首先介绍下我接触到自抗扰（ADRC）的背景。我所属学科是电气专业，非控制科班出身，博士课题是基于永磁发电机驱动的变速水轮机并网发电系统的建模和控制策略研究。博士读了半年时间的时候，一位师兄谈和我起ADRC算法，读的第一篇文章是高老师的《自抗扰控制思想探究》，还看了一个ADRC位置控制的视频，感觉控制效果惊人。当时我的课题也没有实质的进展，就抱着试一试的心态开始研究自抗扰。随着研究的深入，开始把自抗扰算法用在了自己的博士课题里，陆续出了一些研究成果，发表了一些文章。借用知乎网友隔壁uncle wang一段话“与很多人一样，接触这个算法之后心态也经历过，从一开始的'不明觉厉’，中途的'不以为然’，到最后的'辩证看待’的演变过程。”在理解的不断深入之后，越来越意识到自抗扰的核心是其总扰动的思想和衍生出的控制框架，而非其算法本身。在这个宽泛的框架下，面对不同的工程问题，自抗扰可能会带来一些新的解决思路。
再说一下写这篇心得或者说总结的动机。我的初衷是和刚接触ADRC的学习者分享一些或许实用的经验，同时整理一下现有的学习资源，以便大家更好地利用已有的资源和平台，少做无用功，快速高效入门。这份非常简短的经验分享，可能适合刚刚接触自抗扰并且试图快速入门的本科生、研究生、博士生及工程技术人员，等等。当然，本文受限于自己的学科领域和文献储备，难以全面和深入，但仍希望能对刚接触到自抗扰的您有所帮助。
I．学习自抗扰需要哪些基础知识
首先，弄懂ADRC需要哪些基础知识？建议最好之前有上过《自动控制原理》这门基础课，但也不用过于担心之前的学习是不是足够透彻。在之后的学习中，遇到不太明白的知识点知道去哪一章去找就行。实际上，随着自抗扰学习的不断深入，我们反而会加深对一些控制概念的理解，比如控制输入、输出，输入扰动、输出扰动，噪声和扰动区别，等等。知乎网友3stones做了更为细致的总结“如果要达到弄懂ADRC，并能做出相对合理的评价，还是需要经典控制理论和现代控制理论的基础知识和概念，如传递函数（从参考输入、干扰、噪声到控制输入、输出），控制器频域分析、设计方法（如波德图、根轨迹、乃奎斯特等），状态空间表示（时域）、状态观测及稳定性分析等。”以上列举的知识点后续可能用到，但不一定全都用上。除此之外，我们还要掌握一门基础的仿真软件，比如常用的MATLAB。
II．文献梳理
在自抗扰交流QQ群里，一些刚接触到自抗扰的同学想知道如何快速入门，该从阅读哪些书籍和关键文献开始。还有同学首先想明确自抗扰的优势和劣势在哪里。也有同学会问这个算法如何在他研究的实际系统中应用。实际上在没有达到一定文献储备之前，很难提出准确有效的问题，别人碎片式的回答对我们的助益也并不大。刚接触自抗扰的同学不要急于获取答案，沉下心来打好基础才可事半功倍。吃透必读经典文献，逐步建立起自己的理解和体系，此时再看别人的讨论，会有更多收获。我也会定期浏览群里的聊天记录，参与大家的讨论，讨论中总会有一些思想的火花，说不准哪句话就可以带来一些新思路。
关于如何阅读文献，我个人的建议是最开始读些自抗扰算法的演变进程，框架思想，应用范例等经典综述文章。然后，深度阅读非线性和线性ADRC的关键论文，并结合仿真实例，熟悉自抗扰的控制框架，理解参数配置原则。之后就可以具体细化到自己的研究领域，深入阅读该领域的相关文章，抓住实际工程中存在的关键问题，试图转化成自抗扰范式即扰动观测和抵消的问题。最后想说，自抗扰思想综述类文章值得反复阅读，最开始入门时的理解和研究不断深入后的理解会有很大差距，隔一段时间重新回去阅读，每次都会有不同的收获，念念不忘，必有回响。
II-1. 综述文章
自抗扰控制本身是从“控制论还是模型论”这个思考开始的 [1]。自抗扰总扰动的思想和衍生出的框架是其核心内容。如何把各种实际工程问题转换为扰动的观测和相消问题是自抗扰算法应用的关键 [2] 。为了对自抗扰思想和其发展演变过程有一个全局的认识，在入门阶段，阅读一些经典的综述文章是很有必要的。下面举列了一些自抗扰综述文章 [1-9]，这些文章都是自抗扰领域有多年研究经验的学者撰写，内容深入浅出、高屋建瓴，值得反复阅读。如果文章中涉及一些理论知识开始不能很好理解可以先放下，暂时不必深究，此时领会思想为关键。到后续理论学习到一定程度，再回头来翻看，自然又会有不同的理解。
[1] 韩京清 (1989). 控制理论——模型论还是控制论. 系统科学与数学.
