本发明专利技术涉及三参数最速自抗扰控制器装置及自抗扰控制方法。本发明专利技术中提出的控制器包括：根据控制的目标和对象承受能力储存几种过渡过程模式的过渡过程模式记忆装置；根据对象的输入、输出信号估计出对象运动状态和作用于对象的所有扰动的实时作用量总和的扩张状态观测器装置；以误差信号为输入按最速控制律产生出误差反馈控制量的误差反馈装置；对反馈控制信号补偿扩张状态观测器给出的扰动总和作用量的估计值产生最终控制信号的动态补偿装置，其中扩张状态观测器装置中的参数是由采样步长ｈ按一定方式给定的，不必在现场进行调试，现场可调的三个参数分别是误差反馈装置中包含的两个参数ｈ↓［１］和ｃ和动态补偿装置中所含的参数补偿因子ｂ↓［０］。
Three parameter steepest disturbance rejection controller and ADRC
The invention relates to a three parameter steepest disturbance rejection controller and an active disturbance rejection control method. The controller of the present invention includes: according to the transition process model and object control target memory capacity of several transition mode storage device; according to the object of the input and output signal and estimate the effect of the object motion state to the object such as the sum of all real-time disturbance of the extended state observer to the error signal as the input device; according to the the speed control law to produce error feedback error control feedback device; dynamic compensation device of the final control signal feedback on disturbance estimation quantity control signal compensation sum function expansion given observer parameter values, the extended state observer in the device is composed of sampling step h in a certain way given, without debugging at the scene, the scene three adjustable parameters are the error feedback device contains two parameters of H: 1 By containing and C and dynamic compensation device parameter compensation factor B down 0.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
目前，过程控制中用的绝大多数控制器是40年代形成的PID(Proportional-Integral-Derivative)调节器及其变种。进入60年代，以被控对象数学模型为基础的现代控制理论得到了很大发展。但是，大量实际被控对象给不出合适的数学模型，现代控制理论成果很难用于实际控制工程中。于是80年代开始出现了各种形式的“先进控制”方法，但这些先进控制方法都没有摆脱数学模型的束博，都要采用“对象建摸”、“系统辨识”、“自适应”等复杂手续，使控制算法复杂，且不能满意地解决鲁棒性问题，其应用受到很大限制。控制理论和模拟技术的萌芽时期产生的PID调节器技术，在大量实际控制工程中出色地完成了各种控制任务，从而PID调节器成为一种“几乎完美”的控制技术。然而，科学技术的进一步发展，使控制目标多样化，控制精度和速度的要求越来越高，原始的PID调节器不能完全适应这个新变化。人们怀疑PID调节器“不行”，认为PID调节理论对对象的数学描述不精确是它的很大缺点，要建立新的对象描述方法来探讨新的控制机理。于是从60年代开始，以对象的精确数学模型(状态空间模型)为基础的现代控制理论得到了很大发展。然而这个新理论没能给出实用控制器的设计方法，其研究成果在工程实践中难于得到应用。于是80年代末开始，又出现了“重新认识PID调节器”的新思潮。寻求实用而高效的控制方法是控制理论界和控制工程界追求了半个多世纪而尚未得到解决的基本问题。为了寻求实用而高效的控制方法，本专利申请人深入研究了PID调节器技术和现代控制理论各自的优缺点。PID调节器在过程控制中能够得到大量应用的根本原因，是它不是靠对象数学模型来确定控制策略，而是靠“控制目标与被控对象实际行为之间的误差”来确定消除此误差的控制策略，而这个误差信号是容易被检测利用，其控制机理完全独立于对象机理的数学模型。然而，它生成控制量的方法，由于受当时的认识水平和技术条件的限制，比较简单“目标和行为之间误差ε”的过去(I)、现在(P)及变化趋势(D)的“加权和”形式，是直接去处理“目标和实际行为之间误差ε”来得到控制量的。PID调节器的局限性就是由这种“目标信号”和“实际行为信号”的“简单处理”所导致的。简单地说“不靠模型”是PID调节技术的最大优点，是其“精髓”，而误差信号的“处理简单”是其缺点。现代控制理论虽然对系统分析(即对控制系统基本机制的认识)作出了很大贡献，但是由于大量的工程对象给不出合适的数学模型，它提出的控制方法很难得到实际应用。简单地说“靠模型”是其优点，也是无法实用的最大“缺点”。