郭婧　楊剛　楊軍　賈強(qiáng)

摘 要： 為了解決火炮伺服系統(tǒng)存在負(fù)載變化大、沖擊擾動力矩強(qiáng)等問題，將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用到火炮伺服系統(tǒng)位置控制器中。該控制算法通過實(shí)時估計與補(bǔ)償來彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統(tǒng)三環(huán)模型，仿真結(jié)果對比傳統(tǒng)PID控制。對比結(jié)果表明，基于ADRC的系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)速度較快、具有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞： Simulink； 伺服系統(tǒng)； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0120?03

Abstract： An active disturbance rejection control （ADRC） technology is proposed for an artillery servo system with load disturbance and large disturbed moment. It is to be used in the location controller in the artillery servo system. The control method made up insufficient of the traditional control method by real?time estimation and compensation. Three?loop model （speed loop， location loop and current loop） of artillery servo system with closed?loop ADRC was established in the Simulink software. It was compared with the traditional PID mode control method. The simulation results show the system based on ADRC technology has the advantages of high?speed response， less overshoot and strong robustness.

Keywords： Simulink； servo system； ADRC； antillery

0 引 言

某火炮伺服系統(tǒng)是一個具有沖擊力矩強(qiáng)、負(fù)載變化大等特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)。針對此類大時滯、參數(shù)變化較大的系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制由于響應(yīng)快速和超調(diào)之間的矛盾以及參數(shù)需要實(shí)時調(diào)整等現(xiàn)存問題不能滿足其控制精度和跟蹤要求。

自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器發(fā)展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經(jīng)典PID的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)代控制理論的控制思路方法，解決了響應(yīng)快速與超調(diào)的矛盾以及現(xiàn)代控制理論依賴控制對象數(shù)學(xué)模型的局限，具有廣闊的應(yīng)用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術(shù)運(yùn)用于某火炮位置伺服系統(tǒng)，基于Simulink平臺進(jìn)行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術(shù)實(shí)現(xiàn)對某火炮位置伺服系統(tǒng)的控制，并與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”對擾動進(jìn)行實(shí)時估計與補(bǔ)償構(gòu)造出具有“自抗擾功能”的新型實(shí)用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構(gòu)成。TD根據(jù)伺服系統(tǒng)的輸入[θi]和承受力來安排過渡過程；ESO的作用是由控制量和被控對象的輸出[θo]，估計出伺服系統(tǒng)的狀態(tài)和所受到的總的未知擾動的實(shí)時作用量；TD的輸出和ESO的狀態(tài)變量之間產(chǎn)生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產(chǎn)生控制量對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。按位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)建立模型。

對于水平調(diào)炮1 000 mil，PID控制器需要重新調(diào)整參數(shù)。由圖7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可滿足控制要求。PID控制響應(yīng)時間為10.2 s，ADRC的系統(tǒng)響應(yīng)時間為8.5 s，ADRC速度較快，無振蕩與超調(diào)。通過以上對比仿真分析可知：采用ADRC作為控制器的系統(tǒng)，響應(yīng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。以階躍作為輸入主令的ADRC算法，系統(tǒng)調(diào)炮誤差小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，所設(shè)計的ADRC控制器能夠滿足某火炮控制系統(tǒng)相關(guān)要求。

5 結(jié) 論

針對某火炮伺服系統(tǒng)，采用ADRC對其進(jìn)行控制建模和仿真分析。仿真結(jié)果表明，在同被控伺服系統(tǒng)并加入相同干擾的條件下，較之采用傳統(tǒng)PID控制器的位置伺服系統(tǒng)，采用ADRC的火炮位置伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)良的性能，且無超調(diào)，對干擾等變化具有更強(qiáng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術(shù)的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，32（1）：37?40.

[3] 滕福林，胡育文.基于自抗擾控制器的交流位置伺服系統(tǒng)[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器[J].控制與決策，1995，10（1）：85?88.

[5] 韓京清，王偉.非線性跟蹤：微分器[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強(qiáng).自抗擾控制在坦克炮控執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2009（3）：18?21.

[7] 孫 凱，許鎮(zhèn)琳.基于自抗擾控制器的永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（15）：43?46.

