自抗扰控制介绍概要共52页

NLSEF
根据fal函数的特点和现场运行经验适当地选择非线 性因子，将极大地改变控制效果，使比例、微分各 自发挥出各自的功效。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术的应用
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。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制器的基本结构
ADRC的组成 非线性跟踪微分器 扩张状态观测器 非线性误差反馈控制律
ADRC结构框图
TD
跟踪微分器最常用的形式为
TD
fhan(z11,z12,r,h)为如下定义的非线性函数
ESO
设有未知外扰动的不确定对象
上式中 f(x,x,…,x(n-1),t)为未知函数，w(t)为未 知外扰，u为控制量，ESO的形式如下：
小 节
自抗扰控制器是对PID的改进，省去了积分环节， 增加了ESO以实现对系统内部模型摄动和外部扰动的 实时估计，并采用非线性误差状态反馈策略，保留 了PID控制的优点，克服了其控制精度低的缺陷。
在国内，大多数成果仍处于仿真或简单的实体实验 阶段，并且集中低阶系统模型的应用，对高阶系统 自抗扰控制器的阶数确定，高阶ESO的稳定性证明， 控制参数的整定于优化等方面还缺乏深入的研究。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术简介
PID控制及其优势和缺陷
PID控制
PID控制器在工业过程控 制中占据的主导地位是绝无仅 有的。目前，PID控制器在运 动控制、航天控制及其他过程 控制的应用中，仍然占据95% 以上。

国家精品课程/ 国家精品资源共享课程/ 国家级精品教材国家级十一(二)五规划教材/ 教育部自动化专业教学指导委员会牵头规划系列教材控制系统仿真与CAD第十章智能控制器设计方法自抗扰控制Auto Disturbances Rejection Control主讲：薛定宇教授自抗扰控制自抗扰控制199x年有韩京清研究员提出的控制策略 控制器设计时无需受控对象模型的参数 有三个组成部分微分跟踪器扩张状态观测器自抗扰控制器微分跟踪器 数学模型S-函数(状态方程)的实现 S-函数入口语句S-函数的基本框架扩张的状态观测器 数学模型其中扩张状态观测器的S-函数实现选择参数，设计状态观测器主函数 输入输出路数、连续离散状态变量个数扩张状态观测器支持函数自抗扰控制器数学模型其中方程没有连续、离散状态输入信号为m(t)=[v(t), v2(t), z1(t), z2(t), z3(t)]1输出信号为u(t)自抗扰控制器S-函数实现 主函数支持函数 输入信号为 m (t )=[v 1(t ), v 2(t ), z 1(t ), z 2(t ), z 3(t )]输出信号为 u (t )例10-4自抗扰控制器仿真 时变受控对象模型搭建仿真框图 ex_han2.slx控制器参数仿真模型 受控对象ADRC控制器模块封装 自抗扰控制器内部结构自抗扰控制器仿真 新的系统框图控制器参数选择自抗扰控制设计小结 自抗扰控制的三个组成部分 微分跟踪器扩张的状态观测器自抗扰控制器数学模型与S-函数实现自抗扰控制系统的仿真与设计。

