低阶线性自抗扰控制的内部稳定性研究

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自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)是一种新型通用控制方法。它结合了经典PID控制和现代控制理论的思想精华,具有结构简单,待调参数少,可以克服系统外扰与未建模动态等独有优势。线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)进一步将自抗扰控制器内部扩张状态观测器(Extended state observer,ESO)和反馈过程的参数线性化处理,使结构更简单,待调参数更精简,更适合工程应用,尤其是低阶对象的应用。本文对低阶线性自抗扰控制的内部稳定性进行了研究,并将得到的稳定性结论在理论和实际应用中进行了多角度的探究。具体内容如下:首先,目前自抗扰控制总扰动与稳定性关系的研究中常假设总扰动有界,然而这一假设的合理性与必要性都值得商榷。总扰动有界意味着内扰和外扰均有界,假设内扰有界并不合理,因为内扰可能会破坏控制对象的稳定性,失去稳定性后内扰自身会发散,假设内扰有界则排除了系统发散的可能,导致稳定性证明接近于循环论证;而假设外扰有界很多时候又不必要,因为对于线性时不变(Linear time-invariant,LTI)系统这样的典型系统,外扰不会影响其稳定性。既然内扰和外扰对稳定性的影响存在重要差异,那么不妨分别研究。本文基于这一思路讨论了线性自抗扰控制的稳定性。针对一阶、二阶LADRC分别控制一阶、二阶LTI对象且加性外扰这一简单而典型的情况,选用内部稳定性作为稳定性的定义。在时域找到了 LADRC系统内部稳定的一个充要条件,该条件和对象的不确定参数有关,和外扰无关,也不对内扰的大小进行限制。故LADRC的稳定性既不需要内扰有界,也不需要外扰有界。基于这一思想进一步讨论了一阶积分器、二阶无零点对象及二阶含最小相位零点对象LADRC控制的内部稳定性。其次,在上述工作的基础上,发现一阶LADRC可以处理外扰自身无界导数有界对象。通过构造算例,证明本文结果确系稳定性的充要条件,优于部分现有文献。还将理论结果用于涡扇发动机二阶LADRC的稳定性分析,保证控制方案的稳定性。
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