自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状

自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状牛里1自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024内容导航自抗扰控制器原理的起源及背景总结及未来发展趋势自抗扰控制器国内外研究现状自抗扰控制器的结构及实现2自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器原理的起源及背景传说指南车发明于公元前2634年，而有记录的是在公元235年。3自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器原理的起源及背景1995年韩京清提出了特殊的ESO来观测外部扰动和系统内部误差扰动。当观测出系统的总体扰动后，就可以采用韩京清提出的ADRC算法来消除扰动的干扰。韩京清教授的自抗扰控制演变过程4自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024内容导航自抗扰控制器原理的起源及背景总结及未来发展趋势自抗扰控制器国内外研究现状自抗扰控制器的结构及实现5自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器国内外研究现状ADRC具有自抗扰能力，对模型参数误差不敏感等优点，但算法复杂，且可调节参数很多，这对ADRC的应用造成很大的障碍。高志强教授在2003年提出了简化、归一化参数的ADRC设计思想《Scalingandbandwidth-parameterizationbasedcontrollertuning》，为ADRC的工程应用提供了设计思路。其后，在此基础上逐步形成了线性ADRC控制算法，并将其应用于多种工业领域中。1.Onstabilityanalysisofactivedisturbancerejectioncontrolfornonlineartime-varyingplantswithunknowndynamics2.Astabilitystudyoftheactivedisturbancerejectioncontrolproblembyasingularperturbationapproach3.Apracticalapproachtodisturbancedecouplingcontrol[J].ControlEngineeringPractice4.ComparisonoftheDOBbasedcontrol,aspecialkindofPIDcontrolandADRC5.TheactivedisturbancerejectioncontrolforaclassofMIMOblocklower-triangularsystem6自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器国内外研究现状状态观测器的发展历程传统状态观测器结构当前时刻离散状态观测器结构

(currentdiscreteESO)7自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用

目前ADRC的应用领域广泛。包括纸幅张力控制，硬盘驱动控制，DC-DC变换器。它也可以解决执行机构的非线性问题，如压电陶瓷执行器的滞环问题。基于ADRC算法，一些多输入多输出系统可以获得解耦控制，如微型机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，和连续搅拌槽式反应器(continuousstirredtankreactor)。ADRC的应用不只局限于控制领域，他也可以用来执行健康监视和故障诊断等任务。

在伺服领域，ADRC的应用文章大多为位置控制，且采用的控制对象模型如下：8自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用

在传统运动控制领域，文献《Onmotioncontroldesignandtuningtechniques》、《Motioncontroldesignoptimization:Problemandsolutions》对比了ADRC与传统PID等控制算法，并给出了设计和调节思路。在一个直流电机模型中对各个控制算法进行了比较，其结论如下：设计和调节参数对比PIDPID+超前滞后PID+前馈回路成型

loopshapingADRC模型独立是否是否是设计参数NullKn,ωnNullKn,ωn,m,n,ω1,ωb0,ω0调节参数Kp,Ki,KdKp,Ki,Kd,ω1,ω2,…Kpv,Kiv,Kdv,Kpv,Kiv,Kdvωcωc不同控制器的设计调节方式对比9自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用工业界合作伙伴项目名称起始时间结束时间Invacare智能控制在医疗电子中的应用Jun-95Apr-96Nordson模糊控制在工业应用温度控制中的应用Jun-95Jun-96AlliedSignalADS系统中新型控制算法的开发Jan.96Sept.96Eveready模糊控制算法在高速增量运动控制中的应用Jun-96Mar-97Eveready/CAMP高速运动控制系统中优化电机尺寸的设计Jun-96Jun-97BlackandDecker/CAMP在线噪音/振动分析Jun-96Dec.97第一阶段BlackandDecker/CAMP在线噪音/振动分析Jun-97Dec.98第二阶段AlliedSignal闭环货车ABS

