
研究意义 1?研究意义 由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。目前，基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的 P ID控制。PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后 等特性，很难用精确的数学模型描述，这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。另 外，经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数，无刷直流电机又具有数学模型复杂，非 线性等特点，这给现场调试增加了难度。 2?国内外研究状况及发展 （1）无刷直流电机基本控制方法 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷 和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入（一般为24V）或以交流电输入（110V/220 V），如果输入是交流 电就得先经转换器（con verter）转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须 先将直流电压由换流器（inverter）转成3相电压来驱动电机。换流器（inverter）一般由6个功率 晶体管（V1?V6）分为上臂（V1、V3、V5）/下臂（V2、V4、V6）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM脉冲宽度调制）决定功率晶体管开关频度及换流器（inverter）换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器（hall-se nsor），做为速度之闭回路控制，同时也做 为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。电机驱动电路如图？所示。 图1无刷直流电机的控制电路
DOI : 10.11992/tis.201711029网络出版地址: https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html,/kcms/detail/23.1538.TP.20180413.0941.002.html 一种新型控制方法—自抗扰控制技术及其 工程应用综述 陈增强1,2，刘俊杰1,2，孙明玮1 （1. 南开大学 计算机与控制工程学院，天津 300350; 2. 天津市智能机器人重点实验室，天津 300350） 摘 要：自抗扰控制(active disturbance rejection control ，ADRC)是韩京清研究员于1998年正式提出的一种不依赖被控对象模型的新型实用技术，具有很好的工程应用前景。为了便于理论分析与工程实际应用的推广实现，高志强教授在ADRC 的基础上提出易于参数整定的线性自抗扰控制(LADRC)，极大地推动了自抗扰控制理论发展与实际应用。本文简要介绍了自抗扰控制的基本思想及线性自抗扰控制的基本原理，较为系统地阐述了自抗扰控制理论的研究进展，就自抗扰控制在实际工程领域中的应用进行了分类总结，最后给出需要进一步深入研究的方向。 关键词：自抗扰控制；线性自抗扰控制；扩张状态观测器；稳定性分析；工程控制应用 中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1673?4785(2018)06?0865?13 中文引用格式：陈增强, 刘俊杰, 孙明玮. 一种新型控制方法—自抗扰控制技术及其工程应用综述[J]. 智能系统学报, 2018,13(6): 865–877. 英文引用格式：CHEN Zengqiang, LIU Junjie, SUN Mingwei. Overview of a novel control method: active disturbance rejection con-trol technology and its practical applications[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2018, 13(6): 865–877. Overview of a novel control method: active disturbance rejection control technology and its practical applications CHEN Zengqiang 1,2，LIU Junjie 1,2，SUN Mingwei 1 (1. College of Computer and Control Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. Key Lab of Intelligent Robotics of Tianjin, Tianjin 300350, China) Abstract : The active disturbance rejection control (ADRC) technology, which was proposed by Han Jingqing in 1998,is a novel practical technology independent of the controlled object model, and it has a good application prospect. To fa-cilitate theoretical analysis and practical engineering applications, Professor Gao Zhiqiang proposed a linear active dis-turbance rejection control (LARDC), which is based on the ADRC and greatly improves the development and applica-tion of the ADRC. This paper presents the basic idea of the ADRC and the fundamental principle of the LADRC. Re-search progress on the theoretical analysis for ADRC is systematically described, and practical engineering applications based on ADRC are summarized, and finally, further potential research directions are presented. Keywords : ADRC; linear active disturbance rejection control (LADRC); extended state observer (ESO); stability ana-lysis; engineering control application PID 控制是一种基于误差的反馈控制，其不 依赖被控过程的模型，结构简单且鲁棒性强，至 今仍在工程上占据着主要地位。而针对PID 控制难以处理的复杂控制对象，现代控制理论产生并涌现了如最优控制、鲁棒控制、自适应控制等理论成果，大多数的现代控制理论方法均依赖于系统的数学模型，难以在实际应用中推广。1989年，收稿日期：2017?11?27. 网络出版日期：2018?04?13. 基金项目：国家自然科学基金项目(61573199, 61573197)；天津 市自然科学基金项目(14JCYBJC18700). 通信作者：陈增强. E-mail ：chenzq@https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html,.第 13 卷第 6 期 智 能 系 统 学 报Vol.13 No.62018 年 12 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Dec. 2018
收稿日期:2008206219 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50777028 作者简介:吴猛(1974— ,男,博士,讲师,E 2mail :wu _meng @https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html, ;朱喜林(1959—,男,教授,博士生导师,E 2mail :zhuxl @https://www.doczj.com/doc/8d18000073.html,.第29卷第2期2009年2月北京理工大学学报 Transactions of Beijing Institute of Technology Vol.29No.2Feb.2009 自抗扰控制器参数整定方法的研究 吴猛1,2,朱喜林1,3,鄂世举1,3,孙明革1,2,童少为2 (1.吉林大学机械科学与工程学院,吉林,长春130025; 2.吉林化工学院自动化系,吉林,吉林132022; 3.浙江师范大学交通学院,浙江,金华321004 摘要:提出了自抗扰控制器算法参数整定的计算机软件仿真分析和基于参数变换的公式推导两种方法.根据自抗扰控制方程,针对算法中多个参数需要整定的问题,结合工程中控制对象实例,采用M atlab 仿真软件逐一确定各参数,寻找同类对象之间的控制参数关系,利用公式得到其他对象的控制器参数.使用M atlab 仿真分析 法可直观地获取参数,公式推导法则简化了同类对象的参数整定,速度快.仿真实验结果表明,这两种参数整定方法可用于常见的工业控制对象的自抗扰控制器中. 关键词:自抗扰控制器;参数整定;M atlab 软件;参数变换 中图分类号:T P 273文献标识码:A 文章编 号:100120645(2009022*******
A Study on Parameters Setting Methods for Active Disturbance R ejection Controller(AD RC WU Meng 1,2,ZHU Xi 2lin 1,3, E Shi 2ju 1,3,SUN Ming 2ge 1,2,TON G Shao 2wei 2 (1.Mechanic Science and Engineering College ,Jilin University ,Changchun ,Jilin 130025,China ;2.Department of Automation ,Jilin Institute of Chemical Technology ,Jilin ,Jilin 132022,China ; 3.Traffic College ,Zhejiang Normal University ,Jinhua ,Zhejing 321004,China Abstract :Two met hods for t he parameter setting of active 2dist urbance 2rejection controller (ADRC algorit hm are propo sed.According to t he ADRC equation ,it needs to set up a number of parameters. Taking t he cont rol 2object in t he p roject as example ,t he parameters are determined individually using Matlab simulation.After getting t he relationship of cont rol parameters between similar object s ,t he cont rol parameters of ot her object s are achieved from derivation.Parameters can be obtained int uitively using Matlab simulation analysis.Parameters setting of similar object s is simplified and quickened using formula derivation.Simulation result s showed t hat t he two met hods used in ADRC of common cont rol 2object in industry can attain fine cont rol effect. K ey w ords :active 2dist urbance 2rejection cont roller (ADRC ;parameter setting ;Matlab ;param 2 eter t ransformation 自抗扰控制器(A D R C 是由非线性PI D 控制