摘 要： 為了解決火炮伺服系統(tǒng)存在負(fù)載變化大、沖擊擾動力矩強(qiáng)等問題，將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用到火炮伺服系統(tǒng)位置控制器中。該控制算法通過實(shí)時估計與補(bǔ)償來彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統(tǒng)三環(huán)模型，仿真結(jié)果對比傳統(tǒng)PID控制。對比結(jié)果表明，基于ADRC的系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)速度較快、具有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞： Simulink； 伺服系統(tǒng)； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0120?03

Abstract： An active disturbance rejection control （ADRC） technology is proposed for an artillery servo system with load disturbance and large disturbed moment. It is to be used in the location controller in the artillery servo system. The control method made up insufficient of the traditional control method by real?time estimation and compensation. Three?loop model （speed loop， location loop and current loop） of artillery servo system with closed?loop ADRC was established in the Simulink software. It was compared with the traditional PID mode control method. The simulation results show the system based on ADRC technology has the advantages of high?speed response， less overshoot and strong robustness.

Keywords： Simulink； servo system； ADRC； antillery

0 引 言

某火炮伺服系統(tǒng)是一個具有沖擊力矩強(qiáng)、負(fù)載變化大等特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)。針對此類大時滯、參數(shù)變化較大的系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制由于響應(yīng)快速和超調(diào)之間的矛盾以及參數(shù)需要實(shí)時調(diào)整等現(xiàn)存問題不能滿足其控制精度和跟蹤要求。

自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器發(fā)展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經(jīng)典PID的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)代控制理論的控制思路方法，解決了響應(yīng)快速與超調(diào)的矛盾以及現(xiàn)代控制理論依賴控制對象數(shù)學(xué)模型的局限，具有廣闊的應(yīng)用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術(shù)運(yùn)用于某火炮位置伺服系統(tǒng)，基于Simulink平臺進(jìn)行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術(shù)實(shí)現(xiàn)對某火炮位置伺服系統(tǒng)的控制，并與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”對擾動進(jìn)行實(shí)時估計與補(bǔ)償構(gòu)造出具有“自抗擾功能”的新型實(shí)用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構(gòu)成。TD根據(jù)伺服系統(tǒng)的輸入[θi]和承受力來安排過渡過程；ESO的作用是由控制量和被控對象的輸出[θo]，估計出伺服系統(tǒng)的狀態(tài)和所受到的總的未知擾動的實(shí)時作用量；TD的輸出和ESO的狀態(tài)變量之間產(chǎn)生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產(chǎn)生控制量對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。按位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)建立模型。

對于水平調(diào)炮1 000 mil，PID控制器需要重新調(diào)整參數(shù)。由圖7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可滿足控制要求。PID控制響應(yīng)時間為10.2 s，ADRC的系統(tǒng)響應(yīng)時間為8.5 s，ADRC速度較快，無振蕩與超調(diào)。通過以上對比仿真分析可知：采用ADRC作為控制器的系統(tǒng)，響應(yīng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。以階躍作為輸入主令的ADRC算法，系統(tǒng)調(diào)炮誤差小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，所設(shè)計的ADRC控制器能夠滿足某火炮控制系統(tǒng)相關(guān)要求。

5 結(jié) 論

針對某火炮伺服系統(tǒng)，采用ADRC對其進(jìn)行控制建模和仿真分析。仿真結(jié)果表明，在同被控伺服系統(tǒng)并加入相同干擾的條件下，較之采用傳統(tǒng)PID控制器的位置伺服系統(tǒng)，采用ADRC的火炮位置伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)良的性能，且無超調(diào)，對干擾等變化具有更強(qiáng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術(shù)的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，32（1）：37?40.

[3] 滕福林，胡育文.基于自抗擾控制器的交流位置伺服系統(tǒng)[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器[J].控制與決策，1995，10（1）：85?88.

[5] 韓京清，王偉.非線性跟蹤：微分器[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強(qiáng).自抗擾控制在坦克炮控執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2009（3）：18?21.

[7] 孫 凱，許鎮(zhèn)琳.基于自抗擾控制器的永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（15）：43?46.