[2] 高志强 (2013). 重读《控制理论---模型论还是控制论》有感.
[3] 高志强 (2013). 自抗扰控制思想探究. 控制理论与应用, 30(12), 1498-1510.
[4] 高志强 (2016). 浅谈工程控制的信息问题. 系统科学与数学, 36(7), 908-923.
[5] Z. Gao, 'Active disturbance rejection control: From an enduring idea to an emerging technology,' 2015 10th International Workshop on Robot Motion and Control (RoMoCo), Poznan, 2015, pp. 269-282
[6] 李向阳, 高志强. (2020). 抗扰控制中的不变性原理. 控制理论与应用, 37(2), 236-244.
[7] 黄一，薛文超，赵春哲 (2011). 自抗扰控制纵横谈. 系统科学与数学, 31(9), 1111-1129.
[8] 黄一，薛文超 (2012). 自抗扰控制: 思想, 应用及理论分析. 系统科学与数学, 32(10), 1287-1307.
[9] Huang, Y. and Xue, W. (2014). Active disturbance rejection control: methodology and theoretical analysis. ISA transactions, 53(4), 963-976.
II-2. 基石性文章
自抗扰入门阶段，建议深度阅读文献 [10] 和 [11]，中英文版本内容大体一致，这两篇文章全面系统地描述了ADRC算法，是韩老师几十年工作的一个高密度总结。虽然还有很多其他理论文章，但是这两篇文章需要反复读。英文版的摘要和最后的主编留言要详细阅读。虽然非线性ADRC模型相对复杂，参数配置比较麻烦，但非线性中有一些线性ADRC中没有涉及到的知识点，所以个人建议初学者还是要从非线性入手，从而对ADRC有一个更全面的理解。由深入浅易，由浅入深难，从非线性开始再过度到线性可能是比较好的学习思路。
论文[12]，作为线性ADRC入门的必读文章，首先将线性化和带宽概念的引入到ADRC 中，使自抗扰算法更好地与经典控制理论结合，为理论研究提供了全新的视角，同时降低了参数选择和理论分析的难度。这篇文章还一个非常重要的贡献，基于韩老师提出的时间尺度（time scale）的概念，进一步建立了频率尺度的概念（frequency scale）。时间尺度和频率尺度概念的引入，使控制系统参数配置和调整都更为灵活，比如对于同一类控制对象而模型参数不同，如何调整控制带宽和观测器带宽；再比如在双环嵌套的控制系统中，如何配置控制内环和外环动态反应速度，等等。这里也附上张文革老师关于时间尺度和自抗扰的博士论文[13]。
此外，有很多人推荐朱斌老师的《自抗扰控制入门》作为入门参考书（2017年出版，总共133页）。从QQ群里的同学来看，反馈也是比较好的。这本书对自抗扰控制的发展历程、基本思想、理论分析、参数正定及应用实例都做了概括性的阐述。
[10] 韩京清. (2002). 从 PID 技术到 “自抗扰控制” 技术. 控制工程, 9(3), 13-18.
[11] Han, J. (2009). From PID to active disturbance rejection control. IEEE transactions on Industrial Electronics, 56(3), 900-906.
[12] Gao, Z. (2006, June). Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning. In Proceedings of the American control conference (Vol. 6,pp. 4989-4996).
[13] 张文革. 时间尺度与自抗扰控制器. 博士论文. 北京: 中国科学院系统科学研究所, 1999.
