博文

输出和误差形式的自抗扰控制: 联系, 等效性与性能

已有 476 次阅读 2025-5-15 08:35 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

优秀论文推荐 （评选范围：2022-2023年）

ADRC in output and error form: connection, equivalence, performance

输出和误差形式的自抗扰控制: 联系, 等效性与性能

作者：Rafal Madonski 1, Gernot Herbst 2, Momir Stankovic 3

机构：1 暨南大学；2 University of Applied Sciences(德国)；3 University of Defence(塞尔维亚)

引用：Madonski, R., Herbst, G. & Stankovic, M. ADRC in output and error form: connection, equivalence, performance. Control Theory Technol. 21, 56–71 (2023). https://doi.org/10.1007/s11768-023-00129-y

全文链接：https://rdcu.be/ecMNK

自抗扰控制(ADRC)是由中国科学院的韩京清教授吸收工程中比例积分微分控制(PID控制)，并独立于复杂数学模型提出了一种应对非线性、不确定性和扰动的控制方法。ADRC继承了传统PID控制的优势：误差反馈控制，并且改进了PID控制中的缺点：误差提取法和加权误差。ADRC主要由三部分组成：跟踪微分器，扩展状态观测器和非线性组合PID。这三部分的作用分别为：安排过渡过程，柔化指令信号，解决超调与快速性的矛盾；将系统内外扰动统一视为“总扰动”，通过状态扩张实时估计；基于误差的非线性组合生成控制量，主动补偿观测到的扰动。目前，ADRC技术已广泛应用于实际过程中，包括电机伺服控制、飞行器姿态控制、电力电子变换器、机器人轨迹跟踪和精密运动平台等。ADRC技术在工程中的重要实际意义吸引了诸多学者和工程师来从事ADRC技术的理论探究与应用实践。本文试着从ADRC的架构上优化现有的ADRC设计方法，以提高从事ADRC研究与应用的学者和工程师的开发效率。

摘要

本文研究了两种特定的线性ADRC结构，即基于输出和基于误差的结构。前者是ADRC的“标准”版本，这一称号主要归功于其简单性和有效性，这促使其在多个行业应用。后者被发现对从业者特别有吸引力，因为它的反馈误差驱动结构与传统的控制解决方案(如PI和PID)有相似之处。本文描述了两种考虑的ADRC结构之间新发现的联系，这使作者能够建立它们等价的条件。此外，对基于输出和基于误差的自抗扰控制器进行的全面性能比较有助于识别其中的特定模块，这些模块现在可以方便地用作构建块，从而帮助控制设计人员定制基于ADRC的解决方案并使其最适合他们的应用。

引言

本文的结果丰富了当前与ADRC设计相关的知识体系。新增的信息可作为控制设计人员选择合适的基于ADRC的结构并更好地对其进行定制的指南，以满足实施简单性和控制性能方面的某些要求。本文的具体贡献包括：

(i) 建立基于输出的ADRC(oADRC)和基于误差的ADRC(eADRC)之间的等价条件。在频域中给出了一个正式条件，并呈现了这两个方案之间的联系。形成的条件还显示了如何从一个结构转到另一个结构，并返回到这个结构。

(ii) 在时域和频域中定量比较 oADRC 和 eADRC。其结果显示了使用这两种 ADRC 结构的优点和缺点，尤其强调了微分元素对控制性能的影响。系统比较包括关键控制性能指标，如参考跟踪精度、稳定裕度（增益和相位裕度）、干扰抑制和测量噪声灵敏度。

(iii) 建立基于输出和误差形式的ADRC传递函数实现的可实现条件。这使得更容易将两种考虑的ADRC与现有的经典解决方案进行比较。这也可视为只考虑了基于输出的版本[26]的一个扩展。

[26] Herbst, G. (2021). Transfer function analysis and implementation of active disturbance rejection control. Control Theory and Technology, 19, 19–34.

