自适应模糊自抗扰控制器的研究与设计

自适应模糊自抗扰控制器的研究与设计
The design and research of fuzzy self-adapted ADRC arithmetic
（哈尔滨工程大学）陈洪高延滨孙华
ChenHong GanYanBin SunHua
摘要：针对普通PID在实际工程控制中参数整定难，抗干扰能力差的问题，设计了一种基于模糊控制原理的改进型自抗扰控制器。

该控制器充分结合了模糊控制器和自抗扰控制器的各自优势，并对其进行了随动系统的仿真。

仿真结果表明，该控制器可设计成为一个响应速度快、静差小的控制系统，与经典PID控制器在同样的系统中比较，自适应模糊自抗扰控制有较好的控制性能。

关键字：自适应模糊自抗扰控制，自抗扰控制，模糊控制，复合控制器
中图分类号：TP27 文献标识码：A
Abstract: Because, in the stabilizing circuits, the common PID arithmetic is difficult to adjust this PID parameters and weak anti-jamming, a self- adapted active disturbance rejection controller (ADRC) with fuzzy control theory is designed. This controller has the advantage between PID and Fuzzy controller, And the results show that the Fuzzy- Self- adapted PID controller is better than PID controller.
Key words:fuzzy self-adapted ADRC; ADRC; fuzzy; complex controller
引言
在大多数工业过程中，通常使用传统的PID控制，这种方式比较成熟，设计方法简单，但是对于干扰的抑制能力还不是很理想。

而且由于PID控制算法的固有特性，使其无法做到自适应化，当系统参数改变时，需要重新计算控制参数，不便于应用。

本文提出的是一种复合1形式的模糊自抗扰算法，以解决系统的抗干扰问题和自适应问题。

自抗扰控制器是一种改进型非线性PID控制器，它能比普通PID控制器更有效的抑制干扰，而模糊控制器的推理能力，则能在一定范围内对参数进行最佳估计。

自适应模糊自抗扰控制器结合了这两种控制器的优势，使得控制系统具有更好的鲁棒性和更大的适应性，最后利用随动系统作为比较模型，进行计算机仿真，结果验证了该控制器比经典PID控制器具有更好的控制效果。

1 自适应模糊自抗扰控制器的设计思想的提出
自抗扰控制器（ADRC）是在对经典PID控制器进行反思后，提出的一种的改进型非线性PID控制器结构，它是由三部分结构合成的：跟踪微分器TD，其作用是安排过渡过程并给出此过程的微分信号；扩张状态观测器ESO，其作用是给出对象状态变量估计值及系统模型和外扰实时总和作用的估计值；“积分器串联型”，利用非线性状态误差反馈NLSEF对被化为“积分器串联型”的对象进行控制。

自抗扰控制器结构框图如图1所示。

陈 洪 ：硕士研究生
基金项目：哈尔滨工程大学基础研究基金项目
z n z −
图1 自抗扰控制器结构框图
根据二阶自抗扰控制器的设计可以得到控制算法为： 1）安排过渡过程
1122
21020(1)()()
(1)()(()(),(),,)v k v k hv k v k v k h fst v k v k v k r h +=+⎧⎨
+=+⋅−⎩ （1） 式中
0v 为设定的目标值，1v 跟踪0v ，2v 为1v 的微分。

2）估计状态和总扰动（ESO ）
111120112230211012330312()()
(1)()(())(1)()(()(,,)((),())())(1)()(,,)
z k y k z k z k h z k z k z k h z k fal f z k z k bu k z k z k h fal εβεβεαδβεαδ=−⎧⎪+=+⋅−⎪⎪
+=+⋅−⎨⎪⋅+⎪⎪+=−⋅⎩ （2） ESO 中的1()z t 、2()z t 给出对象状态变量的估计，而3()z t 估计对象所有不确定模型和外扰的实时总和作用。

3）控制量的形成
1112220
110112202203()()()()()()()(,,)(,,)()()()/e k v k z k e k v k z k u k fal e fal e u k u k z k b
βαδβαδ=−⎧⎪=−⎪⎨=+⎪⎪=−⎩ （3）
在实际应用中需对自抗扰控制器的参数进行整定。

