自抗扰控制理论(一)ADRC的原理

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自抗扰控制理论(一)ADRC的原理

Chenglin Li

Chenglin Li

厦门大学 飞行器设计硕士在读

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Chenglin Li:自抗扰控制理论(七)自抗扰设计流程

Chenglin Li:自抗扰控制理论(八)扩张状态观测器跟踪误差分析

1 ADRC控制原理[1]

1.1 跟踪微分器(TD)

(1)目的
事先安排过渡过程,提取含有随机噪声的输入信号及其微分信号;
解决PID超调性、快速性之间的矛盾;

(2)数学表达形式

自抗扰控制理论(一)ADRC的原理_第1张图片

(3)TD结构图

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(4)TD滤波功能展示

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1.2 扩张状态观测器(ESO)

(1)功能
估计系统内外扰动的实时作用值,并在反馈中给予补偿,用补偿的方法消除扰动的影响,从而具有抗干扰的作用。

(2)ESO的一般设计流程

  • n阶单输入单输出系统

  • 写成状态空间的形式

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  • 抽象形式

  • 将总扰动扩展为新的状态变量

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  • 构建线性扩张状态观测器

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(3)ESO结构图

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二阶系统的ESO

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n阶系统的ESO

1.3 误差补偿控制器

(1)功能
扰动抑制和消减:根据TD得出的给定信号和信号的微分,与ESO观测到的系统输出、输出导数的误差,进而进行控制和扰动补偿。

(2)数学表达式

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1.4 ADRC整体模拟框图

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2 线性自抗扰控制(LADRC)原理[2]

不考虑滤波功能的跟踪微分器TD,重新配置ESO和控制器的极点,则可以得到LADRC。

(1)设计LESO

考虑单输入单输出的二阶系统

其中f是系统总扰动,u是控制量,y是被控输出,x是状态变量,b是控制器增益。假设f可微,将其扩展为一个新的状态量,可得

自抗扰控制理论(一)ADRC的原理_第12张图片

其中 。由Luenberger提出的状态观测器理论,解决了在确定性条件下受控系统的状态重构问题,LESO方程如下

对LESO方程拉氏变换可得

LESO对应的特征方程

观测器特征方程也可以直接从矩阵 推出。将观测器的3个极点统一配置到s平面左半实轴 处

从而可以确定观测器增益

(2)设计控制器

在ESO估计出扰动并补偿后,控制器本质上是一个PD控制器。

v是设定被跟踪的信号值,e是跟踪误差, 是虚拟控制量, 是控制器增益。

根据上式计算控制器 传递函数

特征方程如下

将控制器的两个极点配置到s平面左半实轴 处,从而可以确定控制器增益

得到控制器增益为

上述过程即为LADRC的设计流程。

3 ESO跟踪误差分析

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4 ADRC跟踪性能分析

自抗扰控制理论(一)ADRC的原理_第15张图片

 

——2020.04.01——

参考

  1. ^韩京清.自抗扰控制技术——估计补偿不确定因素的控制技术[M].国防工业出版社:北京,2008:1-end.
  2. ^朱斌.自抗扰控制入门[M].北京航空航天大学出版社:北京,2017:36-42.

编辑于 07-12

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