ADRC例程

ADRC

优化fhan
《自抗扰控制入门》
自抗扰死忠粉

ADRC.H

#ifndef _ADRC_H_
#define _ADRC_H_

typedef struct
{
/*****安排过度过程*******/
float x1;//跟踪微分期状态量
float x2;//跟踪微分期状态量微分项
float r;//时间尺度
float h;//ADRC系统积分时间
uint16 N0;//跟踪微分器解决速度超调h0=N*h

float h0;
float fh;//最速微分加速度跟踪量
float fst;//最速微分加速度跟踪量

/*****扩张状态观测器*******/
/******已系统输出y和输入u来跟踪估计系统状态和扰动*****/
float z1;
float z2;
float z3;//根据控制对象输入与输出，提取的扰动信息
float e;//系统状态误差
float y;//系统输出量
float fe;
float fe1;
float beta_01;
float beta_02;
float beta_03;
float b;


/**********系统状态误差反馈率*********/
float e0;//状态误差积分项
float e1;//状态偏差
float e2;//状态量微分项
float u0;//非线性组合系统输出
float u;//带扰动补偿后的输出
float b0;//扰动补偿

/*********第一种组合形式*********/
float beta_0;//线性
float beta_1;//非线性组合参数
float beta_2;//u0=beta_1*e1+beta_2*e2+(beta_0*e0);
/*********第二种组合形式*********/
float alpha1;//u0=beta_1*fal(e1,alpha1,zeta)+beta_2*fal(e2,alpha2,zeta)
float alpha2;//0<alpha1<1<alpha2
float zeta;//线性段的区间长度
/*********第三种组合形式*********/
float h1;//u0=-fhan(e1,e2,r,h1);
uint16 N1;//跟踪微分器解决速度超调h0=N*h
/*********第四种组合形式*********/
float c;//u0=-fhan(e1,c*e2*e2,r,h1);


}Fhan_Data;



void ADRC_Init(Fhan_Data *fhan_Input1,Fhan_Data *fhan_Input2);
void Fhan_ADRC(Fhan_Data *fhan_Input,float expect_ADRC);
void ADRC_Control(Fhan_Data *fhan_Input,float expect_ADRC,float feedback);

extern Fhan_Data ADRC_Pitch_Controller,ADRC_Roll_Controller;
#endif

ADRC.C

//#include "Headfile.h"
#include "ADRC.h"

Fhan_Data ADRC_Pitch_Controller;
Fhan_Data ADRC_Roll_Controller;
const float ADRC_Unit[3][16]=
{
/*TD跟踪微分器   改进最速TD,h0=N*h      扩张状态观测器ESO           扰动补偿     非线性组合*/
/*  r     h      N                  beta_01   beta_02    beta_03     b0     beta_0  beta_1     beta_2     N1     C    alpha1  alpha2  zeta  b*/
 {300000 ,0.005 , 3,               300,      4000,      10000,     0.001,    0.002,   2.0,      0.0010,    5,    5,    0.8,   1.5,    50,    0},
 {300000 ,0.005 , 3,               300,      4000,      10000,     0.001,    0.002,   2.0,      0.0010,    5,    5,    0.8,   1.5,    50,    0},
 {300000 ,0.005 , 3,               300,      4000,      10000,     0.001,    0.002,   1.2,      0.0005,    5,    5,    0.8,   1.5,    50,    0},
};

float Constrain_Float(float amt, float low, float high){
  return ((amt)<(low)?(low):((amt)>(high)?(high):(amt)));
}

int16_t Sign_ADRC(float Input)
{
    int16_t output=0;
    if(Input>1E-6) output=1;
    else if(Input<-1E-6) output=-1;
    else output=0;
    return output;
}

int16_t Fsg_ADRC(float x,float d)
{
  int16_t output=0;
  output=(Sign_ADRC(x+d)-Sign_ADRC(x-d))/2;
  return output;
}