自抗扰控制技术一、本文概述自抗扰控制技术是一种先进的控制策略，其核心在于通过内部机制的设计，使系统能够自动抵御和补偿外部干扰和内部参数变化对系统性能的影响。

随着现代工业系统的日益复杂，对控制系统的鲁棒性和稳定性的要求也越来越高，自抗扰控制技术的出现为解决这些问题提供了新的思路和方法。

本文将对自抗扰控制技术进行详细的介绍和分析。

我们将阐述自抗扰控制的基本原理和核心思想，包括其与传统控制方法的主要区别和优势。

我们将介绍自抗扰控制技术的关键组成部分，如扩展状态观测器、非线性状态误差反馈控制律等，并详细解析其在控制系统中的作用和实现方式。

我们将通过实例分析和仿真实验，验证自抗扰控制技术在提高系统鲁棒性和稳定性方面的实际效果，并探讨其在实际工业应用中的潜力和前景。

本文旨在为从事控制系统设计、分析和优化的工程师和研究人员提供一种新的思路和方法，以应对日益复杂的工业控制问题。

也希望通过对自抗扰控制技术的深入研究和应用，为现代工业系统的智能化和自主化提供有力的技术支持。

二、自抗扰控制技术的基本原理自抗扰控制技术是一种先进的控制方法，其基本原理可以概括为对系统内部和外部扰动的主动抑制和补偿。

该技术的核心在于通过特定的控制策略，使系统在面对各种扰动时能够保持其稳定性和性能。

自抗扰控制技术的基本原理主要包括三个部分：扩张状态观测器（ESO）、非线性状态误差反馈（NLSEF）和跟踪微分器（TD）。

扩张状态观测器用于实时估计系统的总扰动，包括内部不确定性和外部干扰。

通过观测并提取这些扰动信息，系统能够在控制过程中主动抵消这些不利影响。

非线性状态误差反馈部分则根据观测到的扰动信息，通过非线性控制律的设计，实现对系统状态的快速调整。

这种非线性控制策略使得系统在面对扰动时能够迅速作出反应，从而保持其稳定性和性能。

跟踪微分器是自抗扰控制技术的另一个重要组成部分，它通过对期望信号的微分处理，生成一系列连续的指令信号。

这些指令信号能够引导系统以平滑、稳定的方式跟踪期望轨迹，进一步提高系统的控制精度和鲁棒性。

自抗扰控制算法范文自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，简称ADRC）是一种用于实时控制系统的先进控制算法。

该算法最早由中国科学家刘一达教授于2003年提出，其核心思想是通过对系统的扰动进行建模和估计，将扰动直接参与控制器设计，从而实现对扰动的主动抑制。

ADRC主要适用于系统存在非线性和时变扰动的情况，具有较强的鲁棒性和适应性，并且能够实现较好的跟踪性能和鲁棒稳定性。

一、ADRC算法的基本原理ADRC的设计原则是将被控对象的动力学特性建模为一个主被控模型和一个扰动估计器。

主被控模型描述了系统的主要动力学特性，扰动估计器用于实时估计系统的扰动状态。

ADRC的核心思想是将扰动估计器的输出作为控制器的输入，通过对扰动的估计和抵消，实现对系统扰动的主动抑制。

ADRC的基本结构由三个主要模块组成：扰动观测器、非线性组合环节和线性控制器。

其中，扰动观测器用于实时估计扰动信号的状态和参数；非线性组合环节将主被控模型的输出与扰动观测器的输出进行非线性组合；线性控制器通过对非线性组合环节的输出进行线性控制，实现对系统的控制。

二、ADRC算法的特点和优势1.对于非线性和时变扰动具有较好的抑制效果：ADRC通过实时估计和抵消扰动信号，能够有效地抑制非线性和时变扰动的影响，提升控制系统的鲁棒性和控制精度。

2.具有较强的适应性和鲁棒性：ADRC能够自动适应系统参数的变化和扰动的不确定性，具有较强的鲁棒性和适应性，适用于各种复杂工况下的实时控制系统。

3.算法结构简单，易于实现：ADRC的算法结构相对简单，可以快速实现和调试，并能够方便地与现有的控制系统进行集成和改进。

4.良好的鲁棒稳定性：ADRC能够保证控制系统的稳定性，在系统参数变化、扰动变化等情况下依然能够保持系统的稳定性，并对不确定性具有较好的鲁棒性。

5.可实现较好的跟踪性能：ADRC能够实现较好的跟踪性能，对于系统的输入变化能够迅速响应，并且实现较快的跟踪和控制。

x&2
r
2
x1
u
2rx2
x1 k 1 x1 k hx2 k
x2
k
1
x2
k
h
r
2
x1
k
u
k
2rx2
k
上式只是能无超调的跟踪输入信号，但是还不是最快 地跟踪输入信号。 为此寻求快速最优控制综合函数。
19
针对二阶积分器串联对象
x&1 x&2
x2 u,
|
u
|
r
以原点为终点的快速最优控制综合函数为
只需根据系统带宽要求确定或在线整定 o
对于一阶、二阶、三阶对象来说分别将特征值配置成
s o 2 , s o 3 , s o 4 即可
38
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用
39
五、非线性反馈
• 线性组合 • 非线性组合
27
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用
28
四、扩张状态观测器(ESO)
• 线性扩张状态观测器 • 非线性扩张状态观测器 • ESO参数整定
29
• 根据测量到的系统输入（控制量） 和系统输出（部分状态变量或状 态变量的函数）来确定系统所有 内部状态信息的装置就是状态观 测器。
因为连续函数的最优函数不再是该函数离散化后的最优函数。
22
改进的算法fhan
u fhan x1, x2, r, h
d rh
d0 hd
y

