内容简介
《自抗扰控制——设计、仿真与试验（上册）》主要论述自抗扰控制器设计方法、参数整定规则及其在能源动力控制系统中的仿真模拟与现场试验。《自抗扰控制——设计、仿真与试验（上册）》在理论分析的基础上，通过大量仿真实验详尽地讨论了自抗扰控制的应用，主要包括单变量与多变量系统的控制器设计与参数整定，气化炉、锅炉、汽轮机、发电机、飞行器、水轮发电机组、分布式能源系统等实际对象控制的仿真模拟，以及火电机组控制的现场应用试验。
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 范式的转变：从PID控制到自抗扰控制 1
1.1.1 自抗扰控制与PID控制的兼容性 1
1.1.2 从一维设计到二维设计 2
1.1.3 参数整定 3
1.2 热工过程的自抗扰控制 3
1.2.1 工程实现 3
1.2.2 ESO初始值的设置 4
1.2.3 参数整定 5
1.2.4 结构改进 5
参考文献 6
第2章 自抗扰控制的原理与方法 8
2.1 自抗扰控制的基本理论 8
2.1.1 非线性自抗扰控制 8
2.1.2 线性自抗扰控制 10
2.2 不稳定热方程的自抗扰动态镇定 13
2.2.1 问题描述 13
2.2.2 闭环系统适定性 15
2.2.3 闭环系统稳定性 18
2.2.4 仿真研究 24
2.2.5 小结 25
2.3 不稳定波动方程的自抗扰动态镇定 25
2.3.1 问题描述 26
2.3.2 闭环系统适定性 27
2.3.3 闭环系统稳定性 32
2.3.4 仿真研究 39
2.3.5 小结 42
参考文献 42
第3章 单变量系统的自抗扰控制 44
3.1 低阶自抗扰控制重构对象分析 44
3.1.1 基于指定模型的抗扰原理 44
3.1.2 重构对象的特性分析 48
3.1.3 小结 63
3.2 典型高阶对象的自抗扰控制 63
3.2.1 高阶对象自抗扰控制系统优化设计流程 63
3.2.2 高阶对象自抗扰控制优化设计应用实例 65
3.2.3 小结 73
3.3 多个惯性环节串联的高阶系统自抗扰控制 74
3.3.1 改进自抗扰控制设计 74
3.3.2 仿真研究 81
3.3.3 过热汽温回路的现场应用 89
3.3.4 小结 99
3.4 非线性主动状态补偿控制 99
3.4.1 非线性主动状态补偿方法原理 99
3.4.2 自抗扰控制通用鲁棒评价框架 105
3.4.3 基于回路成形理论控制器频率特性优化设计 108
3.4.4 控制系统动态特性的定量评价 111
3.4.5 “分析—设计—优化—评价”非线性主动状态补偿控制方法设计流程 113
3.4.6 小结 115
3.5 一类本质非线性环节的非线性主动状态补偿控制 115
3.5.1 一类本质非线性环节 115
3.5.2 本质非线性环节的非线性主动状态补偿控制 118
3.5.3 小结 125
3.6 基于输入成形的自抗扰控制 126
3.6.1 输入成形技术简介 126
3.6.2 问题描述 127
3.6.3 自抗扰控制器结构 127
3.6.4 输入成形技术 132
3.6.5 基于输入成形的自抗扰控制结构 136
3.6.6 仿真研究 138
3.6.7 小结 147
3.7 时滞过程的改进一阶自抗扰控制及定量整定 147
3.7.1 时滞自抗扰控制结构 147
3.7.2 补偿对象回路近似分析与整定 148
3.7.3 基于预期动态的参数整定 149
3.7.4 仿真研究 151
3.7.5 小结 153
3.8 基于改进ESO的非*小相位系统二自由度控制 154
3.8.1 基于模型信息的改进ESO设计 154
3.8.2 反向调节量受限的*优前馈设计 156
3.8.3 收敛性及参数整定 156
3.8.4 仿真研究 158
3.8.5 小结 159
3.9 基于鲁棒约束的自抗扰控制定量整定 159
3.9.1 问题描述 159
3.9.2 二阶自抗扰控制的定量参数整定公式 164
3.9.3 一阶自抗扰控制的定量参数整定公式 176
3.9.4 小结 182
3.10 基于概率鲁棒的自抗扰控制 182
3.10.1 问题描述 182
3.10.2 设计思路和流程 183
3.10.3 仿真研究 188
3.10.4 实验台验证和现场应用 207
3.10.5 小结 214
参考文献 214
第4章 多变量系统的自抗扰控制 220
4.1 多变量逆解耦自抗扰控制 220
4.1.1 问题描述 220
4.1.2 多变量逆解耦自抗扰控制方法设计 221
4.1.3 自抗扰控制器参数整定方法 224
4.1.4 仿真研究 225
4.1.5 逆解耦矩阵物理可实现性分析 243
4.1.6 球磨机制粉系统逆解耦自抗扰控制 258
4.1.7 小结 265
4.2 基于等效开环传递函数的自抗扰控制 265
4.2.1 问题描述 265
4.2.2 多变量系统的等效开环传递函数 267
4.2.3 自抗扰控制器 271
4.2.4 基于EOTF的多变量自抗扰控制设计流程 272
4.2.5 仿真研究 273
4.2.6 小结 285
4.3 基于简单解耦的多变量系统自抗扰控制 285
4.3.1 问题描述 285
4.3.2 简单解耦 287
4.3.3 线性自抗扰控制器 290
4.3.4 基于广义简单解耦的多变量系统自抗扰控制设计 293
4.3.5 仿真研究 293
4.3.6 小结 309
4.4 多变量分散式自抗扰控制 309
4.4.1 问题描述 309
4.4.2 基于二阶自抗扰控制律的多变量分散控制器设计 311
4.4.3 基于输入成形的分散自抗扰控制结构设计 325
4.4.4 分散自抗扰控制的
试读
第1章 绪论
自抗扰控制(active disturbance rejection control， ADRC)是中国科学院数学与系统科学研究院韩京清研究员提出的一种不依赖精确数学模型的先进控制思想。本章从自抗扰控制与比例积分微分(proportional-integral-derivative， PID)控制关系出发，探讨自抗扰控制的设计思想，初步介绍自抗扰控制在热工过程中应用时需要关注的关键技术点。
1.1 范式的转变：从PID控制到自抗扰控制
PID控制作为一种工业控制的主要通用解决方案，一直主导着行业发展。它起源于比例控制，可以追溯到工业革命初期的离心调速器。随着控制要求的增加，积分和微分项被添加为改进增量。完整的PID控制器是由Elmer Sperry于1911年针对船舶转向提出的，其数学形式由Nicholas Minorsky于1922年给出。20世纪40年代的**控制理论，以及60年代以后的现代控制理论，并没有对实际的工业实践产生太大的改变，PID控制作为唯一可行的通用解决方案，至今仍然是*树一帜的。
那么，是什么使得自抗扰控制与众不同呢?
