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采用级联广义比例积分观测器的自抗扰控制：在并网变换器电流控制中的应用

已有 743 次阅读 2025-11-28 11:15 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

Active disturbance rejection control with cascade generalized proportional integral observer: application to the current control of grid-connected converters（采用级联广义比例积分观测器的自抗扰控制：在并网变换器电流控制中的应用）

在并网变换器电流控制中，模型不确定性、周期/非周期复合扰动与测噪难以避免，传统 PI/PR 易受频偏与参数漂移影响，单级 ESO/GPIO 又在“扰动抑制—噪声敏感”间两难。本文提出CGPIO+ADRC框架：外环名义状态反馈，内环以多级 GPIO 级联，分层嵌入多项式/谐振内部模型，分别覆盖非周期与特定谐波频带；各级灵敏度相乘，在不提高总体带宽下增强抑制，并以n+2阶解耦设计限制增益、简化整定。实验证明，该方案在频偏、谐波、噪声等复杂工况下，展现出远超传统方法的鲁棒性和平滑性。本文将为您深度解析这一前沿技术。

Active disturbance rejection control with cascade generalized proportional integral observer: application to the current control of grid-connected converters采用级联广义比例积分观测器的自抗扰控制：在并网变换器电流控制中的应用

作者：Harvey David Rojas1,2 · Nelson Leonardo Díaz1 · Herbert Enrique Rojas1 · John Cortés-Romero3

机构：1 Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia 2 Universidad Manuela Beltrán, Colombia 3 Universidad Nacional de Colombia, Colombia

引用：Rojas, H.D., Díaz, N.L., Rojas, H.E. et al. Active disturbance rejection control with cascade generalized proportional integral observer: application to the current control of grid-connected converters. Control Theory Technol. 23, 543–562 (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00285-3

全文链接：https://rdcu.be/ePQHG

摘要

本文提出一种新的自抗扰控制（ADRC）方案：将带内部模型的广义比例积分观测器（GPIO）按级联方式连接，用以同时估计多项式扰动与谐振扰动。该估计器结构称为级联 GPIO（CGPIO），其总扰动灵敏度等于各级级联灵敏度的乘积。此方法可同时提升对周期性与非周期性扰动的抑制性能，并在谐波分量频率变化时保持更强鲁棒性。此外，估计器的解耦特性降低了单个 GPIO 的阶次，从而简化参数整定并避免观测器增益过大。本文从频域角度对所提控制方案进行分析，并在并网变换器电流控制场景下，通过含控制增益不确定性、谐波畸变、频率偏差与测量噪声等工况的实验予以验证。实验结果表明，基于CGPIO的ADRC相比基准方案（比例–积分PI与比例–谐振PR控制器）具有更优的控制性能。

引言

自抗扰控制（ADRC）因其在处理系统不确定性方面的显著有效性，近几十年来受到控制领域的广泛关注。典型的ADRC方案通常采用单级观测器结构，如扩张状态观测器（ESO）、广义比例积分观测器（GPIO）及其非线性变体，可实现对系统总扰动和内部状态的联合估计。该方法已在机器人、电力电子、工业过程等多种实际系统中得到成功验证，展现出良好的工程适用性。

一些研究将ADRC与重复控制（RC）相结合，以在模型不确定性下提升性能。已有工作提出了两自由度结构：在外环采用常规离散时间 RC，在内环分别采用扰动观测器（DOB）、ESO与GPIO。类似地，有研究给出了与标称PID型控制器相配的连续时间RC插件式架构。另有研究则将RC与ESO并联，用以补偿电机中的扰动。上述方法的主要不足之处在于：模型不确定性与频率偏差会降低 RC 的鲁棒性与性能。此外，内部模型阶次与高频补偿滤波器带宽之间的折中亦带来限制。设计复杂度、计算开销以及加权函数的选择等因素，进一步增加了工程实现的难度。

谐振型ESO已在多种受周期性扰动影响的案例研究中得到应用，包括有源滤波器、雷达以及直流电机—变换器系统。该方法针对扰动的每个正弦分量引入一个谐振器，从而在观测器中增加两个扩张状态。其最终估计器阶次为n+mnp+2p，其中n为系统阶次，mnp为非周期扰动抑制器的阶次，p为谐振器的数量。此高阶结构在工程上存在三点不利之处：(a) 由于设计参数数量增加，整定困难，常常需要借助优化技术；(b) 为达到所需的高增益而导致的噪声放大与数值表示问题；(c) 鲁棒性降低，且随扩张状态数量的增加而进一步恶化。此外，这些策略并未采用以带宽参数化为核心的整定方法，这对熟悉ADRC的工程人员而言吸引力不足。为此，本文提出了一种新的ADRC方案。其设计在外环采用基于误差域表述的状态反馈控制器，在内环采用广义比例积分观测器（GPIO）的级联连接（CGPIO），用于估计系统状态与总扰动。每个 GPIO 使用彼此不同的内部模型，在特定频率范围内估计总扰动的相应部分。所提方案相较既有工作之差异，主要体现在以下几个方面：

1、与过往部分研究中提出的级联估计器不同，CGPIO并不局限于多项式模型。可将谐振型GPIO纳入其中，在不提高整体系统带宽的前提下提升对周期性扰动的抑制性能。此外，CGPIO不采用估计输出的串联连接，因而避免了可能削弱谐波扰动估计的相位延迟。为减轻噪声影响，所有CGPIO级的增益均予以限制。

