从PID技术到自抗扰控制技术_韩京清(Word文档)

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1、------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxx从PID技术到自抗扰控制技术_韩京清(Word文档)【精品文档】从PID技术到“自抗扰控制”技术韩京清(中国科学院数学与系统科学研究院系统科学所，北京100080)摘要:从传统PID的原理出发，分析了它的优缺点。利用非线性机制来开发了一些具有特殊功能的环节:跟踪微分器CTD)，扩张状态观测器(ESO)，非线性PID(NPID)等，并以此组合出高品质的新型控制器一自抗扰控制器(

2、ADRC)，从而形成了新的“自抗扰控制”技术。新型的控制器具有算法简单、参数易于调N的特点。关键词:PID;非线性反馈;自抗扰控制中图分类号:TP13文献标识码:A1引言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。据最新的文献[1]显示，在纸浆和造纸工业中，PI控制器的应用甚至超过了98%。由此可见，不管现代控制理论给出的控制方法在理论上是多么的完美而漂亮，可是仍然难以在现代的工业控制中找到白己的立足之处。这说明时至今日，控制理论和工程实际相脱离的鸿沟不但没有弥合的迹象，

3、反而有了加剧的趋势。面对这种尴尬的局面，我们不得不重新认识PID控制技术，探索其机理，发扬其优势，克服其缺点，进而寻找更好的控制技术。本文的出发点就在于此。2传统PID的结构及优、缺点传统PID的结构如图1所示。【精品文档】【精品文档】图1传统PID的结构工业过程控制的PID控制原理是基于误差来生成消除误差的控制策略:用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。PID在实际中大量应用，但不易满足高性能要求，于是想靠对象模型来寻求更好的控制方法，但靠模型的路了恰恰把PID的最大优点丢掉了PID的优点:靠控制目标与实际行为之问的误差来确定消除此误差的控制策略。PID

4、的缺点:①误差的取法;②由误差e提取deldt的办法;③“加权和”策略不一定最好;①积分反馈有许多副作用。我们的思路是探讨更好的控制策略，这种策略的宗旨是保留PID的优点，克服其缺点。我们的工具是利用特殊非线性效应来开发具有特殊功能的环节，并以此来组合出高品质控制器。克服PID“缺点”的具体办法是:①安排合适的“过渡过程”;②合理提取“微分”一“跟踪微分器”(TrackingDifferentiator,TD);③探讨合适的组合方法一“非线性组合”(NF);①探讨“扰动估计”办法一韦、一张状态观测器”(ExtendedStateObserver,ESO)。下面，我

5、们以二阶对象控制为例来讨论保留PID的优点，克服其缺点的办法。3合理提取微分的方法一“跟踪微分器”(TD)经典微分器的形式为:【精品文档】【精品文档】式中，、分别是系统的输入、输出信号，是系统的传递函数。当对信号叠加随机噪声n(t)时:越小时，系统输出的“噪声放大”就越严重。若用近似微分公式z则有可以降低“噪声放大”的效应。这里，“微分”信号是用“尽快地跟踪输入号的办法得到的。那么能否用“最快地跟踪”办法得到微分信号呢?2)跟踪一微分器的一般理论：设二阶系统为:【精品文档】【精品文档】上式的“快速最优控制”综合系统为:把(t)改为(t)一v(t)，得式中，是在限制

6、r下，最快地跟踪输入信号V(t)。充分接近V(t)时，有(t)可做V(t}的近似微分。定理设二阶系统为:若二阶系统式(2)稳定，那么对有界可测v(t),tT>0，有系统)且系统式((3)的解f(xi一v(t)，x2/r)x}(:，t)满足式中，x1(r,t)跟踪v(t),x2(r,t)收敛于“广义函数”v(t)的“广义导数”。系统式(3)称做系统式(2)派生的“跟踪微分器”。系统式(1)称做“快速跟踪微分器”。3)“快速跟踪微分器”的离散形式用跟踪微分器式(1)来进行数值计算，进入稳态’，时易产生“高频颤振”，把sgn(x)改成sat(x,d)也不能使之避免。为此

7、，我们给出“跟【精品文档】【精品文档】踪微分器”的离散形式。设离散系统为:直接对上式求“快速控制最优综合函数”，得式中，h为积分步长。有离散系统为：系统式((4)是很好的数值微分器，称做“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ho，得系统式(5)有两个可调参数:，r,ho:决定跟踪速度，称做“速度因了”;h。起对噪声的滤波作用，称做“滤波因了”。注1:函数fst(,,:，ho)在控制和信号理中的作用非常广泛。4安排过渡过程在一般的控制系统中，误差直接取成:e=v-y【精品文档】【精品文档】式中，v为设定值,y为系统输出。误差的

8、这种取法使