CN109308008A - 具有异常应对能力的自抗扰控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其包括用于估计被控对象的总扰动的扩张状态观测器、用于根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令的状态误差反馈控制器、用于根据总扰动估计值和误差控制指令生成总控制指令的扰动补偿单元、用于判断被控对象和/或控制装置是否出现异常的诊断单元、当被控对象和/或控制装置出现异常后对被控对象的总扰动估计值进行修正的总扰动估计值修正单元、根据经修正的总扰动估计值和误差控制指令生成总控制指令的对被控对象进行控制的扰动补偿单元。本发明在被控对象或控制装置出现异常时可以稳退出自抗扰控制机制，避免系统因自抗扰控制的异常而出现失稳等严重后果。

Description

具有异常应对能力的自抗扰控制装置

技术领域

本发明涉及自抗扰控制装置，特别涉及一种具有在被控对象和/或控制装置出现异常时退出机制的自抗扰控制装置。

背景技术

自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)技术是由中科院韩京清研究员1998年提出的一种非线性控制策略，该技术是将系统未建模动态、外界干扰统一作为总扰动，然后通过构建扩张状态观测器(ESO)对总扰动进行观测，接着再利用观测结果对总扰动进行补偿，最后将基于标准模型设计的控制律与补偿律进行综合得到最终的控制律，利用该控制律即可得到理想的控制效果，详见文献1(从PID技术到“自抗扰控制”技术，韩京清等，控制工程，第9卷第3期，2002年)。

ADRC发扬了经典比例–积分–微分控制方法(proportional-integral-derivative,PID)的技术精髓——“基于误差来消除误差”，算法不依赖于模型，融合了现代控制理论的成就，仅利用误差反馈进行控制，克服了经典PID控制快速性与超调之间的矛盾以及现代控制理论依赖于控制对象模型的局限。ADRC综合了经典控制理论和现代控制理论的优点，既可以有效处理控制系统的不确定性和非线性，又不完全依赖被控对象的数学模型。更具吸引力的是，ADRC打破了以线性或非线性、时变或非时变划分被控对象的传统框架，无论是线性定常系统还是非线性时变系统，均可釆用统一的控制方法。详见文献2(自抗扰控制技术滤波特性的研究，宋金来等，控制与决策，第18卷第1期，2003年)、文献3(自抗扰控制思想探究，高志强，控制理论与应用，第30卷第12期，2013年)。

ADRC不依赖于被控对象的精确对象模型，具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快、结构简单等诸多特点，得到了国内外学者和工程技术人员广泛而深入的应用性研究，具有广阔的应用前景。近年来，ADRC在工程实践中的应用范围逐步扩大，如：非圆车削中快速刀具伺服系统的精密跟踪控制、无刷直流伺服电机的低速摩擦补偿、典型分数阶系统，机器人无标定手眼协调、异步电机调速系统、微机电系统(micro.electro—mechanicalsystems，MEMS)或微机械陀螺仪、化工过程精馏塔、飞行器控制、刚体航天器姿态跟踪、永磁同步电机调速系统、柔性关节系统、超导加速器谐振腔控制、化工过程连续搅拌反应釜(continuous stirred tank reactor，CSTR)、电站机炉协调控制、气化炉控制系统等。

但是，ADRC的理论研究明显滞后于其应用。由于ADRC的结构较为复杂，控制参数多且物理意义不是非常明确，特别是非线性ADRC，尚未形成有效的控制参数设计方法，目前多是凭借设计者的经验试凑，与之对应的是，对于ADRC的扩张状态观测器的收敛特性以及ADRC的稳定性分析，尚未形成完整、有效、成熟、普适的分析和判定方法。因此，在实际应用ADRC对被控对象进行控制时，应当考虑ADRC出现异常时的应对措施。参见文献4(中国发明专利，名称：三参数最速自抗扰控制器装置及自抗扰控制方法，授权公告号：CN100527024C)、文献5(中国发明专利，名称：一种采用自抗扰控制技术的网络化永磁同步电机时延补偿和控制方法，申请号：201410350645.8)以及文献6(中国发明专利，名称：最速地实现自抗扰反馈控制的方法及其装置，授权公告号：CN1225679C)等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有异常应对能力的自抗扰控制装置，可以在被控对象或控制装置出现异常时，平稳退出自抗扰控制(Active DisturbanceRejection Control，ADRC)机制，恢复为传统的基于误差的反馈控制，避免系统因自抗扰控制(ADRC)的异常而出现失稳等严重后果。

