前言
该毕业设计主要对一种新型的基于自抗扰控制器的直流调速系统进行研究。传统的直流双闭环调速系统采用的是常规的PI控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。这种控制响应慢，而且难免会有超调现象产生。另外，传统的PID控制虽然在实际中有了较好的应用，但太过依赖精确的数学模型，而且有对负载变化的适应能力差，抗干扰弱等缺点，使得传统控制在实际生产中常常处于尴尬的处境。
自抗扰控制器由跟踪微分器，扩展状态观测器，非线性状态误差反馈控制规律三部分组成。其结构决定了他不需要像传统PID控制那样了解被控对象精确的数学模型，而是通过扩展状态观测器实时估计各种扰动并加以补偿，从而提高性能。它在汲取传统PID的优点，克服其缺点的基础上发展而来，能够广泛运用于各种工业生产中。
研究历程及现状
控制是以适当的控制力来驾驭被控对象,使其运动在各种扰动作用之下也能按期望的方式(按给定的目标轨迹或设定值)变化。施加控制力的根本途径和目的是“感受控制目标与对象实际行为之间的误差,适当处理这个误差来消除它”,即“基于误差来消除误差”近一个世纪的控制理论发展的历史就是围绕“消除这个误差”的两种不同方法相互交错而发展的历史。这两种不同方法是:
一是“基于误差来消除误差”的控制策略。以PID调节器为代表的实用工业控制器都是基于这种控制策略来做成的。
二是“基于内部机理描述的控制方法”的控制策略,即以对象数学模型为研究的“出发点”,也是研究的“归宿”的现代控制理论方法。
在工程实际中，目标与对象实际之间的误差是容易获取的，因而，基于误差来消除误差的PID控制器在实际中获得了广泛应用。而实际工程中难以给出精确的内部机理描述，所以尽管现代控制理论方法阐明了控制理论的很多基本特性，但却难以获得实际应用，因而没使得信号处理效率进一步提高。这也是控制工程实践与理论难以结合的延续了半个世纪的问题。
我国控制理论和应用的早期开拓者之一，韩京清，自20世纪80年代末开始，基于现代微处理器的数字技术相继开发出了非线性跟踪微分器、扩张状态观测器等对信号处理及控制具有独特功能和效率的新型非线性动态结构,也提出了具有特殊功能的非线性误差反馈机制,从而开发出非线性PID、最优非线性PID、自抗扰控制器、最优自抗扰控制器、自寻最优自抗扰控制器等一系列新型非线性实用控制器。在这些新型控制结构中,自抗扰控制器最具代表性,因而统称“自抗扰控制技术”。
在实现控制目标的过程中，关于如何施加控制力来抵消各种影响一直存在两种原理：20世纪40年代苏联学者提出的“绝对不变性原理”和20世纪70年代加拿大学者提出的“内膜原理”。但是自抗扰控制器的最突出的特征就是把作用于被控对象的所有不确定因素作用都归结为“未知扰动”而用对象的输入输出数据对它进行估计并给予补偿。“自抗扰”的意义就在于此。不需要直接测量外扰作用,也不需要事先知道扰动作用规律(当然能获取更好)。这样,自抗扰控制技术,本质上彻底突破了“绝对不变性原理”和“内模原理”的局限性。
自抗扰控制技术是适应数字控制的时代潮流、吸收现代控制理论成果、发扬并丰富PID思想精髓(“基于误差来消除误差”)开发运用特殊非线性效应来发展的新型实用技术。因此,凡是能用常规PID的场合,只要能够数字化,采用自抗扰控制器就会使其控制品质和控制精度有根本的提高。尤其是在恶劣环境中要求实现高速高精度控制的场合,自抗扰控制技术更能显出其优越性。
自抗扰控制技术所需的被控对象信息是对象的阶次,力的作用范围,输入输出通道个数和联结方式,信号延迟时间,特别是代表系统变化快慢的“时间尺度”等很容易得到且物理概念清晰的特征量。至于目前的按线性、非线性,时变、时不变,单变量、多变量等传统的系统分类法在自抗扰控制技术中已不再适用,而“时间尺度”才是区别不同被控对象的新的标准,即“时间尺度”相当的被控对象是可以用同样的自抗扰控制器进行控制的。“时间尺度”是描述被控对象的新的特征量。以这个特征量作为新的抽象被控对象的控制理论尚未展开,但自抗扰控制技术的广泛推广应用,必定会推进适应自抗扰控制技术的新的控制理论的产生和发展。
