| 标题 | 基于Simulink的火炮伺服系统自抗扰控制仿真 |
| 范文 | 郭婧 杨刚 杨军 贾强 摘 要： 为了解决火炮伺服系统存在负载变化大、冲击扰动力矩强等问题，将自抗扰控制技术应用到火炮伺服系统位置控制器中。该控制算法通过实时估计与补偿来弥补传统控制方法的不足。通过在Simulink软件平台搭建了ADRC的火炮伺服系统三环模型，仿真结果对比传统PID控制。对比结果表明，基于ADRC的系统超调小、响应速度较快、具有较强的鲁棒性。 关键词： Simulink； 伺服系统； 自抗扰； 火炮 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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 某火炮伺服系统是一个具有冲击力矩强、负载变化大等特点的非线性系统。针对此类大时滞、参数变化较大的系统，传统PID控制由于响应快速和超调之间的矛盾以及参数需要实时调整等现存问题不能满足其控制精度和跟踪要求。 自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器发展的一种新型非线性控制器。ADRC汲取经典PID的优点及现代控制理论的控制思路方法，解决了响应快速与超调的矛盾以及现代控制理论依赖控制对象数学模型的局限，具有广阔的应用前景[1?3]。 本文将自抗扰控制技术运用于某火炮位置伺服系统，基于Simulink平台进行建模。通过仿真分析，采用自抗扰技术实现对某火炮位置伺服系统的控制，并与传统PID控制的结果进行对比分析。 1 自抗扰控制器的原理 ADRC是在非线性PID框架上，用“扩张状态观测器”对扰动进行实时估计与补偿构造出具有“自抗扰功能”的新型实用控制器[4]。 ADRC由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）三部分构成。TD根据伺服系统的输入[θi]和承受力来安排过渡过程；ESO的作用是由控制量和被控对象的输出[θo]，估计出伺服系统的状态和所受到的总的未知扰动的实时作用量；TD的输出和ESO的状态变量之间产生误差，NLSEF利用此误差用非线性组合形式产生控制量对系统进行补偿[5]。 2 控制系统的设计 2.1 控制对象 本文以某火箭炮位置伺服系统进行建模仿真研究。按位置环、速度环、电流环三闭环调速系统对伺服系统建立模型。 对于水平调炮1 000 mil，PID控制器需要重新调整参数。由图7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可满足控制要求。PID控制响应时间为10.2 s，ADRC的系统响应时间为8.5 s，ADRC速度较快，无振荡与超调。通过以上对比仿真分析可知：采用ADRC作为控制器的系统，响应性能明显优于传统PID控制器。以阶跃作为输入主令的ADRC算法，系统调炮误差小，系统的响应速度快，且具有较强的抗干扰能力。因此，所设计的ADRC控制器能够满足某火炮控制系统相关要求。 5 结 论 针对某火炮伺服系统，采用ADRC对其进行控制建模和仿真分析。仿真结果表明，在同被控伺服系统并加入相同干扰的条件下，较之采用传统PID控制器的位置伺服系统，采用ADRC的火炮位置伺服系统具有更优良的性能，且无超调，对干扰等变化具有更强的鲁棒性。 参考文献 [1] 徐振辉.基于遗传算法的自抗扰炮控系统优化设计[J].计算机与现代化，2012，12（15）：43?46. [2] 张意，马清华.基于自抗扰控制技术的导弹控制系统设计[J]. 弹箭与制导学报，2010，32（1）：37?40. [3] 滕福林，胡育文.基于自抗扰控制器的交流位置伺服系统[J].电气传动，2011（11）：43?46. [4] 韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器[J].控制与决策，1995，10（1）：85?88. [5] 韩京清，王伟.非线性跟踪：微分器[J].系统科学与数学，1994，14（2）：177?183. [6] 周伟科，吕强.自抗扰控制在坦克炮控执行机构中的应用[J].火炮发射与控制学报，2009（3）：18?21. [7] 孙 凯，许镇琳.基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统[J].