基于Simulink的火炮伺服系統自抗擾控制仿真

郭婧　楊剛　楊軍　賈強

摘 要： 為了解決火炮伺服系統存在負載變化大、沖擊擾動力矩強等問題，將自抗擾控制技術應用到火炮伺服系統位置控制器中。該控制算法通過實時估計與補償來彌補傳統控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統三環模型，仿真結果對比傳統PID控制。對比結果表明，基于ADRC的系統超調小、響應速度較快、具有較強的魯棒性。

關鍵詞： Simulink； 伺服系統； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： 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

某火炮伺服系統是一個具有沖擊力矩強、負載變化大等特點的非線性系統。針對此類大時滯、參數變化較大的系統，傳統PID控制由于響應快速和超調之間的矛盾以及參數需要實時調整等現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控制器發展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經典PID的優點及現代控制理論的控制思路方法，解決了響應快速與超調的矛盾以及現代控制理論依賴控制對象數學模型的局限，具有廣闊的應用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術運用于某火炮位置伺服系統，基于Simulink平臺進行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術實現對某火炮位置伺服系統的控制，并與傳統PID控制的結果進行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴張狀態觀測器”對擾動進行實時估計與補償構造出具有“自抗擾功能”的新型實用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）和非線性狀態誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構成。TD根據伺服系統的輸入[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]，估計出伺服系統的狀態和所受到的總的未知擾動的實時作用量；TD的輸出和ESO的狀態變量之間產生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產生控制量對系統進行補償[5]。

2 控制系統的設計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統進行建模仿真研究。按位置環、速度環、電流環三閉環調速系統對伺服系統建立模型。

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

5 結 論

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

參考文獻

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統優化設計[J].計算機與現代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術的導彈控制系統設計[J]. 彈箭與制導學報，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[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴張狀態觀測器[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].系統科學與數學，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強.自抗擾控制在坦克炮控執行機構中的應用[J].火炮發射與控制學報，2009（3）：18?21.

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

摘 要： 為了解決火炮伺服系統存在負載變化大、沖擊擾動力矩強等問題，將自抗擾控制技術應用到火炮伺服系統位置控制器中。該控制算法通過實時估計與補償來彌補傳統控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統三環模型，仿真結果對比傳統PID控制。對比結果表明，基于ADRC的系統超調小、響應速度較快、具有較強的魯棒性。

關鍵詞： Simulink； 伺服系統； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： 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

某火炮伺服系統是一個具有沖擊力矩強、負載變化大等特點的非線性系統。針對此類大時滯、參數變化較大的系統，傳統PID控制由于響應快速和超調之間的矛盾以及參數需要實時調整等現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控制器發展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經典PID的優點及現代控制理論的控制思路方法，解決了響應快速與超調的矛盾以及現代控制理論依賴控制對象數學模型的局限，具有廣闊的應用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術運用于某火炮位置伺服系統，基于Simulink平臺進行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術實現對某火炮位置伺服系統的控制，并與傳統PID控制的結果進行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴張狀態觀測器”對擾動進行實時估計與補償構造出具有“自抗擾功能”的新型實用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）和非線性狀態誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構成。TD根據伺服系統的輸入[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]，估計出伺服系統的狀態和所受到的總的未知擾動的實時作用量；TD的輸出和ESO的狀態變量之間產生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產生控制量對系統進行補償[5]。

2 控制系統的設計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統進行建模仿真研究。按位置環、速度環、電流環三閉環調速系統對伺服系統建立模型。

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

5 結 論

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

參考文獻

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統優化設計[J].計算機與現代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術的導彈控制系統設計[J]. 彈箭與制導學報，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[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴張狀態觀測器[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].系統科學與數學，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強.自抗擾控制在坦克炮控執行機構中的應用[J].火炮發射與控制學報，2009（3）：18?21.

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

摘 要： 為了解決火炮伺服系統存在負載變化大、沖擊擾動力矩強等問題，將自抗擾控制技術應用到火炮伺服系統位置控制器中。該控制算法通過實時估計與補償來彌補傳統控制方法的不足。通過在Simulink軟件平臺搭建了ADRC的火炮伺服系統三環模型，仿真結果對比傳統PID控制。對比結果表明，基于ADRC的系統超調小、響應速度較快、具有較強的魯棒性。

關鍵詞： Simulink； 伺服系統； 自抗擾； 火炮

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： 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

某火炮伺服系統是一個具有沖擊力矩強、負載變化大等特點的非線性系統。針對此類大時滯、參數變化較大的系統，傳統PID控制由于響應快速和超調之間的矛盾以及參數需要實時調整等現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控制器發展的一種新型非線性控制器。ADRC汲取經典PID的優點及現代控制理論的控制思路方法，解決了響應快速與超調的矛盾以及現代控制理論依賴控制對象數學模型的局限，具有廣闊的應用前景[1?3]。

本文將自抗擾控制技術運用于某火炮位置伺服系統，基于Simulink平臺進行建模。通過仿真分析，采用自抗擾技術實現對某火炮位置伺服系統的控制，并與傳統PID控制的結果進行對比分析。

1 自抗擾控制器的原理

ADRC是在非線性PID框架上，用“擴張狀態觀測器”對擾動進行實時估計與補償構造出具有“自抗擾功能”的新型實用控制器[4]。

ADRC由跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）和非線性狀態誤差反饋控制律（NLSEF）三部分構成。TD根據伺服系統的輸入[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]，估計出伺服系統的狀態和所受到的總的未知擾動的實時作用量；TD的輸出和ESO的狀態變量之間產生誤差，NLSEF利用此誤差用非線性組合形式產生控制量對系統進行補償[5]。

2 控制系統的設計

2.1 控制對象

本文以某火箭炮位置伺服系統進行建模仿真研究。按位置環、速度環、電流環三閉環調速系統對伺服系統建立模型。

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

5 結 論

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

參考文獻

[1] 徐振輝.基于遺傳算法的自抗擾炮控系統優化設計[J].計算機與現代化，2012，12（15）：43?46.

[2] 張意，馬清華.基于自抗擾控制技術的導彈控制系統設計[J]. 彈箭與制導學報，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[J].電氣傳動，2011（11）：43?46.

[4] 韓京清.一類不確定對象的擴張狀態觀測器[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].系統科學與數學，1994，14（2）：177?183.

[6] 周偉科，呂強.自抗擾控制在坦克炮控執行機構中的應用[J].火炮發射與控制學報，2009（3）：18?21.

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