void ADRC_Init(Fhan_Data *fhan_Input1,Fhan_Data *fhan_Input2)
{
  fhan_Input1->r=ADRC_Unit[0][0];
  fhan_Input1->h=ADRC_Unit[0][1];
  fhan_Input1->N0=(uint16)(ADRC_Unit[0][2]);
  fhan_Input1->beta_01=ADRC_Unit[0][3];
  fhan_Input1->beta_02=ADRC_Unit[0][4];
  fhan_Input1->beta_03=ADRC_Unit[0][5];
  fhan_Input1->b0=ADRC_Unit[0][6];
  fhan_Input1->beta_0=ADRC_Unit[0][7];
  fhan_Input1->beta_1=ADRC_Unit[0][8];
  fhan_Input1->beta_2=ADRC_Unit[0][9];
  fhan_Input1->N1=(uint16)(ADRC_Unit[0][10]);
  fhan_Input1->c=ADRC_Unit[0][11];

  fhan_Input1->alpha1=ADRC_Unit[0][12];
  fhan_Input1->alpha2=ADRC_Unit[0][13];
  fhan_Input1->zeta=ADRC_Unit[0][14];
  fhan_Input1->b=ADRC_Unit[0][15];

  fhan_Input2->r=ADRC_Unit[1][0];
  fhan_Input2->h=ADRC_Unit[1][1];
  fhan_Input2->N0=(uint16)(ADRC_Unit[1][2]);
  fhan_Input2->beta_01=ADRC_Unit[1][3];
  fhan_Input2->beta_02=ADRC_Unit[1][4];
  fhan_Input2->beta_03=ADRC_Unit[1][5];
  fhan_Input2->b0=ADRC_Unit[1][6];
  fhan_Input2->beta_0=ADRC_Unit[1][7];
  fhan_Input2->beta_1=ADRC_Unit[1][8];
  fhan_Input2->beta_2=ADRC_Unit[1][9];
  fhan_Input2->N1=(uint16)(ADRC_Unit[1][10]);
  fhan_Input2->c=ADRC_Unit[1][11];

  fhan_Input2->alpha1=ADRC_Unit[1][12];
  fhan_Input2->alpha2=ADRC_Unit[1][13];
  fhan_Input2->zeta=ADRC_Unit[1][14];
  fhan_Input2->b=ADRC_Unit[1][15];
}

//ADRC最速跟踪微分器TD，改进的算法fhan
void Fhan_ADRC(Fhan_Data *fhan_Input,float expect_ADRC)//安排ADRC过度过程
{
  float d=0,a0=0,y=0,a1=0,a2=0,a=0;
  float x1_delta=0;//ADRC状态跟踪误差项
  x1_delta=fhan_Input->x1-expect_ADRC;//用x1-v(k)替代x1得到离散更新公式
  fhan_Input->h0=fhan_Input->N0*fhan_Input->h;//用h0替代h，解决最速跟踪微分器速度超调问题
  d=fhan_Input->r*fhan_Input->h0*fhan_Input->h0;//d=rh^2;
  a0=fhan_Input->h0*fhan_Input->x2;//a0=h*x2
  y=x1_delta+a0;//y=x1+a0
  a1=sqrt(d*(d+8*ABS(y)));//a1=sqrt(d*(d+8*ABS(y))])
  a2=a0+Sign_ADRC(y)*(a1-d)/2;//a2=a0+sign(y)*(a1-d)/2;
  a=(a0+y)*Fsg_ADRC(y,d)+a2*(1-Fsg_ADRC(y,d));
  fhan_Input->fh=-fhan_Input->r*(a/d)*Fsg_ADRC(a,d)
                  -fhan_Input->r*Sign_ADRC(a)*(1-Fsg_ADRC(a,d));//得到最速微分加速度跟踪量
  fhan_Input->x1+=fhan_Input->h*fhan_Input->x2;//跟新最速跟踪状态量x1
  fhan_Input->x2+=fhan_Input->h*fhan_Input->fh;//跟新最速跟踪状态量微分x2
}

//原点附近有连线性段的连续幂次函数
float Fal_ADRC(float e,float alpha,float zeta)
{
    int16 s=0;
    float fal_output=0;
    s=(Sign_ADRC(e+zeta)-Sign_ADRC(e-zeta))/2;
    fal_output=e*s/(powf(zeta,1-alpha))+powf(ABS(e),alpha)*Sign_ADRC(e)*(1-s);
    return fal_output;
}




