自抗扰控制器与多目标优化算法

自抗扰控制技术是韩京清研究员经过几十年的研究，在深入认识经典控制理论和现代控制理论各自优缺点的过程中，大量运用计算机数字仿真实验进行探索和改进而发展出来的。为了解决PID算法的缺点，韩京清提出了一种新型的非线性状态误差反馈（NLSEF）控制律结构。在该结构中，将系统的模型和扰动置于相同的地位，通过扩张状态观测器估计出实时作用量而给以补偿。这种非线性状态误差反馈的控制规律最终被定型为自抗扰控制器 （Active Disturbance Rejection Control，ADRC），该方法已经被应用于时变系统控制、多变量系统解耦和最小相位系统控制仿真中，控制效果良好。随着研究的深入，该方法现已应用在国家电力系统、精密机械加工车床、化工过程和现代武器系统、倒立摆控制、船舵方向控制等工业领域，并获得了很好的社会效益和经济效益。

但是随着研究的深入，自抗扰控制器的一些问题仍然没有得到良好的解决。主要问题集中在两方面：一个是控制器的稳定性证明；另一个是控制器参数的整定。

从控制性能来说使用非线性机制有其有利的一面，如更高精度、更高的反馈效率等，但也给其理论分析和工程设计带来了较大困难，使用非线性反馈所带来的稳态高增益容易带来小信号引起的抖动，同时控制设计参数过多 （10个左右），并且非线性控制器难以利用工程上常用的频域分析来确定稳定性边界。

针对这些问题，高志强等学者将所有控制器和扩张状态观测器（ESO）都以线性形式实现，得到线性自抗扰控制器 （Linear Active Disturbance Rejection Control，LADRC），LADRC 将控制参数降到4个，其控制效果得到了仿真验证，效果良好。同时线性自抗扰控制器的稳定性也经过一些学者的研究得到了证明。(www.xing528.com)

尽管LADRC 具有如上特点，非线性自抗扰控制器（NLADRC）的研究并没有被学者放弃。非线性自抗扰控制器的稳定性证明和控制器参数的整定方法也有很多学者进行了深入研究。韩京清在其书中针对特定的系统对象提出了一些参数计算方法，但通用性较差。目前学者的兴趣在于将优化算法引入自抗扰控制器的参数整定中，包括遗传算法、单纯型法在内的单目标优化算法的效果得到了验证，但通用性还是受到限制。因此，针对多目标优化算法进行的研究工作受到了研究人员的注意。

本章主要介绍自抗扰控制器的原理，并针对其参数整定算法的特点，给出一种基于多目标优化算法的通用性整定算法的结构，并给出数值仿真验证。