为解决上述技术问题，本发明提供的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其包括：

扩张状态观测器，对被控对象的总扰动进行估计并输出总扰动估计值；

状态误差反馈控制器，根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令；

扰动补偿单元，在被控对象和/或控制装置是正常时，根据所述总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制；

诊断单元，判断被控对象和/或控制装置是否出现异常；

总扰动估计值修正单元，当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，对被控对象的总扰动估计值进行修正；

当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，所述扰动补偿单元根据经所述总扰动估计值修正单元修正后的总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制。

较佳的，所述诊断单元根据以下至少一种数据判断被控对象和/或控制装置是否出现异常：

(1)被控对象的输出或其变化率的绝对值；

(2)被控对象的输出与控制目标之间的控制误差或其变化率的绝对值；

(3)所述扩张状态观测器输出的总扰动估计值或其k次微分值，k为正整数；

(4)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值或其变化率的绝对值；

(5)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值与被控对象的实际输出值之间的差值或其变化率的绝对值。

较佳的，所述诊断单元还利用上述(1)到(5)至少一种数据与阈值间的大小关系，或者是利用上述(1)到(5)至少一种数据与给定值得到二者间的差值，并进一步根据该差值与阈值间的大小关系来判断控制装置和/或被控对象是否出现异常。

较佳的，当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，所述总扰动估计值修正单元按照以时间t为自变量的函数f对总扰动估计值进行修正，该函数f的输出值即为修正后的总扰动估计值，且所述函数f的输出值从其初始值f₀开始，经过给定时间△T后收敛至0。

较佳的，所述总扰动估计值修正单元记录所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常时的总扰动估计值，并将该记录值作为函数f的初始值f₀。

较佳的，所述函数f根据总扰动估计值的所述初始值和时间t对总扰动估计值进行修正，且函数f为单调有界函数，满足：|f(t)|≤|f₀|，|·|是绝对值运算符。

较佳的，所述函数f为：Z^* ₂＝f₀·f_c(t)，其中f_c(t)是一以时间t为自变量的单调减有界函数，其取值范围为[0,1]，其输出值能在给定时间范围T内减小至0，Z^* ₂为总扰动估计值的修正值。

较佳的，所述函数f_c(t)为：f_c(t)＝-(1/△T)t+T₀/△T+1，其中T₀对应于所述函数f的初始值f₀的时刻。

本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，可以在被控对象或控制装置出现异常时，平稳退出自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)机制，恢复为传统的基于误差的反馈控制，避免系统因自抗扰控制(ADRC)的异常而出现失稳等严重后果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常规自抗扰控制装置的结构示意图；

图2为本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置一实施例的结构示意图；

图3为本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置一实施例在出现异常时的退出机制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，常规自抗扰控制装置主要由跟踪微分器(TrackingDifferentiator，TD)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)、状态误差反馈(State Error Feedback，SEF)控制器3个部分组成，其中，跟踪微分器用于安排过渡过程并给出过程的微分信号，扩张状态观测器用于给出被控对象状态变量的估计值以及包括外界扰动、系统物理参数误差和内部未建模动态等在内的总扰动作用的实时估计值，该实时估计值的补偿作用使被控对象化为“积分器串联型”，状态误差反馈控制器利用过渡过程与状态估计之间误差的线性或非线性组合和基于总扰动实时估计值的补偿生成控制信号实现对被化成“积分器串联型”的被控对象进行控制。需要指出的是，跟踪微分器在自抗扰控制装置中不是必须的，有些情况下可省略。常规自抗扰控制装置的3个组成部分的选取方法可以有很多不同形式，因此在这个统一的结构框架下，根据不同对象的需求，可以构造出不同的常规自抗扰控制装置。

如附图2所示，本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置包括：

扩张状态观测器(ESO)，对被控对象的总扰动进行估计并输出总扰动估计值；

状态误差反馈控制器(SEF)，根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令；

扰动补偿单元，在被控对象和/或控制装置是正常时，根据总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制；

