论文部分内容阅读
自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)作为一种实用新型控制技术,由于具有设计简单、控制精度高、鲁棒性好等诸多优点,引起了学术界和工程界的广泛关注,并在实践中得到了推广应用,取得了良好的经济效益。但从整体上看,对ADRC更多的研究报道来自工程领域,而关于其机理的分析研究比较少见,对于基本的自抗扰控制,无论是扩张状态观测器的构造还是控制器的设计都是采用非线性技术,使得对它的理论分析面临很大困难。针对原始ADRC使用非线性反馈所带来的稳态高增益容易在小信号引起抖动,同时控制参数过多的问题(一般形式的非线性ADRC的控制参数达到12个,不太利于工程应用),以及非线性控制器难以进行工程上常用的频域分析以确定稳定性边界的不足,美国Cleveland State University的高志强教授将所有控制器和扩张状态观测器(The Extended State Observer,ESO)都以线性形式实现,大幅度地将控制参数降到4个,而且都有比较明确的物理意义,十分便于工程应用,同时线性ADRC的出现为其深入的理论研究开辟了一条道路。
本文正是基于估计一补偿这一自抗扰控制的精髓,在线性扩张观测器、线性控制器的基本框架下对线性扩张观测器的估计能力、输入一输出稳定性、线性自抗扰控制的机理以及线性自抗扰控制参数的确定方法等基本问题进行了深入的探索和研究,不仅对自抗扰控制的理论发展有推动作用,而且对实际工程应用具有指导意义。
本文的主要创新工作归纳如下:
(1)研究了线性扩张状态观测器的估计能力并且分析了在线性反馈控制下闭环系统的输出稳定性。对系统模型完全已知的情形,完善了已有文献结论的证明过程。对于系统模型未知的情形,给出了线性扩张观测器估计误差有界的全新证明。通过分析得出了如下结论:闭环系统在扩张状态观测器误差趋于零的前提下,可以实现对输入信号的高精度跟踪;在系统模型不完全知道的情况下,是有界输入—有界输出稳定的。
(2)研究了可以用一阶惯性环节近似的一类对象的线性自抗扰控制问题,给出了线性自抗扰控制下系统的等效控制结构形式,揭示了自抗扰控制的基本机理。显式地给出了取得无超调单调不减阶跃响应的可行参数区域及其边界,以及控制参数的选择与系统抗摄动能力之间的关系。
(3)对一类典型过程一一阶时滞对象的线性自抗扰控制问题进行了研究,揭示出控制参数对系统稳定性和性能的影响。利用作图的方式,给出了确定系统稳定区域及其边界的方法,以及根据稳定裕度确定控制参数的方法。对于参数在区间取值的不确定对象,能够保证系统运行期的稳定性。对实际工业过程的控制有指导作用。
(4)自抗扰控制本质上是一种输出反馈控制。本文通过线性自抗扰控制技术在飞行器控制中的应用,把线性系统的线性自抗扰控制器参数的确定问题转化为线性系统输出反馈镇定问题,给出了实现这种转化的具体过程以及利用线性矩阵不等式求解可行参数的具体算法。