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一种基于鲁棒MP-ADRC的不确定最小相位系统控制策略

已有 879 次阅读 2025-9-15 09:29 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

A robust MP-ADRC-based strategy for uncertain minimum phase systems (一种基于鲁棒MP-ADRC的不确定最小相位系统控制策略)

在工业控制领域，传统自抗扰控制(ADRC)长期面临两大瓶颈：控制增益未知与有限零点干扰。巴西研究团队提出改进型MP-ADRC策略，通过重构观测器结构与双通道补偿机制，实现了最小相位系统的高鲁棒控制。本文不仅提供了严谨的闭环稳定性分析，也给出了系统化的参数整定方法，并通过理论示例的仿真结果验证了所提方法的有效性与优越性能，还显著拓宽了MP-ADRC的应用范围，为精密制造、航空航天等强扰动场景的精确控制提供解决方案。

标题：A robust MP-ADRC-based strategy for uncertain minimum phase systems

作者：Josiel A. Gouvêa1, Alessandro R. L. Zachi1, Lúcio M. Fernandes1, Tiago Roux Oliveira2

机构：1里约热内卢塞尔索•苏克夫•达•方塞卡联邦科技教育中心机电一体化研究中心；2里约热内卢州立大学电子与电信工程系

引用：Gouvêa, J.A., Zachi, A.R.L., Fernandes, L.M. et al. A robust MP-ADRC-based strategy for uncertain minimum phase systems. Control Theory Technol. (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00265-7

全文链接：https://rdcu.be/eD32z

摘要

本文提出了一种改进型对象自抗扰控制器(MP-ADRC)策略的扩展，以拓展其在最小相位动态系统中的应用。MP-ADRC方法的主要特点是包含一个与对象输出误差串联的恒定增益，以及一个与整体误差系统并联的线性滤波器。这些结构变化不会影响原始对象的输入/输出动态特性，而是有意引入的，用于修改扩张状态观测器(ESO)估计的动态特性，从而提高该方法的鲁棒性。所提出的方法还具有一些优势，例如：(i) 控制器和ESO的设计过程仅需要知道对象输入通道系数(或控制增益)的符号(±)；(ii) 对象控制输入直接由单个ESO状态变量生成。尽管MP-ADRC具有前面提到的优势和特性，但当它应用于具有有限零点的动态系统时，无法保证闭环稳定性。为了克服这一难题，本文对MP-ADRC方法进行了扩展。该方法的基本思想是，根据最小相位对象动态系统的相对阶数对其进行重写，然后通过增加ESO状态变量的数量来设计ESO。仿真结果也验证了该方法的实用性。

引言

基于自抗扰控制的控制器应用场景十分广泛。自开创性工作提出ADRC作为一种无模型、简单且低成本的控制解决方案以来，关于其设计、构建和实现的研究在文献中取得了显著进展。由于其在应对参数不确定性、未建模动态特性和外部干扰方面具有出色的鲁棒性，这一方法受到了广泛关注，诸多结论相继报道。几十年来，该方法已在理论和实践中的多种控制问题中得到应用。

本研究考虑了一类动力系统的控制问题，这类系统可以用以下一般形式来描述：

其中，y ∈ ℝ表示被控对象的输出，u ∈ ℝ表示被控对象的输入，常数a₀, a₁, …, aₙ₋₁, b₀, b₁, …, bₘ∈ ℝ为被控对象的参数，ḡ(t) ∈ ℝ是一个光滑函数，用于汇集所有非线性项，而ħ(t) ∈ ℝ表示外部干扰。图1展示了线性自抗扰控制以及本文所提出的解决方案的结构框图。MP-ADRC是LADRC方法的一种扩展，旨在降低对被控对象输入通道系数具体数值的依赖，从而增强系统对该参数不确定性的鲁棒性。如图1(a)和(b)所示，该方法的主要结构特征包括：一个与被控对象输出误差串联的增益环节，以及一个与输入误差支路并联的线性滤波器Q₀。尽管该方法的设计流程与传统LADRC方法相似，但其关键区别在于：控制结构保持了原始被控对象的输入/输出关系不变，但改变了扩展状态观测器所要估计的“被控对象”动态。这种结构修改相比传统LADRC方法带来了一些优势，例如：（1）控制器和ESO的设计过程仅需知道被控对象输入通道系数（或控制增益）的符号（±）；（2）本文所提出的方法不使用跟踪微分器，而是直接由ESO的单个状态变量生成被控对象的控制输入。

图1(原文Fig. 1) 基于ADRC机制的控制架构

尽管MP-ADRC具有上述优点和特性，但当其应用于具有有限零点的动态系统时，无法保证闭环系统的稳定性。为克服这一困难，本文提出了一种对MP-ADRC方法的扩展。该扩展方法主要包含：根据被控对象的相对阶次重新表述最小相位被控对象的动态方程，随后通过适当增加扩展状态观测器的状态变量数量来设计ESO。

本文对基于MP-ADRC的控制方法及其在不确定最小相位系统中的应用进行了全面而严谨的研究。相较于现有的研究成果，本文的主要贡献如下：

本文在一种新的控制器参数整定方法的基础上，重新审视了无有限零点被控对象的MP-ADRC设计。本文提出了更为一般化且深入的闭环稳定性分析。同时，验证并强化了该方法在面对被控对象参数变化（特别是输入（控制）通道系数不确定性）时维持一致闭环性能的能力。
MP-ADRC被扩展应用于最小相位系统，并再次验证和增强了其鲁棒性特性。
本文对最小相位系统的MP-ADRC闭环稳定性特性进行了分析，并提出了一种用于调整控制器参数的客观、系统化的方法。

