為本科生開(kāi)設(shè)自抗擾控制技術(shù)相關(guān)課程正當(dāng)其時(shí)

趙春哲 熊江 林曉然

1.重慶三峽學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 404100

為本科生開(kāi)設(shè)自抗擾控制技術(shù)相關(guān)課程正當(dāng)其時(shí)

趙春哲 熊江 林曉然

1.重慶三峽學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 404100

自抗擾控制; 高等教育; 課程

1 開(kāi)設(shè)自抗擾控制相關(guān)課程的意義

ADRC技術(shù)是中科院韓京清研究員發(fā)明的一種非線性控制技術(shù)，其目的在于解決復(fù)雜工業(yè)設(shè)備往往帶有強(qiáng)非線性、強(qiáng)干擾，高性能控制難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

圍繞運(yùn)用ADRC解決工程問(wèn)題，已有不少研究工作。Google學(xué)術(shù)搜索中與ADRC有關(guān)的條目已有數(shù)萬(wàn)條，國(guó)際期刊上與ADRC有關(guān)的研究工作也不斷增多。在國(guó)外，ADRC已經(jīng)在多個(gè)重要領(lǐng)域得到應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)的多數(shù)研究仍處于仿真研究階段，實(shí)物、半實(shí)物實(shí)驗(yàn)較少。

ADRC技術(shù)雖然誕生于國(guó)內(nèi)，卻在我國(guó)不夠普及。我國(guó)掌握ADRC技術(shù)的人員，主要是工作在高校或研究所之內(nèi)的科研人員。他們的興趣首先在于研究和探索A DR C理論，對(duì)應(yīng)用問(wèn)題以及ADRC技術(shù)的普及興趣有限。此外，我國(guó)的公司企業(yè)與科研院所之間的聯(lián)系不緊密，工業(yè)生產(chǎn)一線的技術(shù)人員有時(shí)不了解甚至不信任來(lái)自科研院所的研究成果，難以將新技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。

鑒于此，有必要在高等院校開(kāi)設(shè)與A DR C相關(guān)課程。此舉順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，能夠促進(jìn)ADRC技術(shù)的傳播，提升高校畢業(yè)生的個(gè)人實(shí)力，促進(jìn)ADRC理論的研究和發(fā)展，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程的條件和方式

2.1 開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程的基本條件

A DR C的理論分析難度較大，但學(xué)習(xí)ADRC技術(shù)的應(yīng)用并不困難。學(xué)習(xí)ADRC，需要微分方程的部分概念，有高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就可以理解。再具備基本的控制理論、控制工程或系統(tǒng)理論知識(shí)，就可以學(xué)習(xí)ADRC技術(shù)的使用。而我國(guó)高校的理工科專(zhuān)業(yè)，很多開(kāi)設(shè)了講授控制理論、控制工程或者系統(tǒng)理論的課程。換言之，很多國(guó)內(nèi)高校具備了開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程的基本條件。

2.2 開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程的方式

開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程，效果最好的無(wú)疑是獨(dú)立開(kāi)課。具體實(shí)施過(guò)程中，教材可以選用韓京清研究員的專(zhuān)著《自抗擾控制技術(shù)：估計(jì)補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)》。這部著作，是韓京清研究員多年理論研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，也是目前ADRC理論的唯一專(zhuān)著。

講授過(guò)程中，第一章可以安排兩個(gè)學(xué)時(shí)，通過(guò)剖析PID控制器的工作原理，引出ADRC思想的基本內(nèi)容。而第二章《跟蹤微分器》的內(nèi)容在教材中相對(duì)獨(dú)立，課時(shí)安排也比較靈活，對(duì)于多數(shù)專(zhuān)業(yè)，用四個(gè)課時(shí)左右即可掌握最基本的跟蹤微分器設(shè)計(jì)方法。如果需要深入研究跟蹤微分器的濾波功能，可自行增加課時(shí)。第三章介紹ADRC思想中的重要組成，非光滑反饋。由于非光滑反饋技術(shù)具有一定難度，所以建議在講授時(shí)以介紹和演示為主，兩個(gè)學(xué)時(shí)就夠。一般說(shuō)來(lái)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是自抗擾控制器的核心組件，第四章《擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器》也是本課程的重要教學(xué)內(nèi)容，在這一章應(yīng)投入六個(gè)學(xué)時(shí)以上。第五章的內(nèi)容非常豐富。它包含了非線性PID控制器的一些內(nèi)容；也介紹了ADRC的設(shè)計(jì)技巧和設(shè)計(jì)思路。因此，本章的課時(shí)安排也是非常靈活。如果只介紹最基本的ADRC設(shè)計(jì)方法，四個(gè)課時(shí)就夠了，如果想介紹非線性PID等其它內(nèi)容，就需要增加課時(shí)的投入。第六章《自抗擾控制器的應(yīng)用》中給出了大量的自抗擾控制設(shè)計(jì)范例，幾乎包含了全部的自抗擾控制經(jīng)典應(yīng)用，建議在這一章至少要選講四個(gè)以上具體的算例，投入八個(gè)以上的課時(shí)，讓學(xué)生將前面的理論知識(shí)投射到解決應(yīng)用問(wèn)題上。有條件的可以進(jìn)一步增加課時(shí)，或者設(shè)置實(shí)驗(yàn)課時(shí)予以配合。

