科学网-自抗扰控制中的感知降噪：基于永磁同步发电机的风力涡轮机示例-邹铁枫的博文

自抗扰控制中的感知降噪：基于永磁同步发电机的风力涡轮机示例

2025-9-26 08:57

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Sensing-noise reduction in active disturbance rejection controllers: apermanent magnet synchronous generator-based wind turbine example(自抗扰控制中的感知降噪：基于永磁同步发电机的风力涡轮机示例)

自抗扰控制(ADRC)虽以鲁棒性强、设计简单著称，但其核心扩展状态观测器(ESO)的高频增益特性使其在实测中饱受传感噪声干扰——电流测量噪声、编码器抖动等高频信号极易被放大，导致控制性能恶化。墨西哥国立理工学院团队创新性地提出噪声抑制型降阶ESO-ADRC架构(NR-ROESO-ADRC)，通过误差信号前馈低通滤波(LPF)与Routh-Hurwitz稳定性设计准则，在保持ADRC扰动抑制优势的同时，将降低噪声灵敏度。而且，作者直面实际工程挑战，进行了风力发电控制实验，完整展现了从理论到实践的闭环。

Sensing-noise reduction in active disturbance rejection controllers: a permanent magnet synchronous generator-based wind turbine example自抗扰控制中的感知降噪：基于永磁同步发电机的风力涡轮机示例

Mario Andrés Aguilar-Orduña, Brian Camilo Gómez-León, Hebertt Sira-Ramírez, Rubén Alejandro Garrido-Moctezuma

机构：墨西哥国立理工学院先进研究与高等教育中心

引用：Aguilar-Orduña, M.A., Gómez-León, B.C., Sira-Ramírez, H. et al. Sensing-noise reduction in active disturbance rejection controllers: a permanent magnet synchronous generator-based wind turbine example. Control Theory Technol. (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00267-5

全文链接：https://rdcu.be/eG81P

摘要

自抗扰控制(ADRC)对内外扰动均表现出显著的鲁棒性，其实现方式也相对简洁，因此在多类系统控制中具有较高的应用价值。然而，作为ADRC核心的扩展状态观测器由于其高增益特性，在面对实际环境中普遍存在的高频测量噪声时，可能会导致性能下降。本文在保持ADRC简易实现的基础上，引入一种特定位置设置的低通滤波器，并提出一套简明的滤波器-控制器参数整定方法，以优化控制设计。理论结果基于Routh–Hurwitz判据对设计进行简化，并保证设计的低通滤波器不会影响闭环系统的稳定性。本文以风力发电机最大功率点跟踪为研究对象，展示了所提方法的设计流程；该非线性系统需要测量固有噪声较大的信号，如电流等。最后，在永磁同步发电机风力实验平台上的实时结果验证了该改进方案有效抑制了高频测量噪声。

引言

ADRC的核心思想是利用扩展状态观测器（ESO）估计系统的“总扰动”——包括内部扰动（例如未建模的非线性项和参数不确定性）和外部干扰等，并在控制律中予以补偿。作为一种由韩京清教授提出的鲁棒控制方法，ADRC长期受到学术界与工业界的关注。其关键在于采用高增益观测器，并通过增益调节在估计速度、准确度与噪声抑制之间取得平衡。然而，高频测量噪声会限制ADRC性能，影响控制信号质量。为此，已有研究提出了多种改进方式，例如将ESO与卡尔曼滤波器结合、在扰动观测控制（DOBC）框架中引入ADRC、采用级联ESO结构、对ESO进行改造以避免传统的高增益形式，以及利用低通滤波器修正高增益观测器等方法。

本文研究在测量噪声存在的情况下，如何设计基于降阶扩展状态观测器（ROESO）的ADRC控制方案。所提方案通过在适当位置引入低通滤波器（LPF），在保持ROESO-ADRC鲁棒性与结构简洁性的同时，有效抑制噪声影响。方案能够确定滤波器的设计约束，从而保证闭环系统的稳定性。为验证方案性能，本文将其应用于直接驱动型风力发电机的最大功率点跟踪控制，并在永磁同步发电机的直接驱动风力机实验平台上进行，实验结果与传统无滤波ROESO-ADRC进行了对比。

本文的主要贡献如下：

(1) 提出了带有低通滤波器的ADRC控制方案的具体设计过程，并基于自然频率参数对控制器–观测器–滤波器的设计进行了整体参数化。

(2) 基于Routh–Hurwitz判据给出了一种原创的代数方法证明，保证了系统稳定性，并简化了参数整定过程，使得在不影响闭环稳定性的前提下，可以灵活选择滤波器的截止频率或控制器参数。