诊断单元，判断被控对象和/或控制装置是否出现异常；

总扰动估计值修正单元，当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，对被控对象的总扰动估计值进行修正；

当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，所述扰动补偿单元根据经所述总扰动估计值修正单元修正后的总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制。

与常规自抗扰控制装置相同，本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置还可以包含一跟踪微分器，同样由于跟踪微分器在自抗扰控制装置中不是必须的，因此在前述说明及后续说明都是针对不包含跟踪微分器的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，读者可以根据需要在本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置的基础上增加跟踪微分器。

显然，与附图1所示的常规自抗扰控制装置相比，本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置增加了扰动补偿单元、诊断单元和总扰动估计值修正单元。对比附图1和附图2可以发现，常规自抗扰控制装置同样包含了本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置中的扰动补偿单元的功能(即减法器)，只是没有对其特别命名。因此，本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置与常规自抗扰控制装置的区别在于增加了诊断单元和总扰动估计值修正单元，但本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置的扰动补偿单元在诊断单元判定判断被控对象和/或控制装置出现异常前后执行减法计算时的被减数是不同的，而常规自抗扰控制装置中减法器的被减数始终保持不变。

在应用本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置对被控对象进行控制时，诊断单元持续不断地对被控对象和/或自抗扰控制装置自身是否出现异常进行判断，当判断结果为未出现异常时，总扰动估计值修正单元不对估计值修正单元进行修正，扰动补偿单元根据状态误差反馈控制器输出的误差控制指令和未经修正的总扰动估计值生成总控制指令，对被控对象进行控制，此时，除了增加了诊断单元的诊断操作外，其余与常规自抗扰控制装置的控制过程相同；当诊断单元判定被控对象和/或自抗扰控制装置自身出现异常后，总扰动估计值修正单元对估计值修正单元进行修正，扰动补偿单元根据状态误差反馈控制器输出的误差控制指令和经总扰动估计值修正单元修正后的总扰动估计值生成总控制指令，对被控对象进行控制。

实施例

不失一般性，下面将PMSM(永磁同步电机)作为被控对象、以PMSM的调速控制为例对本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置的工作原理进行说明，且采用了线性自抗扰控制装置，但这些并不构成对本发明内容适用于非线性自抗扰控制装置的限制，即本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置既可以是线性自抗扰控制装置，也可以是非线性自抗扰控制装置。

对于PMSM而言，其速度方程为：

其中，ω是曳引机的转子角速度，n_p是极对数，是永磁磁链，j是转动惯量，i_q是曳引机的q轴电流，B是粘性系数，T_L是负载转矩，t为时间。

令控制增益总干扰则速度方程可表示为：

显然，系统(1)的阶数n＝1，且总干扰a(t)中包含了电流环的跟踪误差、由粘性阻力产生的摩擦转矩和外部负载扰动，设计如下一阶线性扩张状态观测器(LESO)：

其中，u是总控制指令，z₁是PMSM转子角速度ω的估计值，z₂是总干扰a(t)的估计结果，β₁和β₁是设计参数，b为控制增益。

显然，LESO不但输出了总干扰a(t)的估计结果z₂，同时还输出了被控对象——PMSM的输出——PMSM转子角速度ω的估计值z₁。

状态误差反馈控制器根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令，可以采用非线性控制器，也可以采用线性控制器，这里为简单，采用了传统PI控制器，则其生成的误差控制指令u₀如下；

u₀＝k_{p_ADRC}(ω^*-ω)+k_{i_ADRC}∫(ω^*-ω)dt (4)

其中，k_{p_ADRC}和k_{i_ADRC}分别为PI控制器的比例增益系数和积分增益系数，ω^*是给定的PMSM的速度指令。

扰动补偿单元根据扩张状态观测器输出的总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，可以设计成如下算法：

其中，u₀是状态误差反馈控制器输出的基于误差的反馈控制指令。

以上是以PMSM(永磁同步电机)作为被控对象、以PMSM的调速控制为控制目标设计的常规自抗扰控制装置。接下来将在已有的常规自抗扰控制装置的基础上通过增加诊断单元设计和总扰动估计值修正单元设计而形成本发明的具有异常应对能力的自抗扰控制装置。

