[发明专利]一种基于PID控制器整定降阶自抗扰控制器参数的方法

说明书

本发明提供了一种基于PID控制器整定降阶自抗扰控制器参数的方法，方法采用二阶RADRC控制结构，针对理想PID控制器参数，采用RADRC的反馈控制器传递函数来逼近理想PID参数，根据两者具有相同的零点，保证了二者具有相似的抗扰及鲁棒性能，从而得到以带宽形式整定的二阶RADRC参数。本发明以二阶RADRC的等效复合结构出发，在频域内进行分析设计，从而更为工程设计人员所接受；本发明以带宽为基础的二阶RADRC的参数整定方法，简单直观。采用本发明整定的RADRC控制器可以获得较好的控制性能，鲁棒度高，抗干扰性较好，且便于根据对象实际运行状态及控制性能的要求进行调整，模型的适应能力强，可操作性好。

技术领域

本发明属于控制理论与应用领域，具体涉及一种降阶自抗扰控制的设计方法。

背景技术

自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，简称ADRC)是中科院系统所韩京清研究员在深入剖析经典PID控制工作原理的基础上，吸收并发扬了经典PID控制按误差进行调节的精髓，运用特殊非线性作用，提出的一种新型控制技术。自抗扰控制的核心思想是将系统内部的不确定性(定常或时变，线性或非线性)和外部不确定性(外部扰动)一起作为“总扰动”，通过构造扩张状态观测器对“总扰动”进行估计并实时补偿，从而获得较强的抗扰动能力。该方法不需要直接测量外扰，也不需要事先知道扰动作用规律，在了解了被控对象的相对阶次、输入输出通道个数、信号延迟时间等易获得且物理量清晰的特征量的基础上，就能够进行相关的控制器设计。ADRC具有控制超调小、响应速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。但该方案结构还显得较为复杂，并且需要整定的参数较多，理论证明也较为困难，因此在实际应用中受到限制。

为了解决上述问题，高志强教授等提出了ADRC的“线性”版本(线性自抗扰控制，LADRC)，利用所估计的误差及其各阶导数进行线性状态反馈，并且把ESO的设计和状态反馈的设计转化为观测器带宽和控制器带宽两个参数的选取，大大简化了ADRC的结构及参数整定，使得ADRC的实际应用成为可能。由此也衍生出了一些整定LADRC参数的方法。如：李东海等人提出一种利用闭环系统时域响应调整时间进行参数整定的方法；袁东等人从频域分析方法入手,基于线性自抗扰控制器的闭环传递函数和频带特性曲线,系统地分析了扩张状态观测器的跟踪估计能力和自抗扰控制器的稳定性、对外部扰动的抑制能力、对控制输入增益不确定性和模型参数不确定性的鲁棒性及其噪声传递特性,探讨了系统动态特性与控制参数的关系；在此基础上提出了控制参数的工程配置方法；薛文超等人提出了具有自适应ESO的ADRC调整方法；谭文等人分析得到了LADRC与IMC之间等价关系，同时提出了加入模型已知信息的参数整定方法。但如何获得LADRC的最初的参数仍然是一个难题，傅彩芬等人提出一种利用高阶控制器通过频域近似得到LADRC参数的整定方法；赵春哲等人提出了一种将现有PID参数转化为LADRC参数的方法，其方法直接考虑理想PID，所整定的LADRC观测器参数存在一个可调参数β₁。但是以上两种方法如果需要在线调整线性自抗扰控制器的参数时，不像常规带宽整定方法那么直观简便。1964年Davi G首次提出降阶观测器，降阶观测器的原理是对象的一些输出是已知的不需要估计，只需要对其他信息进行估计即可。TianG研究了带降阶的自抗扰控制器的频域特性。针对ESO相位滞后较大的不足提出使用降阶扩张状态观测器(Reduced Extend State Observer,RESO)的LADRC，记为RADRC。实际工业控制中大都采用PID控制器，因此目前RADRC还缺乏一种带宽形式的基于PID控制的参数整定方法。

发明内容

为了解决的上述问题，本发明的目的是提供一种整定方法，简单直观，可以获得较好的控制性能，鲁棒度高，抗干扰性较好，且便于根据对象实际运行状态及控制性能的要求进行调整，模型的适应能力强，可操作性好的基于PID控制器整定降阶自抗扰控制器参数的方法