綜上，獨(dú)立開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程，需要26～28以上的理論課時(shí)，如果條件允許，還應(yīng)該設(shè)置實(shí)驗(yàn)課時(shí)，或者根據(jù)專(zhuān)業(yè)需要增加特定環(huán)節(jié)的課時(shí)。這無(wú)疑會(huì)對(duì)現(xiàn)有的課程體系產(chǎn)生一定影響。

事實(shí)上，有一種對(duì)現(xiàn)有課程體系幾乎沒(méi)有影響的方式，就是在現(xiàn)有的控制理論、控制工程、系統(tǒng)理論、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)或者其它相關(guān)課程中，插入與ADRC有關(guān)的內(nèi)容。具體而言，可以用2到4個(gè)學(xué)時(shí)，講授ADRC技術(shù)的基本思想、適用場(chǎng)合、特色、優(yōu)勢(shì)，以及自抗擾控制器設(shè)計(jì)的基本方法，并鼓勵(lì)學(xué)生在課下積極實(shí)踐。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于靈活簡(jiǎn)便，對(duì)現(xiàn)有課程體系影響最小，而且可以不改變現(xiàn)有教材，將ADRC相關(guān)內(nèi)容作為補(bǔ)充知識(shí)進(jìn)行講解。但是，這種方式僅能讓學(xué)生初步了解ADRC技術(shù)，如果他們希望熟練使用ADRC技術(shù)，還需要經(jīng)過(guò)刻苦認(rèn)真的自學(xué)。

最后，在某些舉辦暑期講座或者“小學(xué)期”等教學(xué)活動(dòng)的高等院校，也可以采取一種介于上述兩種方式之間的開(kāi)設(shè)方法，就是在小學(xué)期內(nèi)開(kāi)課講授ADRC技術(shù)。這種方式，對(duì)課程體系影響不大，又可以保證一定數(shù)量的課時(shí)，是一種折中的做法。具體實(shí)施中，可以以第一種開(kāi)課方式為藍(lán)本，進(jìn)一步壓縮理論內(nèi)容，以保證講授技術(shù)內(nèi)容的課時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在高等院校開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，能促進(jìn)ADRC技術(shù)的傳播，提升高校畢業(yè)生的實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，會(huì)促進(jìn)自抗擾控的理論發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用，為系統(tǒng)科學(xué)、控制理論等學(xué)科培養(yǎng)后備人才。對(duì)高等院校本身而言，開(kāi)設(shè)ADRC相關(guān)課程，還可以造就一批熟悉ADRC思想的教師，促進(jìn)系統(tǒng)科學(xué)、數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制、過(guò)程控制等多個(gè)理工類(lèi)學(xué)科的共同進(jìn)步，大有可能形成一個(gè)富有活力的研究方向。

[1]韓京清. 從PID技術(shù)到自抗擾控制技術(shù)[J]. 控制工程, 2002, 9(3): 13～18.

[2]黃一, 張文革. 自抗擾控制器的發(fā)展[J]. 控制理論與用, 2002, 19(4): 485～491.

[3]韓京清. 自抗擾控制器及其應(yīng)用[J]. 控制與決策,1998, 13(1): 19～23.

[4]馬幼捷, 劉增高, 周雪松,等. 自抗擾控制器的原理解析[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,24(4)：27～30.

[5]黃一, 薛文超, 趙春哲. 自抗擾控制縱橫談, 系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，2011,31(9)：1111～1129

[6]科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院, 2011.

[7]韓京清. 自抗擾控制技術(shù): 估計(jì)補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2008.

Zhao Chunzhe Xiong Jiang Lin Xiaoran

School of Computer Science and Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China

基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的自抗擾控制 (ADRC)技術(shù)，是中科院韓京清研究員發(fā)明的一種非線性控制技術(shù)，在國(guó)際國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，前景非常廣闊。在高等院校開(kāi)設(shè)自抗擾控制相關(guān)課程順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，能夠促進(jìn)自抗擾控制技術(shù)的傳播，提升高校畢業(yè)生的實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，有助于促進(jìn)自抗擾控的理論發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用，為系統(tǒng)科學(xué)、控制理論等學(xué)科培養(yǎng)后備人才。

A

趙春哲(1983－),男,博士, 講師, 研究領(lǐng)域?yàn)橄到y(tǒng)建模與控制理論,導(dǎo)航制導(dǎo)與控制。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.097