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。

PID控制的优缺点
缺陷：
➢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。 误差的取法
➢产生e的微分信号没有太好的办法。 由误差e提取de/dt的办法
➢线性组合不一定是最好的组合方式。 “加权和”策略不一定最好。
NLSEF
根据fal函数的特点和现场运行经验适当地选择非线 性因子，将极大地改变控制效果，使比例、微分各 自发挥出各自的功效。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术的应用
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。
从上文中可以看出，在纸浆和造纸工业中， PI控制器的应用甚至超过了98%。
PID控制
传统PID控制的结构如下图： NhomakorabeaPID控制的优缺点
优势：
靠控制目标于实际行为之间的 误差来确定消除误差的策略。
“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。
➢误差信号e的积分反馈的引入有很多负作用。
自抗扰控制技术简介
克服PID“缺陷”的具体办法
克服PID“缺陷”的具体办法
(1)安排合适的“过渡过程”； (2)合理提取“微分——“跟踪微分器； (3)探讨合适的组合方法一“非线性

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。
缺点
误差的取法不合理。 没有合理提取误差微分的办法。 加权和不一定是最好的组合方式。 积分反馈有许多副作用。
从PID到自抗扰控制（ADRC）
安排合适的“过渡过程” 合理提取“微分”-“跟踪微分器”（Tracking Differentiator，TD）； 探讨合适的组合方法-“非线性组合”（NF）； 探讨扰动估计办法-“扩张状态观测器”（Extended State Observer，ESO）。
从PID到自抗扰控制（ADRC） 考察一阶误差系统：

.
.
w u
（2.6.1）
u k , k 0 ，则 对上式实施误差的线性反馈，
如果存在一常数 w0 0满足
k w,1 / 2(d 2 / dt ) k 2 w
w w0 ,1 / 2(d 2 / dt ) k ( w0 / k )
（2.4.16）
上式是很好的数值微分器，称作“快速离散跟踪微 分器”。把函数 fst ()中的变量 h 取成与步长 h 相互 独立的新变量 h0 ，得：
x1 (t h) x1 (t ) hx2 (t ) x2 (t h) x2 (t ) hfst ( x1 (t ) v(t ), x2 (t ), r , h0 )
（2.4.17）
h0 。 r 决定着跟踪速度，称作 上式有两个可调参数 r ， “速度因子”；h0 起对噪声的滤波作用，称作“滤 波因子”。
从PID到自抗扰控制（ADRC） 在一般的控制系统中，误差直接取成：
ev y
（2.5.1）
误差的这种取法使初始误差很大，易引起“超调”， 很不合理。 改进：根据对象的承受能力，我们考虑先安排合理 的过渡过程v1 (t ) ，然后将误差取为：