摘 要： 為了解決火炮伺服系統(tǒng)存在負(fù)載變化大、沖擊擾動力矩強(qiáng)等問題，將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用到火炮伺服系統(tǒng)位置控制器中。該控制算法通過實(shí)時估計與補(bǔ)償來彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統(tǒng)三環(huán)模型，仿真結(jié)果對比傳統(tǒng)PID控制。對比結(jié)果表明，基于ADRC的系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)速度較快、具有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞： Simulink； 伺服系統(tǒng)； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0120?03

Abstract： An active disturbance rejection control （ADRC） technology is proposed for an artillery servo system with load disturbance and large disturbed moment. It is to be used in the location controller in the artillery servo system. The control method made up insufficient of the traditional control method by real?time estimation and compensation. Three?loop model （speed loop， location loop and current loop） of artillery servo system with closed?loop ADRC was established in the Simulink software. It was compared with the traditional PID mode control method. The simulation results show the system based on ADRC technology has the advantages of high?speed response， less overshoot and strong robustness.

Keywords： Simulink； servo system； ADRC； antillery

0 引 言

某火炮伺服系統(tǒng)是一個具有沖擊力矩強(qiáng)、負(fù)載變化大等特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)。針對此類大時滯、參數(shù)變化較大的系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制由于響應(yīng)快速和超調(diào)之間的矛盾以及參數(shù)需要實(shí)時調(diào)整等現(xiàn)存問題不能滿足其控制精度和跟蹤要求。

自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器發(fā)展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經(jīng)典PID的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)代控制理論的控制思路方法，解決了響應(yīng)快速與超調(diào)的矛盾以及現(xiàn)代控制理論依賴控制對象數(shù)學(xué)模型的局限，具有廣闊的應(yīng)用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術(shù)運(yùn)用于某火炮位置伺服系統(tǒng)，基于Simulink平臺進(jìn)行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術(shù)實(shí)現(xiàn)對某火炮位置伺服系統(tǒng)的控制，并與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”對擾動進(jìn)行實(shí)時估計與補(bǔ)償構(gòu)造出具有“自抗擾功能”的新型實(shí)用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構(gòu)成。TD根據(jù)伺服系統(tǒng)的輸入[θi]和承受力來安排過渡過程；ESO的作用是由控制量和被控對象的輸出[θo]，估計出伺服系統(tǒng)的狀態(tài)和所受到的總的未知擾動的實(shí)時作用量；TD的輸出和ESO的狀態(tài)變量之間產(chǎn)生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產(chǎn)生控制量對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。按位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)建立模型。

對于水平調(diào)炮1 000 mil，PID控制器需要重新調(diào)整參數(shù)。由圖7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可滿足控制要求。PID控制響應(yīng)時間為10.2 s，ADRC的系統(tǒng)響應(yīng)時間為8.5 s，ADRC速度較快，無振蕩與超調(diào)。通過以上對比仿真分析可知：采用ADRC作為控制器的系統(tǒng)，響應(yīng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。以階躍作為輸入主令的ADRC算法，系統(tǒng)調(diào)炮誤差小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，所設(shè)計的ADRC控制器能夠滿足某火炮控制系統(tǒng)相關(guān)要求。

5 結(jié) 論

針對某火炮伺服系統(tǒng)，采用ADRC對其進(jìn)行控制建模和仿真分析。仿真結(jié)果表明，在同被控伺服系統(tǒng)并加入相同干擾的條件下，較之采用傳統(tǒng)PID控制器的位置伺服系統(tǒng)，采用ADRC的火炮位置伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)良的性能，且無超調(diào)，對干擾等變化具有更強(qiáng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術(shù)的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，32（1）：37?40.

[3] 滕福林，胡育文.基于自抗擾控制器的交流位置伺服系統(tǒng)[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器[J].控制與決策，1995，10（1）：85?88.

[5] 韓京清，王偉.非線性跟蹤：微分器[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強(qiáng).自抗擾控制在坦克炮控執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2009（3）：18?21.

[7] 孫 凱，許鎮(zhèn)琳.基于自抗擾控制器的永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（15）：43?46.