中国电机工程学报，2007，27（15）：43?46. 摘 要： 为了解决火炮伺服系统存在负载变化大、冲击扰动力矩强等问题，将自抗扰控制技术应用到火炮伺服系统位置控制器中。该控制算法通过实时估计与补偿来弥补传统控制方法的不足。通过在Simulink软件平台搭建了ADRC的火炮伺服系统三环模型，仿真结果对比传统PID控制。对比结果表明，基于ADRC的系统超调小、响应速度较快、具有较强的鲁棒性。 关键词： Simulink； 伺服系统； 自抗扰； 火炮 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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 某火炮伺服系统是一个具有冲击力矩强、负载变化大等特点的非线性系统。针对此类大时滞、参数变化较大的系统，传统PID控制由于响应快速和超调之间的矛盾以及参数需要实时调整等现存问题不能满足其控制精度和跟踪要求。 自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器发展的一种新型非线性控制器。ADRC汲取经典PID的优点及现代控制理论的控制思路方法，解决了响应快速与超调的矛盾以及现代控制理论依赖控制对象数学模型的局限，具有广阔的应用前景[1?3]。 本文将自抗扰控制技术运用于某火炮位置伺服系统，基于Simulink平台进行建模。通过仿真分析，采用自抗扰技术实现对某火炮位置伺服系统的控制，并与传统PID控制的结果进行对比分析。 1 自抗扰控制器的原理 ADRC是在非线性PID框架上，用“扩张状态观测器”对扰动进行实时估计与补偿构造出具有“自抗扰功能”的新型实用控制器[4]。 ADRC由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）三部分构成。TD根据伺服系统的输入[θi]和承受力来安排过渡过程；ESO的作用是由控制量和被控对象的输出[θo]，估计出伺服系统的状态和所受到的总的未知扰动的实时作用量；TD的输出和ESO的状态变量之间产生误差，NLSEF利用此误差用非线性组合形式产生控制量对系统进行补偿[5]。 2 控制系统的设计 2.1 控制对象 本文以某火箭炮位置伺服系统进行建模仿真研究。按位置环、速度环、电流环三闭环调速系统对伺服系统建立模型。 对于水平调炮1 000 mil，PID控制器需要重新调整参数。由图7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可满足控制要求。PID控制响应时间为10.2 s，ADRC的系统响应时间为8.5 s，ADRC速度较快，无振荡与超调。通过以上对比仿真分析可知：采用ADRC作为控制器的系统，响应性能明显优于传统PID控制器。以阶跃作为输入主令的ADRC算法，系统调炮误差小，系统的响应速度快，且具有较强的抗干扰能力。因此，所设计的ADRC控制器能够满足某火炮控制系统相关要求。 5 结 论 针对某火炮伺服系统，采用ADRC对其进行控制建模和仿真分析。仿真结果表明，在同被控伺服系统并加入相同干扰的条件下，较之采用传统PID控制器的位置伺服系统，采用ADRC的火炮位置伺服系统具有更优良的性能，且无超调，对干扰等变化具有更强的鲁棒性。 参考文献 [1] 徐振辉.基于遗传算法的自抗扰炮控系统优化设计[J].计算机与现代化，2012，12（15）：43?46. [2] 张意，马清华.基于自抗扰控制技术的导弹控制系统设计[J]. 弹箭与制导学报，2010，32（1）：37?40. [3] 滕福林，胡育文.基于自抗扰控制器的交流位置伺服系统[J].电气传动，2011（11）：43?46. [4] 韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器[J].控制与决策，1995，10（1）：85?88. [5] 韩京清，王伟.非线性跟踪：微分器[J].系统科学与数学，1994，14（2）：177?183. [6] 周伟科，吕强.自抗扰控制在坦克炮控执行机构中的应用[J].火炮发射与控制学报，2009（3）：18?21. [7] 孙 凯，许镇琳.基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统[J].中国电机工程学报，2007，27（15）：43?46. 