直流无刷电机转速PI控制与ADRC自抗扰控制的Simulink对比仿真模型

是 否 +2 论坛币

k人 参与回答

经管之家送您一份

应届毕业生专属福利!

求职就业群

赵安豆老师微信：zhaoandou666

经管之家联合CDA

送您一个全额奖学金名额~ !

立即领取

感谢您参与论坛问题回答

经管之家送您两个论坛币！

+2 论坛币

直流无刷电机转速控制仿真对比：PI与ADRC方法分析

在现代工业控制系统中，直流无刷电机因其高效率、长寿命和优异的动态性能被广泛应用。其控制策略对系统稳定性、响应速度及抗干扰能力具有决定性影响。本文通过Simulink搭建仿真模型，对电流环采用PI控制、转速环分别采用PI控制与ADRC（自抗扰控制）的两种方案进行对比，重点分析ADRC在转速调节中的优势。

1. 直流无刷电机双闭环控制结构概述

典型的直流无刷电机控制采用双闭环架构，包括内环电流控制和外环转速控制。其中，电流环用于精确调节电机相电流，保障电机动态过程中的电流稳定性；转速环则负责使实际转速快速准确地跟踪设定值。本研究中，电流环统一使用PI控制器，而转速环分别应用PI与ADRC两种策略，以实现性能对比。

2. 转速环中的PI控制原理与实现

PI控制作为经典控制方法，结构简单且易于工程实现，广泛应用于各类反馈系统中。其核心思想是利用比例项加快响应速度，积分项消除稳态误差，从而提升系统的整体稳定性。

在Simulink环境中，PI控制器可通过基本模块组合构建。典型结构如下：

function y = pid_control(error, Ki, Kp, Ti, Ts)
    static integral = 0;
    integral = integral + Ki * error * Ts;
    y = Kp * error + integral;
end

设e(t)为转速给定值与实际测量值之间的偏差信号：

error

K_p 和 K_i 分别表示比例增益与积分增益：

Ki

Kp

T_i 为积分时间常数：

Ti

T_s 表示控制器的采样周期：

Ts

通过合理整定上述参数，可优化系统动态响应特性，如减小超调、缩短调节时间等。

3. ADRC自抗扰控制技术简介

ADRC（Active Disturbance Rejection Control）是一种先进的现代控制方法，能够有效应对系统内部参数变化和外部扰动。其核心在于引入扩张状态观测器（ESO），实时估计系统总扰动（包括模型不确定性、外部负载变化等），并通过前馈补偿机制将其从控制输入中抵消。

ADRC主要由两部分构成：扩张状态观测器和非线性反馈控制律。前者估计系统状态及综合扰动，后者依据估计结果生成控制量，显著增强系统的鲁棒性和抗干扰能力。

4. Simulink仿真模型构建

为验证不同控制策略的效果，在Simulink中分别建立了基于PI与ADRC的转速控制仿真系统。整体结构包含以下几个关键模块：

（1）电机本体建模

直流无刷电机的动态行为可通过一组微分方程描述：

function [V, omega] = motor_model(i, u, L, R, J, B, K)
    di_dt = (u - R*i - K*omega)/L;
    domega_dt = (K*i - B*omega)/J;
    V = di_dt * L + R*i + K*omega;
end

其中：

• i —— 电机相电流

i

• u —— 输入电压

u

• L —— 绕组电感

L

• R —— 绕组电阻

R

• J —— 转动惯量

J

• B —— 阻尼系数

B

• K_m —— 电机转矩常数

K

该数学模型用于模拟电机在不同控制输入下的运行状态。

（2）电流环设计

无论转速环采用何种控制方式，电流内环均采用PI控制器，确保电流快速跟随参考指令，并为外环提供稳定的执行基础。

（3）转速环控制器实现

转速外环分别配置为PI控制器与ADRC控制器：

• PI方案：沿用传统结构，依赖误差调节实现转速跟踪。
• ADRC方案：需独立设计扩张状态观测器与非线性反馈环节，实现实时扰动估计与补偿。

5. 仿真结果比较与性能分析

通过仿真实验获取两种控制策略下的转速响应曲线，进而评估其动态性能、稳定性和抗扰能力。

（1）PI控制响应表现

采用PI控制的转速响应如下图所示：

% 仿真参数
t = 0:0.01:10;
u = ones(size(t));
% 仿真运行
sim('pi_control_model');
% 绘制结果
plot(t, pi_speed, 'b');
title('PI控制转速响应');
xlabel('时间(s)');
ylabel('转速(rpm)');

可以看出，系统在无扰动条件下能实现较平稳的稳态运行，但在受到外部干扰后恢复较慢，存在明显超调和较长的调节时间，表明其抗扰性能有限。

（2）ADRC控制响应表现

ADRC控制下的转速响应曲线如下：

% 仿真参数
t = 0:0.01:10;
u = ones(size(t));
% 仿真运行
sim('adrc_control_model');
% 绘制结果
plot(t, adrc_speed, 'r');
title('ADRC控制转速响应');
xlabel('时间(s)');
ylabel('转速(rpm)');

结果显示，当遭遇扰动时，ADRC能够迅速估计并补偿扰动影响，转速波动小、恢复速度快，跟踪精度更高，体现出更强的鲁棒性与动态适应能力。

6. 总结与展望

通过对PI与ADRC两种转速控制策略的Simulink仿真对比可知，ADRC在面对系统扰动和参数不确定性时表现出显著优越性。其通过实时观测与补偿机制，大幅提升了控制系统的稳定性和响应品质，尤其适用于复杂工况下的高精度电机控制场景。

未来的研究方向可聚焦于ADRC参数的智能整定方法，例如结合优化算法自动寻优，进一步提升控制性能与适应范围。

扫码加我 拉你入群

请注明：姓名-公司-职位

以便审核进群资格，未注明则拒绝

分享0 收藏0 回帖

关键词：simulink 无刷电机 link 仿真模型 Mul

相关内容：simulink模型控制 电机控制仿真