韩京清教授通过Fortran算法和应用软件Matlab进行大量仿真实验，为今天的自抗扰技术做出巨大贡献。按传统观点,靠计算机数字仿真研究所得到的结果是不能直接应用于实际控制工程实践中的。但是大量的数字仿真研究和现场应用实践表明,由于自抗扰控制器完全独立于被控对象的具体数学模型,对被控对象进行大致描述的近似模型再加一些极端形式扰动的模型来代表被控对象,进行计算机数字仿真实验所得的结果，完全可以直接应用于实际对象上。从这种观点看,把计算机作为数字仿真实验平台来进行控制系统的实验研究是完全可以的。另外，计算机仿真技术已发展到很高的水平,以很高的逼真度来模仿许多实际系统行为。实际上,以这种仿真系统作为平台来进行控制系统的实验研究已经在控制工程界得以实现。
高志强教授在2003年提出了简化、归一化参数的ADRC设计思想，为ADRC的工程应用提供了设计思路。其后，在此基础上逐步形成了线性ADRC控制算法，并将其应用于多种工业领域中。该技术是由中国人发明的，且是近期研究的新技术，相关研究成果数量不是很大，但正在受到越来越多的关注，不断发展并给企业带来更大的经济和社会效益。由于该项技术起源于中国，之后由中国人引入国外，经历时间还很短，因此，该项技术在国外的发展水平有限，还有很大的上升空间。
自抗扰控制技术已经在我国电力系统、精密机械加工车床、化工过程、现代武器系统等领域得到推广应用，取得了显著的社会效益和经济效益。在导弹控制预研项目中的应用显示出传统控制方法无法比拟的效果。
评述
自抗扰控制（Active Disturbances Rejection Control，ADRC）代表一类全新的工程控制理念。在技术上它既继承了PID控制技术的精髓又解决D参数整定这个老大难问题；在学术上它既采用了现代控制理论中的状态空间方法又摆脱了其对模型的依赖，从而从根儿上解决了所谓鲁棒控制问题；在方法论上，自抗扰控制的建立和发展开辟了一条基于计算机仿真实验的新途径：大胆地设想、尝试和探索，仔细地对结果总结、综合、抽象和提高；然后要小心地论证。事实证明，一个跨时代的通用控制技术就是这样产生的。
对于使用者来说，自抗扰控制技术的特点是既不依赖被控对象精确模型又不浪费模型知识；既能够替代PID控制技术又可以和它相辅相成；既借用古典控制论和现代控制论的分析和论证又不受其限制。做为一种新型实用的数字控制技术，自抗扰控制技术正在渗透到工程技术的各个角落，在提高控制品质降低能量消耗等方面往往取得意想不到的效果。自抗扰控制技术门槛低，实现和调试都可以做得非常简单。但是当我们把这个通用控制理念实现在某一类具体的工程系统中时，不要因为急于求成而生搬硬套。成功的应用往往基于对自抗扰控制以及控制问题的深刻理解。
韩京清先生1989年以其深刻的洞察力提出了控制理论的模型论和控制论之分, 即肯定了模型论的发展和价值, 也指出了它的不足和发展控制论的迫切需要. 韩先生毕尽余生, 创建、发展了自抗扰控制, 提出了有中国特色的控制理念。 自抗扰控制不仅仅是一门实用的技术, 更是一个独特、深刻的思想。 它唤醒了我们的质疑精神, 启发我们去询问什么是控制论？它的本质问题和基本原理是什么？它要研究什么？它的前提是不是合理？而只有当我们试图去回答这些问题时, 才会发现自抗扰控制的理念是何等鲜活, 才会去寻找它的源头活水, 才会试图在我们博大精深的文化中追寻它的根基。
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资料编号：[263912]
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