II-3. 如何理解ADRC范式和总扰动概念
自抗扰的核心是其独特的总扰动理念，即系统内部和外部不确定性等效在输入端的总和效应。自抗扰开创性地把包括未知动态的总扰动定义为另一个状态，即扩张状态，目的是通过输入和输出信号实时地提取这个关键信息，再顺水推舟式地用控制力抵消这个系统整体上的不确定性，实现了抗扰控制领域的突破。在一个复杂问题中认识和剥离总扰动是工程应用成功的关键。
这里以自抗扰在永磁同步电机转速环应用为例 [14, 15]，讲一下如何把实际控制问题转化成标准范式和总扰动的形式。首先，电机转速的直轴电流的关系如下，
其中，
其中，
现在，可以通过观测器ESO来观测总扰动
其中 转矩常数
基于以上讨论，总结一下单输入单输出系统（SISO）的ADRC设计的一般步骤：
1） 按照一般普遍性，不同阶数的控制对象可以写成转换成如 (2) 的标准形式。
2） 定义各状态变量，并将总扰动定义成扩张状态变量，并将上式改写成标准的状态空间矩阵形式。
3） 根据物理系统阶数选择ADRC的阶数，多出一个扩张状态量，所以ESO阶数要比ADRC高一阶。
4） 构建ESO观测器和控制器，配置控制参数。
[14] B. Guo, S. Bacha and M. Alamir, (2017). A review on ADRC based PMSM control designs, IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017, pp. 1747-1753.
[15] B. Guo, S. Bacha and M. Alamir, M., Mohamed, A., and C. Boudinet,(2019). LADRC applied to variable speed micro-hydro plants: experimental validation. Control Engineering Practice, 85, 290-298.
[16] 高志强. (2011). 控制工程的抗扰范式.第 29 届中国控制会议 (pp. 6071-6076). 中国自动化学会.
[17] Madoński, R., & Herman, P. (2015). Survey on methods ofincreasing the efficiency of extended state disturbance observers. ISA transactions, 56, 18-27.
[18] Chen, S., Bai, W., Hu, Y., Huang, Y., & Gao, Z. (2020). On the conceptualization of total disturbance and its profound implications. Sci.China Inf. Sci., 63(2), 1-3.
II-4. 线性ADRC稳定性分析和参数配置
在将线性化和带宽概念引入到ADRC中后，经典控制理论的很多方法和ADRC有了更好的融合，为稳定性证明提供了更多思路。此外，时间尺度这个概念的引入，使控制系统参数配置和调整都更为灵活。这里列举几篇我自己阅读过的一些文献 [19-25]，仅供大家参考。除此之外，这几年间在线性ADRC框架下涌现出大量研究成果。一些科研团队包括中科院黄一老师，薛文超老师，华南理工李向阳老师，厦门大学金辉宇老师，华侨大学聂卓赟老师，等等都有很多出色的工作（受限于自己的文献储备，这里的列举肯定是不够全面的），其中不乏关于ADRC和PID的二者之间关系的深入探讨。从一定程度上讲，ADRC和PID之间的渠道已经打开了，不存在谁取代谁的问题，而要取长补短，互为助益。大家可以自己检索文献，文献数量太多不在这里一一列举。
[19] Jin, H., Chen, Y., & Lan, W. (2019, May). Replacing PI Control with First-Order Linear ADRC. In 2019 IEEE 8th Data Driven Control and Learning Systems Conference (DDCLS) (pp. 1097-1101). IEEE.
[20] Huiyu, J., Jingchao, S., Weiyao, L., & Zhiqiang, G. On the Characteristics Of ADRC: A PID Interpretation. SCIENCE CHINA InformationSciences.
[21] Zheng, Q., & Gao, Z. (2016). Active disturbance rejectioncontrol: between the formulation in time and the understanding in frequency. Control Theory and Technology, 14(3), 250-259.
[22] Tatsumi, J., & Gao, Z. (2013, July). On the enhanced ADRCdesign with a low observer bandwidth. In Proceedings of the 32nd ChineseControl Conference (pp. 297-302). IEEE.
[23] 袁东, 马晓军, 曾庆含, & 邱晓波. (2013). 二阶系统线性自抗扰控制器频带特性与参数配置研究. 控制理论与应用, 30(12), 1630-1640.
[24] Chen, X., Li, D., Gao, Z., & Wang, C. (2011, July). Tuningmethod for second-order active disturbance rejection control. In Proceedings ofthe 30th Chinese Control Conference (pp. 6322-6327). IEEE.
[25] G. Tian and Z. Gao, 'Frequency Response Analysis of ActiveDisturbance Rejection Based Control System,' 2007 IEEE International Conference on Control Applications, Singapore, 2007, pp. 1595-1599.