在应用上述设计的自抗扰控制装置对永磁同步电机进行调速控制时，如果扩张状态观测器的设计参数β₁和β₁选取的不合适，那么在运行过程中可能会出现扩张状态观测器对永磁同步电机转子速度的估计值与其实际值间的差值，即扩张状态观测器对永磁同步电机转子速度的估计误差异常变大、甚至是扩张状态观测器对永磁同步电机转子速度的估计值完全偏离其实际值的现象，因此本实施例中，诊断单元根据扩张状态观测器输出的永磁同步电机转子角速度的估计值z₁与永磁同步电机的实测转子角速度ω间的差值的绝对值与给定阈值间的大小关系来判断自抗扰控制装置和/或永磁同步电机(由于是判断依据是速度估计误差的绝对值与给定阈值间的大小关系，因此其结果通常是自抗扰控制装置自身而非是永磁同步电机)是否出现异常：当前述绝对值大于给定阈值时即判定自抗扰控制装置出现异常。

当然，对于被控对象或是自抗扰控制装置自身是否出现异常的判断，诊断单元还可以根据被控对象的特性、实际环境等采用其它的判断依据，如下面所列中的一个或多个：

(1)被控对象的输出或其变化率的绝对值；

(2)被控对象的输出与控制目标之间的控制误差或其变化率的绝对值；

(3)所述扩张状态观测器输出的总扰动估计值或其k次微分值，k为正整数；

(4)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值或其变化率的绝对值；

(5)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值与被控对象的实际输出值之间的差值或其变化率的绝对值。

当前述所采用的判断依据等于其给定值时，即可判定被控对象或是自抗扰控制装置自身出现异常。实际上，在工程实践中，考虑到各种干扰、检测误差等，通常是将前述(1)到(5)中的至少一种与预先设定的阈值进行大小比较，或者是利用前述(1)到(5)中的至少一种与事先确定的给定值求出二者间的差值，再根据该差值与阈值间的大小关系来判断控制装置和/或被控对象是否出现异常。

当诊断单元判定自抗扰控制装置出现异常后，总扰动估计值修正单元对扩张状态观测器输出的总扰动估计值进行修正，而扰动补偿单元则根据经总扰动估计值修正单元输出的总扰动估计值的修正值和误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制，此时，(5)变为：

其中，是经总扰动估计值修正单元对总干扰a(t)的估计结果z₂修正后得到的修正值。

为了消除因扩张状态观测器出现异常而对控制系统的影响，考虑到状态误差反馈控制器(SEF)(本实施例中为一PI控制器)可以对被控对象进行稳定控制，同时避免出现由突然去掉扰动补偿单元中的总扰动估计值给总控制指令带来的突变可能导致的不利影响，总扰动估计值修正单元对总扰动估计值的修正作用效果应当是使总扰动估计值由诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常时的总扰动估计值经过时间△T后渐变至0。

总扰动估计值修正单元对总干扰a(t)的估计结果z₂的修正作用可表示为如下数学形式：

令T₀是诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常的时刻，则函数f(t)在T₀时刻的值，即其初始值满足f₀＝f(T₀)＝Z₂(T₀)，Z₂(T₀)是扩张状态观测器输出的对应于时刻T₀的总干扰a(t)的估计结果；令△T为总扰动估计值修正单元对总扰动估计值的修正作用的持续时间，即总扰动估计值修正单元输出的经修正后的总扰动估计值由f₀渐变至0所经过的时间段，则f(T₀+△T)＝0。

因此，函数f(t)是一个时间t为自变量的函数，且在经过时间△T后收敛至0，此外，为了能够获得好的控制效果，函数f(t)应当是一个平滑函数。显然，函数f(t)的输出值即为修正后的总扰动估计值。同样，为了获得好的控制效果，修正后的总扰动估计值应不大于未修正的总扰动估计值，即函数f(t)根据总扰动估计值的所述初始值Z₂(T₀)和时间t对总扰动估计值进行修正，且函数f(t)为单调有界函数，满足：|f(t)|≤|f₀|，|·|是绝对值运算符。显然，为了确定函数f(t)的初值f₀，总扰动估计值修正单元需要记录诊断单元判定自抗扰控制装置出现异常的时刻T₀所对应的总扰动的估计值Z₂(T₀)，并将该记录值作为函数f的初始值f₀。

