清华大学李东海团队自抗扰控制工程应用成果总结

20 世纪90 年代中期我参与大型火电机组仿真机研制开发，去火电厂收集开发仿真机所需分散控制系统(DCS)的技术资料，与火电机组控制工程师和运行人员交流，发现普遍使用的比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器在很多场合并未达到满意的动态性能。从多变量频率域控制理论领域进入电力系统和能源动力系统领域，自然激发了我改变控制工程现状的思考，可否基于现代控制理论开发一系列新型控制器替代工业上一直普遍使用的PID 控制器？是否应当以控制工程需求为驱动重新思考控制理论和控制系统设计方法？

1997 年夏天，一个偶然机会我读到韩京清先生的“自抗扰控制”讲稿，看到其中一系列强非线性时变控制系统动态响应仿真曲线。这些快速收敛和优美的曲线深刻地吸引了我，是我在此前阅读的所有控制理论的文献中从未见到的，这使我立刻想到简明的自抗扰控制算法在控制工程上实现应当是可行的。

自抗扰控制

active disturbance rejection control, ADRC

自抗扰控制是中国科学院数学与系统科学研究院韩京清研究员提出的一种不依赖精确数学模型的先进控制思想。韩京清在其具有里程碑意义的专著《自抗扰控制技术——估计补偿不确定因素的控制技术》中对于PID控制的机制及其特征的深刻见解是自抗扰控制思想的核心来源。PID控制的控制动作由设定值和输出之间的偏差驱动，并考虑其当前值、过去值和未来值进行调节计算。系统的稳定性可以通过增益的大范围变化来保证，但是良好的控制性能很难通过增益的大范围变化来实现。PID控制的简单性是以参数灵敏度为代价的，即只有在很窄的增益范围内才能获得良好的性能，并且不易整定。

自抗扰控制继承了PID控制的偏差驱动设计原理，更进一步地，自抗扰控制将输出偏差的概念扩展到了系统动力学，且通过一些权衡可以简化为PID控制的标准形式，没有工程经验的现场工程师也可以在分散控制系统(distributed control system, DCS)中轻松地对其进行组态实现和参数调整。

▲ 自抗扰控制器二维结构

从此我开启了长达二十七年的自抗扰控制研究。我与吕俊复院士、朱民老师、史琳老师、刘尚明老师、蔡瑞忠总工、李政老师、丁艳军老师、王哲老师、刘培老师、薛亚丽老师进行了项目合作，一起推动了自抗扰控制的理论研究和工程试验。指导研究生进行了一系列的相关内容探究，包括自抗扰控制理论分析、设计方法和整定规则，大量典型算例仿真、标准实验验证，以及一系列火电机组控制回路试验。

《自抗扰控制——设计、仿真与试验（上下册）》即为笔者科研团队在自抗扰控制工程应用的长期探究中所取得的原创科研成果的系统总结。本书主要针对大型复杂热工系统，介绍一种简单实用、效果良好的控制器设计方法和整定规则。通过动态仿真、小型实验台实验以及大型火电机组的现场试验，展现该方法在大型热工系统上良好的应用前景。全书分为上册和下册，主要内容如下。

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自抗扰控制——设计、仿真与试验（上册）

李东海等著

北京 : 科学出版社, 2025. 3

ISBN 978-7-03-081523-1

▋上册：设计与整定。

• 第1 章为绪论，从自抗扰控制与PID 控制的关系出发，探讨自抗扰控制的设计思想，初步介绍自抗扰控制在热工过程中应用时需要关注的关键技术问题。

• 第2 章介绍自抗扰控制的原理与方法，主要阐述自抗扰控制的基本理论，以及不稳定热方程和不稳定波动方程的自抗扰动态镇定问题。

• 第3 章介绍单变量系统的自抗扰控制，主要阐述自抗扰控制在不同类型单回路系统中的结构设计与参数整定。

• 第4 章介绍多变量系统的自抗扰控制，从逆解耦、等效开环传递函数、简单解耦以及多变量分散式自抗扰控制等角度阐述自抗扰控制在多变量系统中的结构设计与参数整定。

• 第5 章介绍无理传递函数模型和分布参数系统的自抗扰控制，主要阐述自抗扰控制在无理传递函数模型和分布参数系统中的结构设计与参数整定。

• 第6 章介绍分数阶系统的自抗扰控制，主要阐述线性与非线性分数阶模型以及具有物理背景的分数阶模型的自抗扰控制器设计与参数整定。

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自抗扰控制——设计、仿真与试验（下册）

李东海等著

北京 : 科学出版社, 2025. 6

ISBN 978-7-03-081951-2

▋下册：仿真与试验。

• 第1章介绍气化炉的自抗扰控制，从ALSTOM气化炉模型及其控制要求出发，阐述气化炉基准问题及其在约束条件下的自抗扰控制和参数优化。

• 第2 章介绍锅炉、汽轮机和发电机的自抗扰控制，主要阐述自抗扰控制在火电机组中的应用情况，并阐述自抗扰控制的工程实施、切换保护等实现方法，针对火电机组的过热汽温系统、机炉协调系统、发电机励磁系统、锅炉给水系统、一次风及物料系统和燃烧系统等不同动态特性分别进行控制器结构设计和参数整定。