摘 要： 为了解决火炮伺服系统存在负载变化大、冲击扰动力矩强等问题，将自抗扰控制技术应用到火炮伺服系统位置控制器中。该控制算法通过实时估计与补偿来弥补传统控制方法的不足。通过在Simulink软件平台搭建了ADRC的火炮伺服系统三环模型，仿真结果对比传统PID控制。对比结果表明，基于ADRC的系统超调小、响应速度较快、具有较强的鲁棒性。 关键词： Simulink； 伺服系统； 自抗扰； 火炮 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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 某火炮伺服系统是一个具有冲击力矩强、负载变化大等特点的非线性系统。针对此类大时滞、参数变化较大的系统，传统PID控制由于响应快速和超调之间的矛盾以及参数需要实时调整等现存问题不能满足其控制精度和跟踪要求。 自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller，ADRC）是基于PID控制器发展的一种新型非线性控制器。ADRC汲取经典PID的优点及现代控制理论的控制思路方法，解决了响应快速与超调的矛盾以及现代控制理论依赖控制对象数学模型的局限，具有广阔的应用前景[1?3]。 本文将自抗扰控制技术运用于某火炮位置伺服系统，基于Simulink平台进行建模。通过仿真分析，采用自抗扰技术实现对某火炮位置伺服系统的控制，并与传统PID控制的结果进行对比分析。 1 自抗扰控制器的原理 ADRC是在非线性PID框架上，用“扩张状态观测器”对扰动进行实时估计与补偿构造出具有“自抗扰功能”的新型实用控制器[4]。 ADRC由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）三部分构成。TD根据伺服系统的输入[θi]和承受力来安排过渡过程；ESO的作用是由控制量和被控对象的输出[θo]，估计出伺服系统的状态和所受到的总的未知扰动的实时作用量；TD的输出和ESO的状态变量之间产生误差，NLSEF利用此误差用非线性组合形式产生控制量对系统进行补偿[5]。 2 控制系统的设计 2.1 控制对象 本文以某火箭炮位置伺服系统进行建模仿真研究。按位置环、速度环、电流环三闭环调速系统对伺服系统建立模型。 对于水平调炮1 000 mil，PID控制器需要重新调整参数。由图7可以看出：PID控制和ADRC控制也都可满足控制要求。PID控制响应时间为10.2 s，ADRC的系统响应时间为8.5 s，ADRC速度较快，无振荡与超调。通过以上对比仿真分析可知：采用ADRC作为控制器的系统，响应性能明显优于传统PID控制器。以阶跃作为输入主令的ADRC算法，系统调炮误差小，系统的响应速度快，且具有较强的抗干扰能力。因此，所设计的ADRC控制器能够满足某火炮控制系统相关要求。 5 结 论 针对某火炮伺服系统，采用ADRC对其进行控制建模和仿真分析。仿真结果表明，在同被控伺服系统并加入相同干扰的条件下，较之采用传统PID控制器的位置伺服系统，采用ADRC的火炮位置伺服系统具有更优良的性能，且无超调，对干扰等变化具有更强的鲁棒性。 参考文献 [1] 徐振辉.基于遗传算法的自抗扰炮控系统优化设计[J].计算机与现代化，2012，12（15）：43?46. [2] 张意，马清华.基于自抗扰控制技术的导弹控制系统设计[J]. 弹箭与制导学报，2010，32（1）：37?40. [3] 滕福林，胡育文.基于自抗扰控制器的交流位置伺服系统[J].电气传动，2011（11）：43?46. [4] 韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器[J].控制与决策，1995，10（1）：85?88. [5] 韩京清，王伟.非线性跟踪：微分器[J].系统科学与数学，1994，14（2）：177?183. [6] 周伟科，吕强.自抗扰控制在坦克炮控执行机构中的应用[J].火炮发射与控制学报，2009（3）：18?21. [7] 孙 凯，许镇琳.基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统[J].中国电机工程学报，2007，27（15）：43?46. |
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