电动阀门中BLDC的改进自抗扰控制研究

摘要：本文针对电动阀门中的无刷直流电机（BLDC）控制问题，提出了一种改进的自抗扰控制（ADRC）策略。传统ADRC在处理复杂扰动和不确定性时存在局限性，为此，本文设计了一种新的算法来增强系统的抗扰动能力和提高控制精度。通过对系统扰动的准确观测和前馈补偿，有效抑制了扰动对系统性能的影响。实验结果表明，改进后的ADRC算法在电动阀门控制中展现出更好的动态性能和鲁棒性。

关键字：无刷直流电机（BLDC）；电动阀门；自抗扰控制（ADRC）

引言：电动阀门作为现代工业控制系统中的重要执行机构，其性能直接影响整个系统的运行效率和稳定性。无刷直流电机（BLDC）因其高效率、低维护成本等优点，被广泛应用于电动阀门中。然而，由于电动阀门工作环境复杂多变，电机在运行过程中会受到各种扰动的影响，导致系统性能下降。因此，设计一种高效、鲁棒性强的BLDC电机控制策略对于电动阀门的优化控制具有重要意义。

一、BLDC电机控制现状分析

传统的BLDC电机控制方法，包括PID控制和模糊控制，虽然在多种应用中有效，但在处理复杂扰动和系统不确定性时显示出局限性。PID控制依赖于固定参数，难以适应动态变化的环境，而模糊控制的性能则大量依赖于专业知识深度的模糊规则设计。相比之下，自抗扰控制（ADRC）通过将所有不确定因素视为扰动，并利用扩张状态观测器（ESO）估计这些扰动，提高了系统的鲁棒性和稳定性。ADRC的优势在于不依赖精确的数学模型，使其在处理模型不确定性和外部扰动时更为有效。然而，在实际应用中，尤其是电动阀门控制等领域，ADRC面临诸多挑战，包括扰动观测的准确性和前馈补偿的有效性。扰动观测的准确性直接影响控制效果，不准确的扰动估计可能导致控制响应不足或过度，而前馈补偿的设计必须考虑系统的动态特性，以避免引入不稳定因素。为了克服这些挑战，需要不断优化ADRC算法，改进ESO的性能，并精细调整前馈补偿策略。此外，结合其他先进控制技术，进一步提升控制系统的整体性能，实现更精确和稳定的控制效果。这些努力将推动ADRC技术在更广泛的工业应用中的实施，特别是在对控制精度和稳定性要求极高的场合[1]。

二、改进自抗扰控制算法设计

（一）扰动观测器设计

在自抗扰控制算法（ADRC）的核心设计中，扰动观测器的改进对于提升系统的控制精度和鲁棒性至关重要。本文提出的改进型扰动观测器采用高阶滤波器结构，这种结构使得观测器能够精确捕捉到系统动态变化的细微特征，并能迅速响应快速变化的扰动，有效地减少估计延迟。同时，高阶滤波器的引入也增强了处理高频噪声的能力，从而提升了估计的准确性。为了让扰动观测器能够适应多变的工况和环境，引入了自适应机制，通过实时分析系统反馈信号，动态调整观测器的关键参数，如增益和带宽，以优化性能并提高灵活性。此外，鉴于系统模型的不确定性和环境的复杂性，扰动观测器还经过了鲁棒性设计，确保在面对模型参数不确定性和外部环境变化时，观测器能够保持高性能稳定性，确保控制系统的可靠运行。这些改进显著提升了扰动观测器的功能，使其不仅能更准确快速地估计和补偿扰动，还能适应各种复杂工况和环境变化，为自抗扰控制算法的有效实施提供了坚实支持。通过这种改进的扰动观测器，整个控制系统的性能得到了显著提升，能够在面对各种挑战时保持高效和稳定的运行，特别是在对控制精度和稳定性要求极高的应用领域，如精密制造、航空航天等，都将从这种高级的扰动观测技术中获益[2]。