• 第3 章介绍火电机组的自抗扰控制，主要阐述自抗扰控制应用于火电机组热工系统的控制方法，尤其是在火电机组的工程实现问题，包括在火电机组的燃烧系统、汽水系统以及协调系统等重要回路的工程应用实例。

• 第4 章介绍飞行器的自抗扰控制，主要阐述多种航空器、航天器的自抗扰控制器结构设计和参数整定，以及自抗扰导引律设计等问题。

• 第5 章介绍水轮发电机组与新能源系统的自抗扰控制，主要阐述水轮发电机组的自抗扰控制器结构设计和参数整定，包括单变量、双变量、适应型非线性控制等，以及分布式能源系统的自抗扰控制问题。

K. Y. Lee 教授和刘吉臻院士高度肯定了本书所述自抗扰控制的研究结果，孟庆虎院士肯定了我的科研团队在自抗扰控制工程应用的长期探究中所取得的原创科研成果。

然而，对于自抗扰控制的研究和应用，本书的工作仅仅是奠定了在能源与动力系统控制方向的基础。这项研究在学术理论上具有特别的意义，在工程实践中也具有重要的实用价值。还有很多工作需要继续进行，可能将超出我们当前已经完成的范围。真诚地希望有志于此的同行继续研究，为控制科学和控制技术的进步服务，为新型能源动力系统的高效运行和精准控制服务。

自动控制是现代能源动力系统高效、安全、稳定运行的重要支撑。随着现代能源系统经济性、安全性的要求进一步提升，自抗扰控制由于其具有的总扰动实时观测与在线补偿的优势，可以在电力行业、石油行业继续发挥更大的作用，解决能源系统的运行难题，提高运行品质，在构建智慧化、绿色化、经济化的现代能源体系中发挥更突出的作用。

在精密制造领域，如半导体加工、精密机床控制等，对位置、速度、加速度的精度要求都极高。应用自抗扰控制能有效抑制机械振动、摩擦变化等非线性干扰，提升加工精度与稳定性，提高产品质量。此外，在机器人控制、汽车自动驾驶、轨道交通等运动控制领域，自抗扰控制也具有广泛的应用前景。

自抗扰控制未来的研究需要在算法改进和理论分析方面继续深化和拓展；在更多的工业领域进行实践和优化；探索自抗扰控制与其他控制策略如模型预测控制、模糊控制等的结合，并结合神经网络、深度学习、强化学习等人工智能算法实现更复杂系统的控制，以适应未来新技术的挑战和需求。

二十多年前吴麒先生思考控制科学与工程实践方法，总结了学术前辈的观点后指出：

控制科学是一门技术科学，设计性能优良的控制系统，从来都是控制科学的核心内容和终极归宿。世世代代的科学家和工程师们创建的博大精深的控制理论体系，最终都要落实到优良的控制系统设计方法上。

以此激励我们持之以恒，面向现代复杂工业过程中的控制问题，循序渐进地改变控制技术。在此过程中，以控制工程试验所反馈的信息为导引、以现代应用数学为分析工具、以动态仿真技术为研究手段、以奥卡姆剃刀原理——大道至简为原则，不断改进控制理论与控制工程。

李东海

2024年9月于清华园

本文摘编自《自抗扰控制——设计、仿真与试验（上册）》（李东海等著. 北京 : 科学出版社, 2025. 3）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-081523-1

责任编辑：张海娜 赵微微

本书主要论述自抗扰控制器设计方法、参数整定规则及其在能源动力控制系统中的仿真模拟与现场试验。本书在理论分析的基础上，通过大量仿真实验详尽地讨论了自抗扰控制的应用，主要包括单变量与多变量系统的控制器设计与参数整定，气化炉、锅炉、汽轮机、发电机、飞行器、水轮发电机组、分布式能源系统等实际对象控制的仿真模拟，以及火电机组控制的现场应用试验。

本书可供过程控制领域的科研人员和工程技术人员阅读，也可以作为高等院校和科研院所控制科学与工程、动力工程及工程热物理等相关专业研究生及高年级本科生的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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