满足上述条件的函数f(t)既可以是线性函数，也可以是非线性函数，其具体实现有多种形式，如：

Z^* ₂＝f₀·f_c(t)(8)

其中f_c(t)是一以时间t为自变量的单调减有界函数，其取值范围为[0,1]，其输出值能在时间范围T₀内减小至0，Z^* ₂为总扰动估计值的修正值。

本实施例中，其中函数f_c(t)为：

f_c(t)＝-(1/△T)t+T₀/△T+1 (9)

其中，T₀对应于所述函数f的初始值f₀的时刻，即诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常的时刻。

附图3所示为本实施例在诊断单元判定扩张状态观测器出现异常后总扰动估计值修正单元如(8)和(9)所示算法对扩张状态观测器输出的总扰动估计值进行修正，使得总扰动估计值的修正值逐渐减小的结果，显然基于总扰动估计值的扰动补偿作用逐渐退出，被控对象由自抗扰控制装置控制逐渐变为由基于状态误差的反馈控制，本实施例中则是由自抗扰控制装置变为PI控制器。显然，修正后的总扰动估计值逐渐减小，最后到达并稳定保持在了0。

本实施例的核心是根据是否存在被控对象和/或扩张状态观测器出现异常后的表征来判断被控对象和/或扩张状态观测器是否异常，并在判定出现异常后对总扰动估计值进行修正，使其减小至0，藉此实现控制器由自抗扰控制装置到传统的状态误差反馈控制器的转变。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有异常应对能力的自抗扰控制装置，包括：

扩张状态观测器，对被控对象的总扰动进行估计并输出总扰动估计值；

状态误差反馈控制器，根据控制目标和被控对象的输出生成误差控制指令；

扰动补偿单元，在被控对象和/或控制装置是正常时，根据所述总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制；

其特征在于，所述自抗扰控制装置还包括：

诊断单元，判断被控对象和/或控制装置是否出现异常；

总扰动估计值修正单元，当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，对被控对象的总扰动估计值进行修正；

当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，所述扰动补偿单元根据经所述总扰动估计值修正单元修正后的总扰动估计值和所述误差控制指令生成总控制指令，对被控对象进行控制。

2.根据权利要求1所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述诊断单元根据以下至少一种数据判断被控对象和/或控制装置是否出现异常：

(1)被控对象的输出或其变化率的绝对值；

(2)被控对象的输出与控制目标之间的控制误差或其变化率的绝对值；

(3)所述扩张状态观测器输出的总扰动估计值或其k次微分值，k为正整数；

(4)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值或其变化率的绝对值；

(5)当所述扩张状态观测器能够对被控对象的输出进行估计并输出被控对象输出估计值时，所述被控对象输出估计值与被控对象的实际输出值之间的差值或其变化率的绝对值。

3.根据权利要求2所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述诊断单元还利用所述(1)到(5)至少一种数据与阈值间的大小关系，或者是利用所述(1)到(5)至少一种数据与给定值得到二者间的差值，并进一步根据该差值与阈值间的大小关系来判断控制装置和/或被控对象是否出现异常。

4.根据权利要求1～3任一项所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

当所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常后，所述总扰动估计值修正单元按照以时间t为自变量的函数f对总扰动估计值进行修正，该函数f的输出值即为修正后的总扰动估计值，且所述函数f的输出值从其初始值f₀开始，经过给定时间△T后收敛至0。

5.根据权利要求4所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述总扰动估计值修正单元记录所述诊断单元判定被控对象和/或控制装置出现异常时的总扰动估计值，并将该记录值作为函数f的初始值f₀。

6.根据权利要求5所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述函数f根据总扰动估计值的所述初始值和时间t对总扰动估计值进行修正，且函数f为单调有界函数，满足：|f(t)|≤|f₀|，|·|是绝对值运算符。

7.根据权利要求6所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述函数f为：Z^* ₂＝f₀·f_c(t)，其中f_c(t)是一以时间t为自变量的单调减有界函数，其取值范围为[0,1]，其输出值能在给定时间范围T内减小至0，Z^* ₂为总扰动估计值的修正值。

8.根据权利要求7所述的具有异常应对能力的自抗扰控制装置，其特征在于，

所述函数f_c(t)为：f_c(t)＝-(1/△T)t+T₀/△T+1，其中，T₀对应于所述函数f的初始值f₀的时刻。