自抗扰控制(Adaptive Disturbance Rejection Control,ADRC)是一种先进的控制策略,旨在解决传统PID控制中的一些局限性,如直接使用误差(e)作为控制信号可能导致的不稳定性和超调问题。该方法的核心思想是通过分离性原理、带宽调参和时间尺度调参等参数整定方法来改善系统的性能。
1. ADRC的产生:
- PID控制存在的缺陷包括原始误差定义不合理、微分信号难以精确处理、线性组合不一定是最优策略以及积分项可能带来的负作用,如控制迟钝、易引发振荡和控制量饱和。这些缺陷促使人们开发出更为智能的控制方法,即ADRC,它通过引入非线性反馈和自适应机制来克服这些问题。
2. ADRC的结构:
- 自抗扰控制框图展示了ADRC的基本组成,通常包括扩张状态观测器、跟踪微分器和非线性控制器等部分。扩张状态观测器能够估计并补偿外部扰动,使得控制器能更专注于系统的内部动态,而非外部影响。
3. 参数整定方法:
- ADRC的参数整定不再局限于传统的PID参数调整,而是采用分离性原理,通过调整不同时间尺度的滤波器来优化系统的响应速度和稳定性。例如,带宽调参通过调整滤波器的截止频率来改变对快速变化信号的响应,而时间尺度调参则涉及调整观察器和控制器的时间常数,以适应不同的系统特性。
4. 安排过渡过程:
- 调整过渡过程是为了确保在初始阶段控制系统的响应不会过大,避免产生超调。通过设计合理的跟踪微分器,ADRC能够在系统参数变化或扰动出现时,平滑地安排过渡过程,确保控制性能的稳定性和准确性。
5. 应用示例:
- 实际应用中,通过对比不同的参数设置(如不同比例系数a1和a2),可以看到不同参数组合下,ADRC控制下的系统输出响应,比如在不同的对象参数条件下,r值的变化会影响过渡过程的超调情况,而ADRC可以有效地抑制这些影响。
自抗扰控制通过对传统PID控制的改进,提供了一种更具鲁棒性和适应性的控制方案,特别适合于存在不确定性和外部干扰的复杂系统。通过合理的参数整定和过渡过程设计,ADRC能够在保证控制精度的同时,有效降低系统对参数变化的敏感度,从而提高整体控制性能。