使用c语言实现ADRC，并且将浮点数转为定点数运算

<think>好的，我现在需要帮助用户了解如何使用C语言实现ADRC（自抗扰控制器），并将浮点数转换为定点数运算。首先，我得回顾一下ADRC的基本原理，然后思考如何在C语言中实现它，特别是定点数的转换部分。 ADRC主要由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈（NLSEF）组成。用户可能对这三个部分的具体实现不太清楚，特别是数学公式部分。我需要将每个部分的离散化公式整理出来，并用C语言的结构体或函数来表示。 接下来是定点数运算的问题。用户可能是在嵌入式系统或资源受限的环境中工作，需要优化性能。将浮点数转为定点数需要考虑精度（Q格式），比如Q15或Q31，这取决于处理器的位宽。需要解释如何选择Q格式，以及如何进行乘法和加法的运算，避免溢出。 可能用户对定点数的转换步骤不熟悉，比如如何将浮点数乘以2的n次方取整，以及运算后的移位操作。这部分需要详细说明，并给出示例代码，比如定义宏或函数来处理乘法和加法。 另外，用户可能在实际实现中遇到溢出或精度损失的问题，需要提醒他们在运算顺序和中间结果的存储上注意，比如使用更大的数据类型来暂存中间值，再进行截断。 还需要考虑代码的结构，比如用结构体来保存ADRC的状态变量和参数，这样便于模块化。每个函数对应ADRC的一个部分，如TD、ESO、NLSEF，以及最终的控制器输出计算。 最后，测试和验证也是重要的部分，用户可能需要知道如何验证定点数转换后的效果，比如与浮点版本对比，调整Q格式的精度，或者处理动态范围较大的情况。 总结下来，我需要分步骤解释ADRC的实现，然后详细说明定点数转换的方法，并提供代码示例和注意事项，确保用户能够理解并正确应用。</think>以下分步骤介绍C语言实现ADRC及定点数转换方法： # 一、ADRC基本原理 ADRC由三个核心模块构成： $$ TD: \begin{cases} v_1(k+1) = v_1(k) + h \cdot v_2(k) \\ v_2(k+1) = v_2(k) + h \cdot fhan(v_1(k)-v(k), v_2(k), r, h_0) \end{cases} $$ $$ ESO: \begin{cases} e = z_1(k) - y(k) \\ z_1(k+1) = z_1(k) + h(z_2(k) - \beta_{01}e) \\ z_2(k+1) = z_2(k) + h(z_3(k) - \beta_{02}fal(e, \alpha_1, \delta) + b_0u(k)) \\ z_3(k+1) = z_3(k) + h(-\beta_{03}fal(e, \alpha_2, \delta)) \end{cases} $$ $$ NLSEF: \begin{cases} e_1 = v_1 - z_1 \\ e_2 = v_2 - z_2 \\ u_0 = \beta_1 fal(e_1, \alpha, \delta) + \beta_2 fal(e_2, \alpha, \delta) \end{cases} $$ # 二、定点数转换方法 ## 1. Q格式选择 - 32位系统推荐Q15格式（16位整数+15位小数） - 64位系统可用Q31格式（32位整数+31位小数） ```c typedef int32_t q15_t; // Q15格式定义 #define Q 15 // 小数位数 ``` ## 2. 基本运算实现 ```c // 浮点转定点 #define FLOAT_TO_Q15(x) ((q15_t)((x) * (1 << Q))) // 定点转浮点 #define Q15_TO_FLOAT(x) ((float)(x) / (1 << Q)) // 定点乘法（防溢出） q15_t q15_mul(q15_t a, q15_t b) { int32_t tmp = (int32_t)a * (int32_t)b; return (q15_t)(tmp >> Q); } // 定点加法（需保证不溢出） q15_t q15_add(q15_t a, q15_t b) { return a + b; // 需确保运算在范围内 } ``` # 三、C语言实现 ## 1. 数据结构定义 ```c typedef struct { q15_t v1; // TD状态1 q15_t v2; // TD状态2 q15_t z1; // ESO状态1 q15_t z2; // ESO状态2 q15_t z3; // ESO状态3 q15_t beta01; // ESO参数 q15_t beta02; q15_t beta03; q15_t b0; // 系统系数 q15_t h; // 采样周期 } ADRC_Controller; ``` ## 2. 核心函数实现 ```c void ADRC_Update(ADRC_Controller* ctrl, q15_t ref, q15_t y) { // TD跟踪微分器 q15_t e = ctrl->v1 - ref; q15_t fh = fhan(e, ctrl->v2, FLOAT_TO_Q15(1.0), ctrl->h); ctrl->v1 += q15_mul(ctrl->h, ctrl->v2); ctrl->v2 += q15_mul(ctrl->h, fh); // ESO观测器 e = ctrl->z1 - y; q15_t fe = fal(e, FLOAT_TO_Q15(0.5), FLOAT_TO_Q15(0.01)); ctrl->z1 += q15_mul(ctrl->h, ctrl->z2 - q15_mul(ctrl->beta01, e)); ctrl->z2 += q15_mul(ctrl->h, ctrl->z3 - q15_mul(ctrl->beta02, fe) + q15_mul(ctrl->b0, ctrl->u)); ctrl->z3 += q15_mul(ctrl->h, -q15_mul(ctrl->beta03, fe)); // NLSEF控制律 q15_t e1 = ctrl->v1 - ctrl->z1; q15_t e2 = ctrl->v2 - ctrl->z2; ctrl->u0 = q15_add(q15_mul(FLOAT_TO_Q15(0.8), fal(e1,...)), q15_mul(FLOAT_TO_Q15(1.2), fal(e2,...))); } ``` # 四、注意事项 1. **精度控制**：Q值越大精度越高，但动态范围越小 2. **溢出防护**： - 乘法运算使用32位中间变量 - 加法前进行饱和判断 3. **函数近似**： ```c q15_t fal(q15_t e, q15_t alpha, q15_t delta) { q15_t abs_e = abs(e); if(abs_e > delta) { return q15_mul(pow_q15(abs_e, alpha), sign(e)); } return q15_div(e, pow_q15(delta, Q15_ONE - alpha)); } ``` 4. **参数整定**：先完成浮点版本验证，再转换定点参数 # 五、验证方法 1. 白盒测试：对比定点与浮点计算的中间结果 2. 时域测试：阶跃响应、抗扰动的时域波形对比 3. 量化误差分析：统计最大误差和平均误差 > 建议：首次实现时保持浮点与定点版本并存，通过宏定义切换计算模式，便于调试和性能对比。