第一阶段Dec.97May-98AlliedSignal闭环货车ABS

第二阶段Jun-98Oct.98Invacare医疗器械中的智能控制Jun-98Dec.98Eveready/LogiSync/CAMP制造过程自动化应用中的伺服CAD组件的开发Jul-98Mar-00NASA数字控制技术在空间电源系统中应用的可行性研究May-99May-99NASA电源管理和分配系统的数字控制技术开发May-99Dec.2001NASADSP硬件和软件的开发Jul-00Dec.2001NASA电源管理和分配系统的高级数字控制解决方案Jan.2002Dec.2004与高志强教授课题组早期合作过的工业公司列表10自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用

下图为韩京清教授于1997年访美后(ClevelandStateUniversity,GaoZhiqiang)，ADRC算法在美国的商业化历程11自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用TIInstaSPIN-Motion

InstaSPIN-motion可以拓展运动限制范围，减少系统调节过程。InstaSPIN-motion是一个广义的转矩、速度、运动控制软件解决方案，他可以在诸多运动过程中实现鲁棒、高效的电机控制。InstaSPIN-motion的独特设计可以优化复杂的运动序列，减少可调节参数(单参数调节)。它同样包含了最新，最优化的无传感器电机控制。InstaSPIN™-MOTION特点和优点:

解决了传统电机系统的运动控制难题：InstaSPIN™-MOTION去除了低效的轨迹设计技术。如，一些技术需要预先设定电机的运动轨迹为十分简单的且不可变的轨迹，需要手写编程且计算量大的轨迹。同样的，一些技术为了在不同场合实现理想的电机控制性能，需要多次设定大量系统参数，PI调节器也需要一定时间来进行调节。

InstaSPIN-MOTION'sSpinTAC™组件包括

辨识：确保系统具有最优的跟踪和抗扰性能，使系统实时获得真实的惯量信息。

控制：采用单参数调节，减小系统的复杂性和调试难度。快速的测试和调节速度控制速度控制(可根据速度环的硬度来设定)。对于一个具体的应用案例，可以设定一个典型参数在全速度范围和负载范围内有效。实时主动地估计和消除系统扰动，提供最优的系统性能能。

运动：根据实际系统对加速度、颠簸情况和运动轨迹形式的限制，以及系统的其实速度和目标速度，可自动产生最优的运动轨迹。

规划：快速构造不同的运动状态(从速度A到速度B)，并根据状态逻辑使他们相互配合。采用新的软件库MotorWare使得快速开发和评估成为可能。12自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用InstaSPIN(TM)-MOTION位置控制结构示意图下图为SpinTAC结合InstaSPIN-Motion技术的结构框图。13自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用SpinTAC在洗衣机中的应用LineStream公司将传统的速度和电流PID控制器替换为SpinTAC来控制洗衣机的速度环和电流环。在储水式洗衣机和滚筒洗衣机全负载应用条件下，LineStream采用TI开发套件来直接连接电机，并比较SpinTAC和传统PID控制器的控制性能。测试结果如下：1.节省25%洗涤时间：在测试中，通过滚筒在两个方向的转动来测量洗涤过程。生产商要求滚动需要在一个方向转动110°，并立即向相反方向转动110°。对于相同的洗涤两，采用SpinTAC可以减少25%的时间。此外，两种控制器均具有相同的约束条件，如逆变器温度和电流最大值。2.节省15%的能源：通过更准确的跟踪运动规划轨迹以及更快速地扰动抑制能力，SpinTAC控制系统可以节约15%的电能。3.精确控制：SpinTAC能够实现高速旋转(1200rpm)且保持最小的超调量，而传统PID控制器的超调则十分明显。4.快速简单的调节：因为是单参数调节，SpinTAC控制器只需要很短的调节时间。且该参数可以用户实时调节，而不需要测试系统的性能和稳定性。14自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用工业伺服驱动器测试-----北美财富100强企业，2009年