1.1.1 自抗扰控制与PID控制的兼容性
韩京清在其具有里程碑意义的专著《自抗扰控制技术—估计补偿不确定因素的控制技术》中对于PID控制的机制及其特征的深刻见解是自抗扰控制思想的核心来源。PID控制的控制动作由设定值和输出之间的偏差驱动，并考虑其当前值、过去值和未来值进行调节计算。系统的稳定性可以通过增益的大范围变化来保证，但是良好的控制性能很难通过增益的大范围变化来实现。PID控制的简单性是以参数灵敏度为代价的，即只有在很窄的增益范围内才能获得良好的性能，并且不易整定。
在电力行业，PID控制整定的问题尤其严重，因为每台机组都有超过100个PID控制回路，只有少数的现场工程师能够具备调整这些回路的能力。大多数“高级控制”解决方案很难在现场实施和应用，因为：①它们与PID控制设计原则不兼容；②现场工程师无法对它们进行调整优化。
自抗扰控制继承了PID控制的偏差驱动设计原理，更进一步地，自抗扰控制将输出偏差的概念扩展到了系统动力学，且通过一些权衡可以简化为PID控制的标准形式，没有工程经验的现场工程师也可以在分散控制系统(distributed control system， DCS)中轻松地对其进行组态实现和参数调整。
1.1.2 从一维设计到二维设计
平衡于偏差驱动PID控制的设计思想，许多研究人员基本上是先利用反馈的概念，再发展基于模型的控制理论，即从“**控制”到“现代控制”理论。反馈控制理论的目标不是使偏差为零，而是使用反馈来修改系统的稳定性、瞬态和稳态特性等行为。然而，这两种范式在设计目标上有着共同的单一性，即减少偏差或者改变动态特性，都是“一维”的。
相比之下，自抗扰控制器的设计本质上是二维的，见图1.1.1，采用了许多实践工程师所熟悉的串联控制方式。内环即扰动抑制器(rejector)，通过设计的扩张状态观测器(extended state observer， ESO)将系统动力学简化为积分串联型对象，又称Han标准型。需要说明的是，扰动抑制器在假设模型信息非常少的情况下能够消除系统的多重干扰，并保证系统按照积分串联型的理想对象运行。
图1.1.1 自抗扰控制器二维结构
外环即控制器，其设计通过PD控制器确保输出偏差为零。当然，PD控制器可以扩展到具有比例项和多个微分项的n阶控制器。需要说明的是，控制器中没有积分项，这是因为积分串联形式的对象不需要积分项。
该二维的设计与**的二自由度(two-degree-of-freedom， 2DOF)控制结构设计是有所不同的。例如，二自由度控制结构可以单*设计去补偿系统动态，但也是前面讨论的一维设计思想。
1.1.3 参数整定
工程中总是要做出权衡，所有控制器为获得足够好的性能都需要在实际中进行调整，还需要解决如稳定裕度和噪声敏感性的其他限制问题。在实际中没有绝对的“*优”，自抗扰控制器的参数整定也不例外。它从“ESO需要多快才能迅速估计并消除位于控制回路带宽内总干扰”的问题出发，决定了ESO的带宽，进而决定了ESO增益。
另外，控制器增益取决于带宽的要求，带宽又取决于设计的性能要求。需要说明的是，ESO和控制器带宽在控制工程中都是需要权衡的，即带宽越高，代价也会越高。因此，一般的指导原则是在满足性能要求的前提下选择尽可能低的带宽。
相比之下，PID控制参数整定的难度在于：①在开始整定之前，我们不知道是否存在同时满足干扰抑制(或鲁棒性)和设定值跟踪方面均有良好性能的PID控制增益；②即使存在这样的参数集，我们也不知道如何系统地找到它；③假设找到了这样一个参数集，如文献[1]讨论的那样，无论是通过经验还是随意对其进行的改变都可能会显著改变系统性能。
从PID控制到自抗扰控制的转变将从根本上解决当前的困境。
1.2 热工过程的自抗扰控制
接下来以热工过程为背景
