自抗扰控制(ADRC,Active Disturbance Rejection Control)将串联积分作为系统的规范模型,将规范模型以外的信息视为系统总扰动,并通过扩张状态观测器(ESO,Extended State Observer)实时估计并补偿总扰动。因此,自抗扰控制具有强大鲁棒性和抗干扰性能,且不依赖系统精确模型。线性自抗扰控制的提出降低了控制器参数个数和调节难度,为理论分析和工程应用提供了便利。自抗扰控制优越性能的实现在于创新性的引入系统总扰动,因此非常必要分析总扰动对自抗扰控制性能的影响。本文研究内容包括以下几方面:第一,分析总扰动对线性扩张状态观测器估计能力的影响。获取系统总扰动到线性扩张状态观测器估计误差的传递函数,使线性ESO估计误差拥有统一的度量标准,首次实现线性ESO状态估计误差相互间的“横向对比”。通过频域和时域方法分别对状态估计误差与观测器增益的关系、各状态估计误差幅值、最大值、以及稳定时间进行分析比较。本文在更宽松的假设条件下证明了充分利用总扰动已知信息的改进型线性扩张状态观测器具有更高的观测精度。第二,分析总扰动对线性自抗扰闭环系统性能的影响。在忽略ESO的估计误差的前提下,被控系统经过线性ADRC对总扰动补偿后变为积分串联模型,并通过极点配置获取理想系统闭环模型。本文对线性ESO估计误差对闭环系统的影响进行了分析,并发现ADRC闭环输出实际是目标传函(参考信号作为输入的传函)和误差传函(总扰动作为输入的传函)叠加组成。本文定性分析了总扰动对系统闭环输出的影响并指出线性ESO参数和控制律参数选择存在制约关系。第三,基于估计误差补偿改进线性自抗扰控制。考虑线性ESO估计误差对线性ADRC闭环系统的影响,提出通过在误差反馈控制律中对估计误差项进行补偿的改进方法,还分析了参考指令信号对控制性能的影响,指出前馈补偿参考值高阶微分能有效的降低对控制信号幅值。最后,给出基于估计误差补偿的ADRC改进方案的稳定性证明。第四,将本文控制方法在串级控制系统进行仿真验证。通过对长延时、大惯性非线性时变的过热汽温系统进行仿真,发现系统动态特性随工况变化时,本文方法具有较强的鲁棒性,仍能实现良好的控制效果。通过对机械式自动变速器位移串级控制系统进行仿真验证,仿真结果表明本文方法不仅能有效地实现快速跟踪而且具有更强的抗干扰能力。