以原点为终点的快速最优控制综合函数为： (2)
u ( x1 , x2 ) r sign( x1
将式(3)代入式(2)可得：
x1 x2 x2 r sign( x 1 v0 (t )
x2 x2 ) 2r
(3)
x2 x2 2r
)
(4)
这个系统的解的分量
x1 (t )
在加速度
(7)
扩张状态观测器对被观测系统有较好的跟踪能力， 响应速度快， 估计精度高， 但是对总扰动的实时估计受到某些条件的限制。当外扰频率较高时，扩张状态观 测器对于总扰动的跟踪能力较差。
3.3 自抗扰控制律
在韩京清先生的《自抗扰控制技术》第五章中，介绍了改进过的非线性 PID 与由线性跟踪微分器以及状态观测器实现的“线性 PID”。并且谈及了为给定安 排过渡函数，以及按不同误差组合构成的“非线性 PID”。而之后的“自抗扰控 制器”是跟踪微分器和扩展状态观测器产生的状态变量估计之间的误差的非线 性组合，并且与扩张状态观测器对总扰动的补偿量一起组成控制量：
5
参考文献
[1] 韩京清. 控制理论—–模型论还是控制论 [J]. 系统科学与数学, 1989, 9(4): 328 – 335. [2] 韩京清. 线性控制系统的结构与反馈系统计算 [C] //全国控制理论 及其应用论文集. 北京: 科学出版社, 1981: 43 – 55. [3] 韩京清. 控制系统的鲁棒性与 Gö del 不完备性定理 [J]. 控制理论与 应用, 1999, 16(增刊): 149 – 155. [4] 韩京清. 抗扰控制技术—–估计补偿不确定因素的控制技术 [M]. 北 京: 国防工业出版社, 2008. [5] HAN Jingqing. From PID to active disturbance rejection control [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(3): 900 – 906. [6]杨晟萱. 四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[D].大连理工大学,2014. [7]朱晓光. 航天器交会对接逼近段自抗扰控制研究[D].吉林大学,2015. [8]吴丹,赵彤,陈恳. 快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践[J]. 控制理论与 应用,2013,12:1534-1542. [9] 马幼捷 ,刘增高 , 周雪松 ,王新志 . 基于自抗扰控制技术的发电机励磁控制系统 [J]. 控制工程,2008,06:627-629+695. [10]TIAN G, GAO Z Q. Benchmark tests of active disturbance rejection control on an industrial motion control platform [C].Proceedings of the 2009 American Control Conference. St. Louis, MO: IEEE, 2009:5552 – 5557 [11] Achieve improved motion and efficiency for advanced motor control designs in minutes with TI’s new InstaSPIN(TM)–MOTION technology, The Wall Street Journal, April 18, 2013 at http: ///article/PR – CO – 20130418 – 907338.html ? mod = googlenews_wsj. [12] 李 海 生 , 朱 学 峰 . 自 抗 扰 控 制 器 参 数 整 定 与 优 化 方 法 研 究 [J]. 控 制 工 程 ,2004,11(5):419-423. [13] 张文革 . 时间尺度与自抗扰控制器 [D]. 北京 : 中国科学院系统科学研究 所 ,1999.

