自抗扰控制器解析：非线性PID与异常值处理

"该文主要讨论了自抗扰控制技术（ADRC）中的数据预处理，特别是剔除异常值和平滑处理在自抗扰控制器中的应用。文章着重介绍了经典PID控制器的缺陷，并阐述了非线性PID控制器如何通过安排过度过程、跟踪微分器以及非线性误差反馈控制来改善性能。同时提到了自抗扰控制器的设计，包括扩张状态观测器和扰动补偿机制，以增强系统的扰动估计和补偿能力。" 在自动化控制领域，PID（比例-积分-微分）控制器是最常用的控制策略之一。然而，经典PID控制器存在一些局限性，如无法有效应对系统内部扰动和外部扰动，且参数调整依赖于特定对象的特性。这限制了其适应性和稳定性。为了解决这些问题，自抗扰控制技术应运而生。 自抗扰控制（ADRC）是一种先进的控制策略，它通过实时估计和补偿系统中的“总和扰动”来提高系统的鲁棒性。经典PID控制器的输出表达式为u(t)=kp*e(t)+ki*∫e(τ)dτ τ=0+kd*de(t)/dt，其中kp、ki和kd分别为比例、积分和微分增益，而e(t)是误差信号。尽管PID控制器可以通过调整这些参数来适应不同对象，但过大或过小的参数值可能导致系统不稳定或稳态误差。 非线性PID控制器则在经典PID的基础上进行改进，例如通过安排过度过程，使得控制响应更加平滑。此外，使用跟踪微分器来提取被控输出的微分信号，有助于减少系统的超调和提高响应速度。非线性组合的P、I、D项可以根据误差状态信息产生更精确的控制量，从而提高控制效果。 在自抗扰控制器中，扩张状态观测器用于获取系统状态信息和扰动总和信息，这有助于控制器更好地理解系统动态。然后，利用误差状态信息生成非线性误差反馈控制量，进一步根据扰动估计值进行补偿，生成最终的控制输出。这种方式增强了系统的扰动估计和补偿能力，使得控制器能够适应更广泛的系统变化。 为了评估PID控制器的性能，通常关注以下指标：过渡时间（T），即系统输出达到设定值95%精度所需的时间；超调量（δ%），表示系统输出超出设定值的最大百分比；以及系统的动态品质，如无阻尼振荡频率（ωn）和阻尼系数（ζ）。优化这些指标可以帮助设计出更加稳定和快速响应的控制系统。 自抗扰控制技术通过改进PID控制器，结合剔除异常值和平滑处理的数据预处理方法，提高了控制系统在面对复杂扰动时的性能。这一技术对于提高工业自动化、航空航天、电力系统等领域的控制精度和鲁棒性具有重要意义。