发扬PID调节技术“不靠模型”的长处并吸取现代控制理论对系统的认识和现代的数字信号处理技术来改进其“简单处理”办法，那么我们能够构造出比PID调节器更好的新型实用数字控制器。经典PID技术有如下四个方面需要改进1.控制目标可以跳变，但是作为动态环节的输出-对象的实际行为只能缓变，要求“缓变的行为”来跟踪“突变的目标”是不合理的；2.缺乏获取误差微分信号的合适办法；3.误差信号ε的“过去”( 即I)、“现在”(P)及“变化趋势”(D)的“加权和”不一定是最好的组合形式；4.误差的积分反馈I的引入，对消除常值外扰影响有很好的作用，但有许多副作用；对此，本专利申请者，专利技术了能解决PID调节器的这四个弱点的新的控制技术1.专利技术了根据设定值和对象的能力，先安排合适的目标“过渡过程”，并以这个安排的过渡过程及其微分作为控制目标及其微分信号的技术；2.专利技术了能够合理提取微分信号的非线性动态环节-“非线性跟踪微分器”(Tracking-Differentiator-TD)技术。此技术的详细说明请参考以下文献A及参考文献；文献AHan Jing-Qing.Nonlinear Design Methods for ControlSystems.IFAC World Congress 1999，Beijing，P.R.China，C-2a-15-4，521-526，(5th-9th July 1999). (注IFACThe International Federation of Automatic Control)3.专利技术了采用安排的过渡过程与系统实际行为之间误差的适当非线性组合策略来形成控制量的技术；此技术的详细说明请参考文献；4.专利技术了由对象的输入-输出信号能够估计对象状态和不确定扰动总和作用的非线性动态环节-“扩张状态观测器”(ExtendedState Observer-ESO)，用于估计对象状态和未知扰动实时总和作用量(参考文献)。这个“扩张状态观测器”是独立于对象的具体数学模型；此技术的详细说明请参考上述文献A，下述文献B及参考文献。文献Bバグスマハワン，罗正华，韩京清(本申请专利的专利技术者)，中嶋新一“扩张状态オブザバによるロボツトの高速高精度运动制御”，日本ロボツト学会誌，Vol.18，No.2，pp.244-251，2000。本专利申请者，以以上四个方面的技术为基础，专利技术了新型的非线性PID控制器。此控制器，首先，用一个“跟踪微分器”来安排合适的目标过渡过程并抽取其微分信号；其次，用另一个“跟踪微分器”来跟踪被控对象的实际行为并抽出其微分信号；接着，算出第一个“跟踪微分器”安排的目标过渡过程与第二个“跟踪微分器”跟踪对象的实际行为之间的误差和这个误差的积分，以及上述目标过渡过程的微分信号和实际行为微分信号之间的误差；然后用误差、误差积分、误差微分的非线性组合来生成控制被控对象的控制量。对此技术的详细说明请参考前记文献A的Fig.1及参考文献。这种新型非线性PID控制器与经典PID调节器相比，其控制效果极好，无需量测外扰而能消除其影响，参数调整也很容易。另外，本专利申请者，为了强化控制器对不确定因素作用的适应能力和未知外扰作用的抑制能力，根据状态观测器思想和非线性反馈的特殊效应，开发出基于被控对象输入信号和输出信号能够很好地估计被控对象状态变量和对系统的不确定因素和外扰的总和作用的“扩张状态观测器”，并利用它来专利技术了“自抗扰控制器”(Auto-Disturbances-Rejection ControllerADRC)。因为“扩张状态观测器”能够估计不确定扰动的实时作用量，在“自抗扰控制器”(ADRC)中，不象PID调节器所必需的“误差积分反馈”就没有必要了。此技术的详细说明请参考上述文献A的4.2节Fig.2及参考文献，。“自抗扰控制器”(ADRC)是由如下四部分组成第一部分是用一个跟踪微分器(TD)来安排目标过渡过程并提取其微分信号；第二部分是用扩张状态观测器(ESO)来估计对象的状态变量和未知扰动的实时作用量；第三部分是用安排的目标过渡过程与扩张状态观测器给出的对象状态估计值之间误差的“适当非线性组合”来决定误差反馈律；第四部分是用扩张状态观测器给出的未知扰动作用量的估计来对误差反馈律进行扰动的动态补偿，最后给出控制被控对象的控制信号。ADRC的上述四部分中的前三部分都用到了“合适的非线性特性”。这对数字式控制器来说不是障碍，因为数字控制器只认得算法程序，不能区分“线性”与“非线性”。ADRC完全适应了数字控制器时代的要求，可以弥补常规PID的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种自抗扰控制器，其中包括：根据控制的目标和对象承受能力储存几种过渡过程模式的过渡过程模式记忆装置，在该记忆装置中存放了根据目标设定值和过渡过程时间来决定的几组过渡过程模式及其微分模式；根据对象的输入输出信号估计出对象运动状态和作用于对象的所有扰动的实时作用量总和的扩张状态观测器装置，针对输入对象的输入、输出信号，所述扩张状态观测器装置将给出对象运动的状态的估计值和作用于对象的所有扰动量总和的估计值；从安排上述过渡过程模式记忆装置中取出一组过渡过程模式及其微分模式，与上述扩张状态观测器装置给出的对象位置信号估计值及其微分信号的估计值之间分别取误差，以这两个误差信号为输入按最速形式反馈控制律产生出误差反馈控制量的误差反馈装置；对上述误差反馈装置给出的反馈控制信号补偿上述扩张状态观测器给出的扰动总和作用量的估计值来产生最终控制信号的动态补偿装置，所述扩张状态观测器装置中的参数是由采样步长ｈ来确定的，现场可调的三个参数分别是上述误差反馈装置中包含的决定闭环响应快慢的参数快速因子ｈ↓［１］、抑制超调使响应缓变的阻尼因子ｃ和上述动态补偿装置中所含的代表扰动补偿能力的参数补偿因子ｂ↓［０］。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韩京清，
申请(专利权)人：韩京清，韩学锋，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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