(3) 在模拟直接驱动型风力机的实验平台上完成有效验证，实现了最大功率点跟踪并降低铜损，解决了实际工程中的关键问题。

图1 (原文Fig. 9) 直接驱动型风能转换系统

图2 (原文Fig. 11) 实验平台

结论

本文针对基于降阶扩展状态观测器的自抗扰控制(ROESO-ADRC)方案在测量噪声敏感性方面的不足，提出在控制方案中对跟踪误差信号引入低通滤波器，从而有效降低高频测量噪声的影响。对于所提出的滤波器–控制器增益选择方案，采用Routh–Hurwitz判据分析了增强后控制方案的稳定性。本文提出了一种设计方法，该方法基于控制器增益的特定选择以及低通滤波器的参数化设计。稳定性分析表明，对于所提出的降噪-降阶扩展状态观测器-自抗扰控制(NR-ROESO-ADRC)方案，其闭环稳定性与控制器的固有频率无关，从而可方便地确定低通滤波器截止频率的临界值，以避免闭环系统失稳。

为了验证所提出的方法，我们在一个具有挑战性的平台上进行了实验，该平台模拟了一台风力涡轮机，并使用永磁同步发电机作为发电机。该系统的控制需要测量发电机的角位置，并通过应用于相电流的Clarke和Park变换获得直流电。后者的测量存在高频噪声，会损害闭环控制性能。针对ROESO-ADRC和NR-ROESO-ADRC，进行了充分的实验以评估所提出方案的性能，并展示了简单直观的滤波器设计过程。实验结果表明，由于控制器有效抑制了高频测量噪声，所提出的设计方法在控制信号幅值上相较于未引入滤波器的方案有明显改善。

对于未来工作，作者计划将所提出的方法与文献中现有方法进行对比，全面的比较需要更深入和详尽的分析。

作者介绍

Mario Andrés Aguilar-Orduña，于2012年获得Benemérita Universidad Autónoma de Puebla(墨西哥)的机电工程学士学位。随后，他在墨西哥国立理工学院先进研究与高等教育中心获得电气工程硕士(2018)及博士学位(2024)。他的研究兴趣包括非线性控制、滑模控制、自抗扰控制、几何代数、功率电子学、可再生能源系统以及机电系统。

Brian Camilo Gómez-León，于2016年在哥伦比亚国立大学（Universidad Nacional de Colombia）获得电子工程学士学位。2021年获得电气工程硕士学位，目前是墨西哥国立理工学院先进研究与高等教育中心自动控制专业的博士研究生。他曾参加意大利和法国的学术交流项目，拓展了国际研究经验。他的研究兴趣包括非线性控制、反馈线性化、微分平坦性、自抗扰控制（ADRC）、代数方法及测量噪声处理。

Hebertt Sira-Ramírez，1970年在委内瑞拉梅里达的安第斯大学（Universidad de Los Andes）获得电气工程学士学位。随后，他在Massachusetts Institute of Technology先后获得电气工程硕士学位（1974年）以及电气工程博士学位（1977年）。他曾担任多国访问教授。自1998年以来，他一直是墨西哥国立理工学院先进研究与高等教育中心正式研究员。Sira-Ramírez博士已发表技术论文超过497篇，其中197篇刊为学术期刊文章，其余发表于国际同行评审会议。他还在30本学术专著中撰写章节，并在主要出版社出版了8本自动控制领域的专著。Sira-Ramírez博士是墨西哥国家研究人员系统（SNI）三级成员。1995年，他获得 Lorenzo Mendoza Fleury Polar 基金会奖，并被安第斯大学授予名誉电气工程博士学位。他曾为委内瑞拉研究人员晋升计划（PPI）的四级研究员。他的研究兴趣涵盖非线性动态系统反馈调节的理论与实践，尤其关注：代数方法、自抗扰控制（ADRC）、变结构反馈控制及其在功率电子学、电机系统和机器人中的应用。

Rubén Alejandro Garrido-Moctezuma，于1983年在墨西哥 ESIME-IPN 获得电气工程学士学位，1987年在墨西哥 CINVESTAV-IPN 获得电气工程硕士学位，1993年在法国Université de Technologie de Compiègne获得博士学位。他目前任职于墨西哥 CINVESTAV-IPN 自动控制系，担任教授。他的研究兴趣包括串联与并联机器人控制、视觉伺服控制、伺服机构、自适应控制、基于神经网络的控制、参数辨识，以及利用生物启发型元启发算法进行反馈控制器的调参。

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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