2、本方法中的谐振器并未耦合到单一观测器中。相反，提出了一种由多个GPIO构成的级联结构，每个GPIO采用谐振或多项式内部模型之一。因此，每个GPIO 的阶次设为n+2，其中n为系统阶次。该解耦式设计简化了整定、降低了估计器维度，并将高增益导致的数值问题降至最低。

3、以往曾使用高阶多项式GPIO来衰减周期性扰动。然而，其主要缺点包括鲁棒性下降、更高的噪声敏感性，以及应用范围受限于低频周期扰动（或需要较高采样率）。所提出的方法采用低阶观测器，避免了过度提升带宽。

4、近年来，面向周期性扰动抑制的ADRC策略已在电力变换器同步领域得到探索。有研究表明，ESO改善了电压不平衡、频率与相位跳变下的性能，但未涉及谐波成分。后续工作提出了广义积分器–ESO及其非线性版本，以增强扰动抑制能力。然而，谐振器与ESO之间的耦合为整定与增益尺度化带来了挑战。

图1(原文Fig. 12) 本文采用的测试平台

结论

本文提出了一种由级联 GPIO 辅助的全新 ADRC 方案。所提出的估计器（CGPIO）在各级级联中引入谐振与多项式内部模型，从而同时提升了系统对周期性与非周期性扰动的抗扰性能。此外，观测器的解耦结构有利于工程实现并简化参数整定，同时限制观测器增益、缓解数值问题。

并网变换器电流控制的实验结果表明，基于 CGPIO 的 ADRC 相较传统 PI 与 PR 控制器具有更优表现，尤其在存在频率偏移、工况变化以及因直流母线电压波动导致控制增益不确定的场景下，同时还能显著降低控制信号中的噪声。上述结果凸显了该方法在需要鲁棒性、高性能与有效噪声抑制的实际应用中的潜力。

作者介绍

Harvey David Rojas，于2006年获哥伦比亚Universidad Pedagógica Nacional电子学学士，2009年获Universidad Autónoma de Colombia自动化与工业信息学研究生学位，2015 年与2024年分别在Universidad Nacional de Colombia获工业自动化硕士与电气工程博士学位。过去二十年间，他一直从事工业自动化、控制系统与电子领域的教学、科研与咨询工作。其间多次获得公私机构颁发的奖项，包括教学与科研优秀荣誉，并以summa cum laude（最高荣誉）通过博士论文答辩。现任哥伦比亚Universidad Manuela Beltrán电子与机电工程系副教授，同时在Universidad Distrital Francisco José de Caldas电气工程系GISE3研究团队从事研究。其研究兴趣涵盖自动控制的原理与实践，重点包括自抗扰控制、鲁棒与非线性方法及其在电力电子、机电系统与工业系统中的应用。

Nelson Leonardo Díaz，为电子工程师，获能源技术博士学位，具有扎实的教学与科研背景，研究领域涵盖电力电子系统与数字电路设计。他的研究主要聚焦于分布式储能系统的控制、协调与优化，以及通过先进电力电子接口实现可再生能源的并网与集成。其近期工作包括电力硬件在环（PHIL）系统的实现与分析，并将工业4.0技术——如物联网（IoT）与云计算——融入现代电力系统的智能化管理之中。

Herbert Enrique Rojas，分别于2003年、2007年和2018年在哥伦比亚国立大学（Universidad Nacional de Colombia）获得荣誉制五年制学士学位、高电压方向硕士学位以及电气工程博士学位。2010—2012年期间，他获得全额博士奖学金，并在本校的电磁兼容研究组（EMC-UNC）开展研究。2016年，他以访问博士生身份在斯里兰卡科伦坡大学的大气与雷电物理研究组进行交流；2017年在德国多特蒙德工业大学的能源系统、能源效率与能源经济研究所（IE3）担任访问研究员。自2012年起，他就职于哥伦比亚弗朗西斯科·何塞·德·卡尔达斯区立大学（Universidad Distrital Francisco José de Caldas）工程学院电气工程系，现任正教授，并担任电气系统与能效研究组（GISE3-UD）的首席研究员。其研究兴趣包括信号处理、扰动估计、电能质量、高电压、电磁兼容以及接地技术等。

John Cortés-Romero，分别于1995年、1999年和2007年在哥伦比亚国立大学（Universidad Nacional de Colombia，波哥大）获得电气工程学士、工业自动化硕士与数学硕士学位；2012 年在墨西哥国立理工学院 CINVESTAV 获得电气工程博士学位。现任哥伦比亚国立大学波哥大校区电气与电子工程系正教授。其指导的多篇硕士与博士论文获得“优秀/荣誉（meritorious）”与“桂冠/最高荣誉（laureate）”等称号。他是专著《反馈控制系统中的代数识别与估计方法》（Wiley，2014）的合著者，并参与撰写多部关于滑模控制与自抗扰控制（ADRC）的书籍章节；在代数方法、ADRC、非线性控制与电机控制等领域于高影响力期刊与会议上发表了大量论文。其研究兴趣包括先进控制方法、代数估计与辨识技术、自抗扰与鲁棒控制、非线性系统，以及在可再生能源、电动汽车、电力电子与机电系统中的应用。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

https://jcta.ijournals.cn/cta_en/ch/index.aspx

投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/ctt

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