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。

3 发展现状3.1 非线性跟踪微分器自抗扰控制目前主要包括三方面的内容：非线性跟踪微分器，扩张状态观测器以及一系列自抗扰控制律的设计。

非线性跟踪微分器能够抑制噪声信号的放大效应，得到较好的微分近似信号。

一阶系统的自抗扰控制方法一阶系统的自抗扰控制方法自抗扰控制是一种控制系统设计方法，旨在抵消外部干扰对系统的影响，从而提高系统的抗干扰性能。

对于一阶系统，其数学模型可以表示为：G(s) = K / (τs + 1)其中，K是系统的增益，τ是系统的时间常数，s是Laplace变换中的复变量。

针对一阶系统的自抗扰控制方法主要包括两种：比例积分控制（PI控制）和滑模控制。

比例积分控制（PI控制）是一种常见的控制方法，通过添加一个积分项来抵消系统的稳态误差，并提高系统的鲁棒性。

PI控制器的输出可以表示为：u(t) = Kp e(t) + Ki ∫e(t)dt其中，e(t)是系统的误差，Kp是比例增益，Ki是积分增益。

对于一阶系统，PI控制可以通过调整Kp和Ki的值来实现对系统性能的优化。

增大Kp可以加快系统的响应速度，减小超调量；增大Ki可以减小稳态误差。

滑模控制是一种非线性控制方法，通过引入一个滑模函数来抵消干扰对系统的影响。

滑模控制器的输出可以表示为：u(t) = -Ks sgn(s)其中，s是系统的误差，Ks是滑模控制器的增益，sgn(s)是符号函数。

滑模控制器的特点是具有较强的抗干扰能力和鲁棒性，可以有效地抵消外部干扰对系统的影响。

然而，滑模控制器通常需要对系统的非线性特性进行较为复杂的分析和设计，因此在实际应用中较为复杂。

除了上述方法，还有其他一些自抗扰控制方法，如自适应控制、模糊控制等，它们也可以用于一阶系统的控制。

这些方法都旨在通过调节控制器的参数或结构来抵消外部干扰对系统的影响，提高系统的控制性能。

总之，针对一阶系统的自抗扰控制方法包括比例积分控制和滑模控制等。

这些方法可以通过调节控制器的参数或结构来提高系统的抗干扰性能，使系统具备更好的稳定性和控制精度。

然而，在实际应用中需要根据具体系统的特性和要求选择合适的控制方法，并进行相应的参数调整和系统优化。

然后把控制量 再取成误差 及其微分的反馈,比如(也可以辨用效率更高的反馈形式) (6) 那么闭环过程方程最后变成 (7) 显然这个微分方程是稳定的,从而有 ⇒ ,于是达到了控制的目的 ⇒ . 这个过程并不着眼于"全局动态特性"的改造,而着眼于过程中的输入-输出量和控制目标的信 号处理和控制目标与对象输出之间误差的"误差反馈",因此我们把这样的控制过程称作"过程的控 制".实现这种过程控制的框图如下:
自抗扰控制技术
北京前沿科学研究所 韩京清 本文简单介绍"自抗扰控制技术"和它是如何从经典PID控制技术演变出新型实用控制技术的基 本想法和关键技术."自抗扰控制器"(Auto(Active)Disturbances Rejection Controller-"ADRC") 技术,是发扬PID控制技术的精髓、吸取现代控制理论成就、开发利用特殊非线性效应、运用计算 机仿真试验手段来探索出来的,是不依赖于被控对象精确模型的、能夠替代PID控制技术的、新型 实用数字控制器技术. 一.控制理论与控制工程的脱节现象 在经典控制理论时期,发展了把对象在运行点附近的局部动态特性－开环传递特性改造成期望 的闭环传递特性(当然也是运行点附近的局部动态特性)来实现控制目的的理论和设计方法. 以状态变量描述为基础的现代控制系统理论是把上述局部传递特性的改造过程转化为用状态 反馈实现极点配置等来改善全空间(或全局)动态特性的问题.这样,便形成了以全局动态特性的改 造来实现控制目的的理论框架.既然立足于"全局动态特性"的改造,就得借用整个经典的和现代的" 动力学系统理论"工具,于是"矩阵理论"、"微分几何理论"都涌入了控制理论界,发展构筑了丰富多 彩的"现代控制理论"大厦. 在这里,采用的主要手段是"状态反馈",要解决的关键问题是被改造了的闭环动态特性的"稳定 性"问题,闭环动态稳定了才能实现控制目的.我们把这种"全局动态特性的改造"来实现控制目的的 方法称之为"全局控制"方法. 实现控制目的的这种"全局控制"方法的框图表示如下(以二阶被控对象为例):

NLSEF
根据fal函数的特点和现场运行经验适当地选择非线 性因子，将极大地改变控制效果，使比例、微分各 自发挥出各自的功效。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术的应用
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。
➢误差信号e的积分反馈的引入有很多负作用。
自抗扰控制技术简介
克服PID“缺陷”的具体办法
克服PID“缺陷”的具体办法
(1)安排合适的“过渡过程”； (2)合理提取“微分——“跟踪微分器； (3)探讨合适的组合方法一“非线性
组合”； (4)探讨“扰动估计办法一“扩张状
态观测器”。
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制技术简介
自抗扰控制器的基本结构
ADRC的组成 ➢非线性跟踪微分器 ➢扩张状态观测器 ➢非线性误差反馈控制律
ADRC结构框图
TD
跟踪微分器最常用的形式为
TD
fhan(z11,z12,r,h)为如下定义的非线性函数
ESO
设有未知外扰动的不确定对象
上式中 f(x,x,…,x(n-1),t)为未知函数，w(t)为未 知外扰，u为控制量，ESO的形式如下：
[4]黄一,薛文超,赵春哲,自抗扰控制纵横谈[J],系 统科学与数学,2011(9).
从上文中可以看出，在纸浆和造纸工业中， PI控制器的应用甚至超过了98%。
PID控制
传统PID控制的结
靠控制目标于实际行为之间的 误差来确定消除误差的策略。

h=0.001,h0=10h
1.08
1.1
1.12
1.14
1.16
1.18
1.2
27
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用
28
四、扩张状态观测器(ESO)
• 线性扩张状态观测器 • 非线性扩张状态观测器 • ESO参数整定
23
离散化后的最速函数：
fh fhan x1 k u k , x2 k , r , h x1 k 1 x1 k hx2 k x2 k 2 x2 k hfh
从非零值出发，按这个差分方程递推，就能以 有限步到达原点并停止不动。
1 x2 x x2 x2 x2 rsign x1 u 2r
20
对上式离散化可得
1 x2 x x2 x2 2 rsign x1 u x 2 r
x2 k x2 k f rsign x1 k u k 2r x1 k 1 x1 k hx2 k x2 k 1 x2 k hf
y w( s )v
rm
s r
m
v
17
由
r2 W s 2 s 2rs r 2
可以无超调达到系统设定值。
1 0.9 0.8 0.7 0.6
Amplitude
Step Response r=1 r=2 r=3 r=4
r 作为决定跟踪速度的因子
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