结论

本文探讨了一类具有有限零点的动态系统的控制问题。文中对该主题进行了全面的综述，并总结了迄今为止文献中的主要贡献。本文采用的方法首先简要回顾了传统的LADRC方法。然后，提出了改进型自抗扰控制（MP-ADRC）方法作为最小相位对象控制问题的解决方案。此外，本文还详细扩展了MP-ADRC方法，以克服其在具有有限零点的动态系统中应用难题。为此，本文引入了一种思想，即根据最小相位对象的动态特性（将其重写为相对阶数），方便地增加ESO的状态变量数量。文中还提出并讨论了闭环稳定性分析。此外，本文还提出了一种系统的方法来调整MP-ADRC的参数以及最小相位扩展版本的参数。通过理论对象的示例说明了所提出的控制器的设计和参数整定过程，并详细分析说明了对所得结果。

作者介绍

Josiel A. Gouvêa，是里约热内卢塞尔索•苏克夫•达•方塞卡联邦科技教育中心新伊瓜苏校区自动化与控制系统系以及电气工程研究生项目的副教授。他于2011年和2004年分别获得里约热内卢联邦大学的电气工程博士学位和硕士学位，并于2000年获得里约热内卢联邦大学电子与计算机工程学士学位。他在线性系统、非线性系统及协同系统的控制领域具有丰富的研究经验。

Alessandro R.L. Zachi，是里约热内卢塞尔索•苏克夫•达•方塞卡联邦科技教育中心新伊瓜苏校区自动化与控制系统系的全职教授。他于1994至1998年间在CEFET/RJ获得电子工程学士学位，并于1999至2001年及2001至2007年间在里约热内卢联邦大学电气工程专业分别获得控制系统的硕士学位和博士学位。他曾于2008年在欧洲核子研究组织完成博士后实习，在David Barney博士的指导下，直接参与粒子探测器的调试和电子仪器工作；并于2014年在里约热内卢州立大学高能核物理系进行博士后研究，在Alberto Franco de Sá Santoro教授的指导下，从事用于粒子探测器仪器的电子电路板上FPGA固件的设计与测试工作。他曾担任CEFET/RJ马拉卡纳校区电气工程系主任（2006–2010年）、自动化与控制系统课程协调员（2024年）、CEFET/RJ电气工程研究生项目协调员（2016–2018年），以及该研究生项目的副协调员（2023–2024年）。自2009年起，他一直是电气工程研究生项目（学术型硕士）的教授、研究员和导师，并作为永久教职成员参与了该项目的创建团队。自1999年起，他是巴西自动控制学会的会员。自2009年起，他领导着在国家科技发展委员会注册并由CEFET/RJ认证的研究小组“GAIC—自动化、仪器仪表与控制组”。他的主要研究兴趣和活动领域包括：线性与非线性控制系统理论、自适应控制、基于主动干扰抑制的鲁棒控制、机器人技术与机电一体化、应用电子仪器仪表。

Lúcio Mascarenhas Fernandes，他拥有里约热内卢联邦大学电气工程学士学位，以及佩特罗波利斯天主教大学的机电工程工商管理硕士（MBA）学位。自2017年起，他在全球钢铁行业流量控制技术解决方案领先企业Vesuvius公司担任自动化工程师。他的专业经验包括在该领域从事机器人项目及自动化系统的调试与安装，并已在主要冶金学会议上发表多篇论文。目前，他正在塞尔索•苏克夫•达•方塞卡联邦科技教育中心攻读电气工程硕士学位，研究方向聚焦于采用自抗扰控制方法对非线性系统进行控制。

Tiago Roux Oliveira（IEEE高级会员）于2004年获得里约热内卢州立大学电气工程学士学位，分别于2006年和2010年在里约热内卢联邦大学获得电气工程硕士和博士学位。2014年，他曾作为访问学者在美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校进行学术交流。现任里约热内卢州立大学电子与通信工程系教授。他已发表同行评审期刊论文、书籍章节及会议论文250余篇。目前担任Journal of the Franklin Institute, Systems & Control Letters, International Journal of Robust and Nonlinear Control, IEEE Open Journal of Control Systems, IEEETransactions on Cybernetics, IEEE Control Systems Letters和Automatica.等期刊的编委。Oliveira博士曾荣获2011年巴西高等教育人员培训协调机构电气工程领域最佳博士论文全国奖，以及2012年、2015年和2018年里约热内卢州科研基金会青年研究员奖。他还获得了IEEE控制系统学会颁发的2021年度TCST杰出论文奖。他曾担任国际自动控制联合会多个技术委员会的成员，包括：自适应与学习系统、控制设计、非线性控制系统、分布参数系统，以及IEEE控制系统学会的变结构与滑模控制和分布参数系统两个技术委员会成员。2017年，他被提名为巴西科学院附属成员。2020年，他当选为IFAC技术委员会TC 1.2（自适应与学习系统）2020-2023年度主席，并于2023年连任2023-2026年度主席。2022年，他当选为巴西自动控制学会2023-2025年度主席。他于2022年由SIAM出版社出版了专著Extremum Seeking through Delays and PDEs。

期刊简介

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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 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、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

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