测试方法是在原有平台中将ADRC算法替换掉PID算法。工程师花费45分钟来调节PID参数，相反的他花费2分钟来调节ADRC参数。具体对比波形如下：位置误差对比，减小81%15自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用工业伺服驱动器测试-----北美财富100强企业，2009年颠簸程度(Jerk)对比，减小71%能源消耗对比，减小41%16自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024ADRC的应用工业挤压机测试-----Parker公司工业挤压机能耗对比，减小58%17自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024内容导航自抗扰控制器原理的起源及背景总结及未来发展趋势自抗扰控制器国内外研究现状自抗扰控制器的结构及实现18自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现韩京清先生的自抗扰控制器结构图如下

从图中可以看出，自抗扰控制器由三部分组成，分别是安排过渡过程TD、扩张状态观测器ESO和非线性PID。19自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现

安排过渡过程是通过对输入信号V的处理，得到一个较缓慢的跟踪信号V1来追踪输入信号，同时生成输入信号的微分V2来跟踪输入信号的微分。其原理为一个简单的微分观测器，则安排过渡过程的离散化算法为：安排过渡过程TD中间变量为20自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现安排过渡过程TD----仿真波形给定V1V2给定V1V221自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现扩张状态观测器ESOADRC中的扩张状态观测器与前面提到的安排过渡过程TD类似，都是对一个变量进行运算，求得其跟踪值和其微分的跟踪值。但ESO可以是高阶的状态观测(如n阶)，且他可以生成一个n+1阶的状态变量观测，其中xn+1即为对控制对象中的扰动和误差的估计。但为了是控制器结构保持一致，一般而言，无论被控对象的阶数多少，ESO的阶数均为3阶，即z3表示系统的扰动量的估计值。控制对象ESO22自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现扩张状态观测器ESO----仿真波形观测系统反馈量观测反馈量微分观测扰动量观测系统反馈量观测反馈量微分观测扰动量23自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现非线性PID(N-PID)

非线性PID，即是根据前面得到的V1、V2和z1、z2、z3对被控对象的控制量进行调节的过程。其离散控制算法如下：其中

对于自抗扰控制器而言，非线性PID的选择范围很大，并不局限于上式。甚至可以取线性的PID控制策略等。24自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的实现目标：将速度环PID控制器替换为ADRC控制器1.控制器形式及参数设计2.ESO参数设计3.轨迹规划(可选)25自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的实现—控制器参数设计电机运动方程忽略扰动f一阶积分系统闭环系统目标传函：控制器形式26自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的实现—观测器设计其中观测误差系数矩阵观测器稳定<->特征值小于零27自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比仿真电机参数：L=3.5e-3;R=1.6;Pn=4;Uf=0.094295;J=2.45e-4仿真控制器参数：wc=450，wo=4500，b0=Kt/J28自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比速度电磁转矩29自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—突加负载1Nm速度电磁转矩30自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—5x惯量速度电磁转矩31自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—突加负载1Nm速度电磁转矩32自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比

根据韩京清给出的原始非线性ESO设计方法，将线性ESO替换为非线性ESO，其中，非线性ESO控制参数为：β1=1e4；β2=1e7；α=0.25；δ=1e-4。非线性ESO的参数根据线性ESO参数调节，但不完全相同，其中线性ESO中β1=0.9e4；β2=2e7。33自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比参数准确时，非线性ESO仿真波形34自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比参数准确时，非线性ESO仿真波形35自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比参数准确时，非线性ESO仿真波形36自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比J=5J0时，线性ESO、非线性ESO仿真波形37自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比J=5J0时，线性ESO、非线性ESO仿真波形38自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比J=5J0时，线性ESO、非线性ESO仿真波形39自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比J=10J0时，线性ESO、非线性ESO仿真波形40自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性ESO对比J=10J0时，线性ESO、非线性ESO仿真波形41自抗扰控制器ADRC背景分析及发展应用现状5/9/2024自抗扰控制器的结构及实现速度环ADRC的仿真对比—非线性