自抗扰控制技术
1
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用 • 参考文献
2
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用
3
一、ADRC的产生
• 自抗扰控制框图如下图所示
v0 v1
w1 t
v2
w2 t
G s
TD
NF
u0 u



y
z1

z2
1b
z3
b
ESO
5
目录
• ADRC的产生 • ADRC的结构 • 安排过渡过程TD • 扩张状态观测器 • 非线性反馈 • 参数整定方法 • 应用
6
三、安排过渡过程
t 1 cos , t T0 dtrns T0 , t 2T0 T0 2 , t T0 0
x a1 x v0 a2 x y x
a1 a1 k p , a2 a2 kd v0 dtrns T0 , t x a1 x v0trns T0 , t a2 x y x
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5 Time(s)
3
3.5
4
4.5
5
10
施加PD控制
x a1 x v0 a2 x y x

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。
4 未来展望 (15 分)
实践与数值仿真证明， 自抗扰控制技术确实具有较高的工程应用价值。然而 在该技术刚刚提出之时， 收到了理论界的极大反对与排斥。韩京清先生的论文也
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很少能够投到理论性很强的刊物上。 这很大程度上也是因为自抗扰控制技术更多 的偏向于技术实践， 而不是严谨缜密的数理证明。而正是这一点使自抗扰控制技 术能够很好地适应一些具体的工程应用。 而自抗扰控制技术中更珍贵的也许是韩 京清先生对于控制理论本身的理解， 而其中衍生出的控制技术值得我们去发展与 探索。 未来相当一段时间，围绕自抗扰控制技术应当有以下两方面的主题：一、严 格的理论证明，在既有的理论框架下进行延展与创新；二、具体的围绕自抗扰控 制技术的控制思想的新的控制技术的提出与发展。
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参考文献
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全书共分为五章。第一章介绍了自抗扰控制技术的产生背景和基本概念，为读者建立自抗扰控制 技术的整体认知。第二章详细阐述了自抗扰控制的核心算法——扩张状态观测器（ESO），包括 ESO的推导过程、性能分析和参数整定等内容。第三章则进一步将自抗扰控制技术应用于多种具 体的控制系统，如线性系统、非线性系统和多变量系统等，通过丰富的实例展示了自抗扰控制在 解决实际工程问题中的强大能力。第四章重点介绍了自抗扰控制与其他控制技术的结合与应用， 展现了自抗扰控制的广泛适用性和优越性。最后一章则展望了自抗扰控制未来的发展方向和应用 前景，为读者提供了深入研究的思路和方向。
阅读感受
这本书还对自抗扰控制的关键实现技术进行了深入的探讨。这些技术包括如 何选择合适的参数、如何处理系统的不确定性和干扰等。这些技术是实现自抗扰 控制的难点，也是决定自抗扰控制性能的关键。通过深入了解这些技术，我们可 以更好地优化自抗扰控制系统的性能。
阅读感受
这本书还提供了自抗扰控制的典型应用案例。这些案例包括无人机控制、机 器人控制等，展示了自抗扰控制在不同领域的应用效果。通过这些案例，我们可 以看到自抗扰控制技术的广泛应用前景，也可以为我们提供应用自抗扰控制的灵 感和参考。
通过阅读《自抗扰控制入门》这本书，读者可以全面了解自抗扰控制技术的核心思想和实现方法， 掌握ESO算法的设计和应用技巧，学会将自抗扰控制应用于解决实际工程问题。无论是对控制理 论感兴趣的学者，还是从事控制系统设计的工程师，都能从这本书中获得宝贵的启示和帮助。
精彩摘录
精彩摘录
《自抗扰控制入门》是一本深入浅出地介绍自抗扰控制技术的书籍。在这本 书中，作者不仅详细阐述了自抗扰控制的基本原理，还通过丰富的实例和实际应 用展示了自抗扰控制在解决复杂控制系统问题中的优势。以下是从书中摘录的一 些精彩内容，这些内容对于理解自抗扰控制的核心思想和实际应用具有重要的参 考价值。