[论文解读] Active Disturbance Rejection Control (ADRC) Toolbox for MATLAB/Simulink

Krzysztof Łakomy, Wojciech Giernacki+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2021

Advanced DC-DC Converters被引用 16

一句话总结

本文介绍了一款开源、支持拖拽操作的 MATLAB/Simulink 主动干扰观测控制（ADRC）工具箱，可实现运动控制、过程控制和电力控制应用中基于 ADRC 的控制系统的快速、用户友好的设计。该工具箱通过单一通用功能模块简化了实现过程，并通过仿真和硬件实验得到验证，展示了其易于集成和鲁棒性能的特点。

ABSTRACT

In this study, an active disturbance rejection control (ADRC) toolbox for MATLAB/Simulink is introduced. Although ADRC has already been established as a powerful robust control framework with successful industrial implementations and strong theoretical foundations, a comprehensive tool for computer-aided design of ADRC has not been developed until now. The proposed open-source ADRC Toolbox is a response to the growing need in the scientific community and the control industry for a straightforward software application of the ADRC methodology. Its main purpose is to fill the gap between the current theories and applications of ADRC and to provide an easy-to-use solution for users in various control fields who want to employ the ADRC scheme in their applications. The ADRC Toolbox contains a single, general-purpose, drag-and-drop function block that allows the synthesis of a predefined ADRC-based strategy with minimal design effort. Additionally, its open structure allows creation of custom control solutions. The efficacy of the ADRC Toolbox is validated through both simulations and hardware experiments, which were conducted using a variety of problems known in the motion, process, and power control areas.

研究动机与目标

• 为解决在 MATLAB/Simulink 中设计基于 ADRC 的控制系统缺乏全面且用户友好的软件工具的问题。
• 弥合理论上的 ADRC 技术进展与实际工业或学术应用之间的差距。
• 提供一个开源且可扩展的工具箱，支持标准与自定义 ADRC 配置，同时最大限度减少用户操作负担。
• 实现 ADRC 与现有 Simulink 模型的无缝集成，适用于多种控制应用。
• 通过数值仿真和多领域控制应用中的实时硬件实验，验证该工具箱的有效性。

提出的方法

• 该工具箱通过一个单一的通用 ADRC 功能模块实现，支持在 Simulink 模型中直接拖拽集成。
• 其核心组件包括：跟踪微分器、扩张状态观测器（ESO）和状态反馈控制。
• 该工具箱支持标准 ADRC 及可定制变体，包括非线性估计误差函数选项和相对扰动阶次选择功能。
• 以 .mltbx 文件形式打包，便于在 MATLAB 中安装和路径管理。
• 该工具箱为开源，可通过 MathWorks File Exchange 获取，本研究使用版本 1.1.3。
• 验证工作包括基于 TCLab 温度控制系统的仿真与实时硬件实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何开发一个统一且用户友好的 ADRC 工具箱，以简化在 MATLAB/Simulink 中设计与实现 ADRC 的流程？
• RQ2 在仿真与实时硬件应用中，该工具箱所能实现的性能与鲁棒性水平如何？
• RQ3 与手动逐级搭建 ADRC 组件相比，该工具箱在设计工作量方面减少了多少？
• RQ4 该工具箱在支持高级 ADRC 配置（如非线性误差函数或部分模型融合）方面的表现如何？
• RQ5 该工具箱是否可在多种控制领域中有效应用，包括运动控制、过程控制和电力系统？

主要发现

• ADRC 工具箱支持在 Simulink 模型中实现快速、拖拽式集成，且用户配置需求极低。
• 通过在温度控制平台（TCLab）上的仿真与实时硬件实验，该工具箱成功得到验证，表现出有效的扰动抑制与跟踪性能。
• 该工具箱支持标准与可定制的 ADRC 策略，包括导数衰减与自动调参功能选项。
• 在多个案例研究中，该实现均展现出鲁棒性能，包括一个具有显著耦合效应的 2 自由度热力系统。
• 其开源特性及通过 MathWorks File Exchange 提供的渠道，确保了广泛可及性与社区驱动的持续改进潜力。
• 该工具箱简化了从理论到实际应用的转化过程，显著降低了控制系统设计的开发时间与工作量。