(iv) oADRC和eADRC之间的定性比较。其结果可以深入了解这两种结构的适用性，并通过决策树进行可视化，专门用于寻找基于可用信号和所需性能的合适控制结构的潜在 ADRC 用户。为了进一步帮助控制设计人员，确定了三个模块，允许直接定制所需的 ADRC 方案。

Fig. 1

图1(原文Fig.1) 连续时间基于输出的ADRC的状态空间实现

Fig. 2

图2(原文Fig.2) 连续时间基于误差的ADRC的状态空间实现

结论

本文研究了基于输出和误差的ADRC方案。通过s域分析，建立了两种结构之间的等效条件。发现两种结构之间的唯一区别是所谓的预滤波器传递函数(GPF(s))的存在。频域分析表明，在稳定状态下，GPF(s)对稳定裕度、对测量噪声的灵敏度或干扰抑制没有影响，但会影响稳定状态参考跟踪性能。还推断出，合成和使用没有参考导数的GPF(s)（即情况A中的oADRC）会降低稳定状态参考跟踪性能，而在oADRC中添加参考导数（即情况B）可在定量上提供更好的性能，实际上与eADRC控制结构相同（其中假设GPF(s) = 1）。此外，对GPF(s)对时域基本控制性能标准的影响进行的研究表明，带有预滤波器的ADRC允许控制设计人员更好地塑造瞬态阶段的跟踪性能，这在某些实际场景中是有益的。

因此，为了帮助控制设计人员为其应用选择最合适的基于ADRC的解决方案，我们以图形方式用（启发式）决策树表示了所进行的系统性比较的摘要，如图4 所示。简而言之，可以看出eADRC具有更简单、更紧凑的设计，从而可以更简单地实现（由于没有预滤波器），但代价是降低了对瞬态跟踪性能的控制。eADRC还为控制设计人员提供了更多自由来构建自定义控制解决方案，因为预滤波器GPF(s)不是预先内置（强加）在设计中的（就像oADRC中一样）。由于不同的控制场景需要不同的控制解决方案，因此本文选择了模块化方法。已经确定了某些模块（见图3），它们有助于设计所需的ADRC解决方案。最后，为了提高两种所提出的ADRC方案的潜在适用性，给出了它们可实现的传递函数形式。

Fig. 9 图3(原文Fig. 9) 模块化方法设计ADRC

Fig. 10

图4(原文Fig. 10) 选择ADRC结构的启发式决策树

作者介绍

Rafal Madonski，分别于2010年和2016年获得Poznan University of Technology(波兰)的自动化和机器人学硕士和博士学位，2017年至2019年在东南大学自动化学院担任博士后研究员。他曾是美国克利夫兰州立大学和中国科学院北京分院的访问研究员和暨南大学能源与电力研究中心的副教授。目前是波兰西里西亚工业大学副教授。IEEE的高级会员。他的研究兴趣包括主动干扰抑制控制和干扰观测器。

Gernot Herbst，分别于2006年和2011年获得Chemnitz University of Technology(德国)的电气工程学士和博士学位。2006年至2012年，他担任开姆尼茨工业大学的科学助理，之后加入德国开姆尼茨西门子股份公司担任研发工程师。自2021年起，他就职于the University of Applied Sciences Zwickau(德国)。他的研究兴趣围绕将现代控制引入工业实践，尤其是使用自抗扰控制，以及电力电子系统的建模和控制。

Momir Stankovic，2009 年获得University of Defence(塞尔维亚)军事学院的电气工程专业工学硕士学位，并于2018年获得University of Nis(塞尔维亚)电子工程学院的电气工程与计算机科学博士学位。2015 年至2019年担任助教，自2019年起担任University of Defence的军事学院军事电气工程系助理教授。他的研究兴趣包括主动抗扰控制和基于FPGA的控制系统编程。

期刊简介

640 spr.jpg

欢迎扫码进入期刊主页

Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.7)、EI、Scopus (CiteScore 3.1，更新于2025年4月5日)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

https://jcta.ijournals.cn/cta_en/ch/index.aspx

投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/ctt

微信：ControlTheoryTech （欢迎扫码关注期刊微信公众号）