自抗扰控制器的三个主要部分跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律是相互独立设计的，然而在参数整定中发现，虽然自抗扰控制器的参数几乎可以实现自动化，其中1α，2α，1δ，2δ，01α，02α，01δ，
02δ是固定参数，ESO 的三个参数可自动生成即由01β，02β和03β之间的关系来确定；但是
还是需要手动调整1β和2β。

十分不便于实际操作和临时参数更改。

由此想到引入模糊逻辑
控制，利用模糊控制的适应能力，达到自动调整1β和2β的目的。

从而产生了自适应模糊自抗扰控制器的设计思想。

2 自适应模糊自抗扰控制器的设计
由于在实际应用中，非线性反馈的参数{1β，2β}与PD 控制器的两个参数的整定十分相似，1β是比例系数，2β是微分增益。

故可以设计一个根据1e ，2e 自动逼近最优1β，2β的模糊控制器。

图2自适应模糊自抗扰控制器结构
自适应模糊自抗扰控制器以1e ，2e 作为输入，利用模糊控制规则在线对自抗扰参数进行修改，以满足不同时刻1e ，2e 对自抗扰参数的要求。

自适应模糊自抗扰控制器结构如图2所示。

模糊控制器设计的核心是总结工程技术人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，针对1β，2β分别建立参数整定模糊控制表。

表1 1β的模糊规则表
表2 2β的模糊规则表
模糊控制子集为1e ，2e ={NB ，NS ，ZO ，PS ，PB}，设1e ，2e 和1β，2β均服从正态分布，因此可得出各个模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计出1β，2β的模糊矩阵表，查出修正参数代入计算式：
1112{,}e e ββ′=+ （4） 2212{,}e e ββ′=+ （5）
即得出整定后的1β，2β，结合ADRC 参数整定原则和ADRC 公式，即可以得到自适应模糊自抗扰控制器。

3 仿真结果
进行平台随动系统的仿真结果如图3和图4。

由图3可以得到，在阶跃响应中，与经典PID 控制器相比，自适应模糊自抗扰系统超调量大大减少了，且无静态误差，响应速度也进一步提高。

由图4可以看出，在干扰下，自适应模糊自抗扰系统的抗干扰能力也优于经典PID 控制器。

这表明自适应模糊自抗扰控制器的适应性和鲁棒性都远远强于经典PID 控制器。

0.20.40.60.811.21.4
图3 无扰动时的比较
0.20.40.60.811.21.4
图4 有扰动时的比较
4 结论
本文设计了一种复合形式的自适应模糊自抗扰控制器, 来提高系统的抗干扰能力和自适应能力。

该控制器结合了模糊控制器和自抗扰控制器的优势，既利用了自抗扰控制器抗干扰能力强的特点，又利用模糊控制器在线对自抗扰参数进行修改，提高了自抗扰控制器的自适应能力。

计算机仿真结果表明该方法具有响应速度快，抗干扰能力强，自适应能力强等特点。

本文作者创新点：设计了一种新型的控制器——自适应模糊自抗扰控制器，该控制器结合了模糊控制器和自抗扰控制器的优势。

利用平台随动系统模型，与经典PID 控制器相比较，该控制器具有有响应速度快，抗干扰能力强，自适应能力强等特点。

参考文献
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张晓东，童少为．用MATLAB 仿真分析自抗扰控制器的整定参数［J］．微计算机信息，2006，11-1：91-93。

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刘金琨主编.智能控制［M］.电子工业出版社,北京.2005.
注： 该文章是结合项目“数字通讯天线姿态稳定系统”来写的，该项目预期经济效益是
120万元。

文章中所用数据来源于实验调试和以往经验值。

采用的研究方法是理论、实验、仿真相结合。

作者简介：陈 洪（1982－），男，硕士研究生，主要研究方向：导航、制导与控制
高延滨（1963－），男，教授，主要研究方向：导航、制导与控制
Biography:ChenHong (1982 -) , male , postgraduate Harbin Engineering University, Research Area:Navigation , Guidance and Control ;
GaoYanBin (1963- ) , male , professor , Research Area : Navigation , Guidance and Control.。