此外，在ADRC部分文献梳理文件夹下，还包括了韩老师历年文献汇总，部分技术类综述文献，探讨PID和ADRC关系的文献等。这里不一一列举。
III．仿真与实验
在深度阅读了关键文献之后，就可以结合仿真模型demo来更直观地理解控制算法。我整理了一些基本的入门仿真实例，包括非线性ADRC，线性ADRC，应用仿真实例（包括永磁电机转速控制、锁相环控制、磁悬浮、云平台，等等。），在仿真文件夹中尽量附上了对应的参考文献或技术文档。如何利用好已有的仿真实例呢？首先，要结合仿真模型和对应文献更深入理解好控制器结构，尤其要加深对扰动观测和补偿的理解，不懂的地方要继续回去重新读文献。再次，关于参数配置，最开始对参数设置还没有形成清晰概念时，不妨在仿真中对不同参数逐个测试，直观感受不同参数的调整对系统控制效果的影响。此外，可以改变仿真中控制对象的参数，进而对比验证保持同样参数和调整参数后的控制效果，加深对时间尺度的概念的理解。对仿真demo彻底理解之后，就可以试着应用到自己所研究的具体问题中了，如何将实际控制问题转换成标准范式可参考上文（II-3节）。
如果具备实验测试条件，在仿真模型理解透彻之后，一定要在试验平台上验证。仿真中设置的条件往往考虑不够周全，会造成ADRC的仿真和实验结果存在很的大差异。对于仿真系统，即便参数在很大的范围内作调整，控制系统仍然可以是稳定的。但在实际系统中，传感器带来的高频噪声和观测器带宽的选择有很大关系，带宽过大很容易触发硬件设备的保护机制，所以带宽的选择要在抑制噪声和控制动态效果二者之间来trade-off。而测量噪声和传感器本身的抗扰性能也有很大关系。将仿真模型移植到硬件实验中时，控制参数多熟悉情况是需要重新调整的。我在做同步电机转速控制实验时，调节带宽的过程中是可以听到硬件系统噪声的变化的，而在仿真实验中这些问题是体会不到的。论文[15] 中探讨了一些关于永磁电机转速环在硬件设备上，线性ADRC调参思路，总体上也适用于其他案例，基本思路如下：
1） 首先，结合时间尺度的概念，选择相对较小的控制带宽开始调节，即满足最基本的控制要求，避免初始带宽过大造成控制器饱和，或者引入噪声过大触发保护，更严重会损坏硬件设备；
2） 一般配置，观测器带宽要大于控制器带宽，论文[12] 中建议3-5倍关系，但实际测试中控制带宽和观测带宽按照1:1开始测试也是可以的，要具体设备具体来看；
3） 然后逐渐增大带宽，调节过程观察系统动态响应速度和感受噪声的变化，直到达到系统阈值附近。
IV．一点感想
学习自抗扰的很多人都不是来自纯粹的控制领域，非科班出身并不是劣势。交叉学科更可能带来创新，因为做纯控制理论的学者可能并不熟悉你所在的工程领域中存在的实际问题。它山之石，可以攻玉，利用好自抗扰这个宽泛的框架，来更好解决各自领域的问题。
不要神化或贬低算法本身。任何一种算法都不能尽善尽美，自抗扰可以发展到今天，批评和褒奖的声音一直并存。而一种算法充满争议，恰恰说明他的活力还在。在自己还没有足够底气前，不要妄下结论，毫无根据的争吵是没有意义的。以辩证的态度对待算法本身，发现算法存在的问题并试图去解决，看山是山，看山不是山，看山还是山。
以谦卑和无畏的态度，不断犯错、不断推翻、不断疑问、不断重建，或许才是我们人类探寻新知识、解锁新技能并在这个星球上进化生存的不二法则。
V．附录
A．ADRC入门资料包下载地址
微软网盘下载地址：链接：https://hessoit-my.sharepoint.com/:u:/g/personal/baoling_guo_hes-so_ch/EbYaCxfFZ0BLhsRjtdPz9ncB7Ap20Omv-U9UQFq-iwqEJw?e=PuQ3YT
此外，也可在自抗扰的两个QQ群的共享文献中下载。
B．可以利用的资源和平台
QQ群：128464029自抗扰控制ADRC (I)：入门；91484616自抗扰控制ADRC (II)：学术。在群里可以提问题和参与讨论，群里有很多热心的老师和同学，利用好群文件。
B站讲座：自抗扰控制ADRC，如果自己看文献入门比较难困难，B站是很好的一个平台，高老师有录制一些很好的入门讲座和导读课程，郑青老师自抗扰入门课程视频也可以找到，暑假还会做专题讲座和线上直播等。
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