（二）前馈补偿策略

在高性能控制系统中，基于扰动观测器输出的前馈补偿策略发挥着至关重要的作用，它通过精确捕捉系统内外的扰动，并将这些扰动信息直接以前馈形式输入控制器，实现对扰动的实时补偿，有效降低扰动对系统性能的影响。这种策略依赖于扰动观测器的高精度和实时性，能够捕捉到包括快速变化和难以预测的扰动在内的各种扰动，确保控制系统能够在扰动发生的第一时间内做出反应。通过实时观测和分析扰动信号，观测器输出的扰动估计值用于前馈补偿，减少扰动的影响，同时精细调整前馈信号的大小和时机，确保补偿措施既不会引入新的不稳定因素，也能有效地抵消扰动。这种前馈补偿策略不仅提高了系统的稳定性和鲁棒性，还优化了控制性能，提升了系统响应速度和精度，对于那些对稳定性、精度和快速响应有着严格要求的控制系统尤为重要。在航空航天、高精度制造和机器人技术等领域，这种高级的控制策略能够确保系统在面对各种复杂和动态的工况条件时，保持最优的控制效果和操作效率，显著提升控制系统的整体性能[3]。

（三）控制律设计

在自抗扰控制算法（ADRC）的进一步发展中，改进的控制律设计融合了传统ADRC算法的核心优势、新型扰动观测器及前馈补偿策略，目标是在确保系统稳定性的同时，显著提升系统的响应速度和控制精度。新型扰动观测器采用高阶滤波器结构和自适应机制，实现对系统内外扰动的精确实时估计，为控制策略提供准确的补偿信息。通过将这些扰动信息以前馈方式直接输入控制器，实现对扰动的即时补偿，有效降低扰动对系统性能的负面影响。此外，改进控制律对ADRC中的非线性状态误差反馈控制率进行了优化，引入动态调整机制，根据系统的当前状态和扰动情况灵活调整控制参数，增强控制策略的适应性，从而提高系统的响应速度和控制精度。这种改进控制律的设计有效地应对了复杂多变的扰动，不仅保证了系统的稳定性，还大幅提升了系统的整体性能，为自抗扰控制算法的应用提供了新的视角，具有显著的实际应用价值。特别是在对控制精度、稳定性和快速响应有严格要求的领域，如航空航天、高精度制造和机器人技术等，改进的控制律能够确保系统在面对各种挑战时，都能保持最优的控制效果和操作效率，显著提升了控制系统的性能和可靠性。这标志着自抗扰控制技术在高性能控制领域的一个重要进步，为未来的控制系统设计和优化提供了宝贵的参考。

结语：本文提出了一种针对电动阀门中BLDC电机的改进自抗扰控制策略。通过设计新型扰动观测器和前馈补偿策略，有效提高了系统的抗扰动能力和控制精度。实验结果表明，改进后的ADRC算法在电动阀门控制中展现出更好的动态性能和鲁棒性。未来工作将进一步优化算法参数，提高系统的适应性和可靠性。

参考文献：

[1]李英春，高天柱，米乾宝.基于改进型自抗扰控制的PMSM无感调速技术[J].电子器件，2023，46（04）：991-998.

[2]王诗心，余波，袁勇，等.电动阀门中BLDC的改进自抗扰控制研究[J].电气传动，2023，53（04）：3-8+83.

[3]周文. 基于IPSO-SVM和DBN的电动阀门故障诊断研究[D].哈尔滨工程大学，2019.

第一作者：姜奇（1994.03）  性别：男  民族：汉 籍贯：山西省太原市  学历：大学本科  职称：助理工程师   研究方向：装备质量监督

第二作者  王刚（1997.3）  性别：男  民族：蒙古族  籍贯：辽宁建平  学历：大学本科   职称：助理工程师   研究方向：装备质量监督