ADRC算法的工作原理、特点及行业应用.doc
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1、ADRC算法的工作原理、特点及行业应用一、PID的历史在讲述ADRC算法前,我们先回顾它的前辈:PID算法。1932年出生在瑞典后来移民美国的HNyquist发表了论文,采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上HWBode等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法,后来也用于自动控制系统的分析与设计。与此同时,反馈控制原理开始应用于工业过程中。1936年英国的考伦德(ACallender)和斯蒂文森(AStevenson)等人给出了PID控制器的方法,自此PID算法正式形成了。PID控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。几十年前的PID控制器还是机械式的,如图1的气
2、压控制器。图1 机械式PID气压控制器时至今天,凡是有“自动控制”能力的产品,几乎无一不采用到PID算法,大至武器、飞机、轮船,小至家电、IOT设备、玩具等等。例如我们日常使用的空调,它是使用着PID算法将温度控制在我们期望值上;手机导航靠PID算法准确分析运动状态;无人机靠PID算法稳定飞行姿态。 PID在我们周围无处不在,尽心尽力地帮助人类实现“自动控制”。但和几十年前不同,随着计算机技术的发展,现在的PID大多是“软控制”的,即在处理器里面运行软件控制,结构大为简化。二、PID的原理与不足图2是直流电机的PID调速系统。No(t)是期望得到的电机目标速度,N(t)是电机实际的速度,U(t
3、)是PID控制器的输出电压。No(t)与N(t)相比较,得出的偏差值E(t)=No(t)-N(t),经PID控制器计算后输出控制电压U(t),驱动电机改变速度。当实际速度偏小时,即No(t) N(t),E(t)0,PID控制器加大U(t)输出,电机实际速度将提高;当实际速度偏大时,即No(t)图2 直流电机PID调速系统PID控制器使用公式1进行计算。公式的右边有三项,分别是比例(Proportion)、积分(Integration)和微分(Differential)。公式 1比例环节的作用是对偏差作出快速响应,KP越大,控制能力越强,但过大的KP会增大超调量(超过给定值的量)。另外比例环节可
4、以减少静态误差(稳定时与给定值比较的偏差),但不能完全消除。图3使用比例环节把电机的转速从零提升到2500r/min,提升过程比较快,但出现了超调,且存在静态误差。图3 比例环节的作用积分环节的作用是消除积累下来的偏差(静态误差)。在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就不断增大,直到偏差E(t)=0,输出才可能稳定在某一值上。但积分环节会降低响应速度,增加超调量。TI越大,积分作用越弱。图4是在比例环节的基础上加上积分环节,先前的静态误差得到消除,电机趋于2500 r/min,但增加了另外一段超调量。图4 比例环节积分环节的作用图5使用了PID的所用环节控制电机。每个环节各尽其职,比例
5、环节P快速提升速度,积分环节 I 消除静态误差,微分环节D压制超调量。图5 比例环节积分环节微分环节的作用PID虽然应用广泛,但有明显的不足。PID反应慢,它是要等到误差发生后,才去补偿控制,如果控制力太大(比例系数KP),就有超调,如果过小,就反应慢。PID对环境变化敏感,例如无人机的螺旋桨在高速旋转时,受到很强的压缩空气阻力,PID的作用力要很大才能维持稳定的速度,但是当低速时,空气阻力非常小,在强大的PID作用力下,螺旋桨会震动、不稳定,所以这时需要另外一套较弱的PID。三、ADRC的诞生干扰,或者称扰动,是指系统外部的环境出现变化,或者系统内部特性改变,最终影响了系统的性能。例如上面提
6、到的无人机的螺旋桨,空气阻力随转速变化,影响电机速度的稳定性,这个是外部扰动;当电机长时间运行后,温度明显上升,铜线圈的电阻值升高,原来预估的给多少V电压就得到多少A电流的关系不存在了,这是内部扰动。来个假设吧,如果世界一切美好、没有任何内外扰动,那么对于任何系统,只要调整好一次PID参数,就可在任何情况下都达到理想效果。但事与愿违,扰动无处不在,如何实现“他强由他强,清风拂山岗;他横由他横,明月照大江”的抗扰动效果,一直是自控工程中最核心的研究工作。自抗扰控制(ADRC)技术是已故韩京清研究员借鉴经典PID控制理论,在1999年正式系统地提出来的。他的灵感来源于指南车(又称司南车),是中国古
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