/************扩张状态观测器********************/
//状态观测器参数beta01=1/h  beta02=1/(3*h^2)  beta03=2/(8^2*h^3) ...
void ESO_ADRC(Fhan_Data *fhan_Input)
{
  fhan_Input->e=fhan_Input->z1-fhan_Input->y;//状态误差

  fhan_Input->fe=Fal_ADRC(fhan_Input->e,0.5,fhan_Input->h);//非线性函数，提取跟踪状态与当前状态误差
  fhan_Input->fe1=Fal_ADRC(fhan_Input->e,0.25,fhan_Input->h);

  /*************扩展状态量更新**********/
  fhan_Input->z1+=fhan_Input->h*(fhan_Input->z2-fhan_Input->beta_01*fhan_Input->e);
  fhan_Input->z2+=fhan_Input->h*(fhan_Input->z3
                                 -fhan_Input->beta_02*fhan_Input->fe
                                   +fhan_Input->b*fhan_Input->u);
 //ESO估计状态加速度信号，进行扰动补偿，传统MEMS陀螺仪漂移较大，估计会产生漂移
  fhan_Input->z3+=fhan_Input->h*(-fhan_Input->beta_03*fhan_Input->fe1);
}

void Nolinear_Conbination_ADRC(Fhan_Data *fhan_Input)
{
  float temp_e2=0;
  temp_e2=Constrain_Float(fhan_Input->e2,-3000,3000);
  fhan_Input->u0=fhan_Input->beta_1*Fal_ADRC(fhan_Input->e1,fhan_Input->alpha1,fhan_Input->zeta)
                +fhan_Input->beta_2*Fal_ADRC(temp_e2,fhan_Input->alpha2,fhan_Input->zeta);

}


void ADRC_Control(Fhan_Data *fhan_Input,float expect_ADRC,float feedback_ADRC)
{
    /*自抗扰控制器第1步*/
    /********
        **
        **
        **
        **
        **
     ********/
      /*****
      安排过度过程，输入为期望给定，
      由TD跟踪微分器得到：
      过度期望信号x1，过度期望微分信号x2
      ******/
      Fhan_ADRC(fhan_Input,expect_ADRC);

    /*自抗扰控制器第2步*/
    /********
            *
            *
       ****
     *
     *
     ********/
      /************系统输出值为反馈量，状态反馈，ESO扩张状态观测器的输入*********/
      fhan_Input->y=feedback_ADRC;
      /*****
      扩张状态观测器，得到反馈信号的扩张状态：
      1、状态信号z1；
      2、状态速度信号z2；
      3、状态加速度信号z3。
      其中z1、z2用于作为状态反馈与TD微分跟踪器得到的x1,x2做差后，
      经过非线性函数映射，乘以beta系数后，
      组合得到未加入状态加速度估计扰动补偿的原始控制量u
      *********/
      ESO_ADRC(fhan_Input);//低成本MEMS会产生漂移，扩展出来的z3此项会漂移，目前暂时未想到办法解决，未用到z3
    /*自抗扰控制器第3步*/
    /********
           **
         **
       **
         **
           **
     ********/
      /********状态误差反馈率***/
      fhan_Input->e0+=fhan_Input->e1*fhan_Input->h;//状态积分项
      fhan_Input->e1=fhan_Input->x1-fhan_Input->z1;//状态偏差项
      fhan_Input->e2=fhan_Input->x2-fhan_Input->z2;//状态微分项，
      /********线性组合*******/
     /*
      fhan_Input->u0=//fhan_Input->beta_0*fhan_Input->e0
                    +fhan_Input->beta_1*fhan_Input->e1
                    +fhan_Input->beta_2*fhan_Input->e2;
     */
      Nolinear_Conbination_ADRC(fhan_Input);
      /**********扰动补偿*******/
      //fhan_Input->u=fhan_Input->u0
      //             -fhan_Input->z3/fhan_Input->b0;
      //由于MEMS传感器漂移比较严重，当beta_03取值比较大时，长时间z3漂移比较大，目前不加入扰动补偿控制量
      fhan_Input->u=Constrain_Float(fhan_Input->u0,-200,200);
}