自適應(yīng)控制1

1、自 適 應(yīng) 控 制 (修訂版),叢 爽 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2010年9月,前 言,1996年國際自動(dòng)化領(lǐng)域最權(quán)威雜志《AUTOMATICA》 統(tǒng)計(jì)32年來所刊登稿件： 第一位Axelby ，45篇 第四位Åström ，25篇 第六位R. Isermann ，21篇使用頻率100次以上關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)中，“自適應(yīng)控制（Adaptive Control） ”

2、名列第一，共出現(xiàn)305次。,,自動(dòng)控制專業(yè)學(xué)生大學(xué)階段必須掌握理論 ：經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論,大學(xué)階段的主要專業(yè)課：兩門1）自動(dòng)控制原理基于系統(tǒng)模型：傳遞函數(shù)：輸出變量的拉氏變換/輸入變量的拉氏變換（基礎(chǔ)被控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型：微分方程）要求（適用范圍）：單變量根據(jù)系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)：頻域或時(shí)域系統(tǒng)穩(wěn)定性：特征根具有負(fù)實(shí)部；奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；勞斯判據(jù)；根軌跡法；尼柯爾斯曲線控制器設(shè)計(jì)：超前、滯后補(bǔ)償：PID研

3、究的系統(tǒng)（理想情況）：線性、定常、時(shí)不變,2）現(xiàn)代控制理論（工程）基于系統(tǒng)模型：狀態(tài)空間模型一階微分方程組（基礎(chǔ)被控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型：微分方程）適用范圍：多變量根據(jù)系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)：時(shí)域?qū)Ρ豢叵到y(tǒng)的分析：可控性、可觀性控制器設(shè)計(jì)：最優(yōu)控制：時(shí)間最短、能量最小研究的系統(tǒng)（同樣為）：線性、定常、時(shí)不變,,研究生階段必須要掌握最重要理論之一：自適應(yīng)控制：所要解決的問題是：線性、非定常、時(shí)變,第一章概 述 1.1

4、自適應(yīng)控制的提出,控制被控過程，即設(shè)法使該被控過程控制特性達(dá)到期望性能指標(biāo)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論以過程動(dòng)態(tài)特性事先已知，且控制系統(tǒng)在運(yùn)行中不發(fā)生未知變化為前提條件不定性：被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的未知性,一、引起被控系統(tǒng)不定性的主要原因,構(gòu)成被控系統(tǒng)組合件本身特性使得過程動(dòng)態(tài)特性或多或少具有某些非線性、時(shí)變性、分布性和隨機(jī)性 系統(tǒng)所處環(huán)境變化引起被控對(duì)象參數(shù)變動(dòng) 系統(tǒng)本身變化引起參數(shù)值變化 總之，任何被控系統(tǒng)都存

5、在不定性，僅強(qiáng)弱程度不同,二、 現(xiàn)代過程控制所面臨的難題,過程參數(shù)的未知性、時(shí)變性和隨機(jī)性過程時(shí)滯或時(shí)延的未知性和時(shí)變性 過程的非線性和分布性 過程干擾的隨機(jī)性 過程的非最小相位特性,三、 自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有的能力,有適應(yīng)工作條件變化和系統(tǒng)要求的能力 有學(xué)習(xí)的能力 在變化的工作條件中能產(chǎn)生所需的控制策略 在控制器參數(shù)失效時(shí)，有自行恢復(fù)其功能的能力 具有良好的魯棒性，即對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)變化、建模誤差以及不確定干擾不敏感,四、

6、自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想,在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)本身不斷地測(cè)量被控系統(tǒng)的狀態(tài)辨識(shí)和計(jì)算出系統(tǒng)當(dāng)前的參數(shù)和運(yùn)行指標(biāo)與期望的性能指標(biāo)相比較，進(jìn)而作出決策，來進(jìn)行控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，或根據(jù)自適應(yīng)的規(guī)律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在某種意義下的最優(yōu)或次最優(yōu)狀態(tài)重復(fù)進(jìn)行以上的設(shè)計(jì)步驟,五、自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況,1954年：Tsien在《工程控制論》中提出自適應(yīng)這一專門名詞 1955年：Benner和Drenick提出控制系統(tǒng)具有“自適

7、應(yīng)”概念 20世紀(jì)50年代末 ：Whitaker提出飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀的模型參考自適應(yīng)控制方案（MIT方案 ）1963年 ：羅馬尼亞學(xué)者 V.M.Popov提出超穩(wěn)定性理論 ，法國學(xué)者 I.D.Landau把該理論應(yīng)用于模型參考自適應(yīng)控制 1966年 ：德國學(xué)者 P.C.Parks提出用Lyapunov第二法推導(dǎo)自適應(yīng)算法的自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,,在此期間，出現(xiàn)其它一些自適應(yīng)控制系統(tǒng)：1960年：Li和Van Der提出自振蕩自適應(yīng)控

8、制系統(tǒng) 1960－1961年：Bellman和Fel’dbaum分別在美國和蘇聯(lián)提出對(duì)偶控制 1963年：Petrov等人提出變結(jié)構(gòu)系統(tǒng),,1973年 ：瑞典學(xué)者K.J. Åström和B. Wittenmark首先提出自校正調(diào)節(jié)器(STR) 1976年 ：英國學(xué)者D.W.Clarker和Gawthrop提出廣義最小方差自校正控制器 1979年：P.E.Wellstead和K.J. Åstr

9、6;m提出極點(diǎn)配置自校正調(diào)節(jié)器和伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案此外，美國的Narendra, Morse，澳大利亞的Goodwin以及我國學(xué)者陳翰馥在自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性、收斂性和設(shè)計(jì)方法上也做了大量研究工作,六、自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,飛行器控制深空探測(cè)器控制動(dòng)力系統(tǒng)艦船駕駛衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)冶金過程控制化工過程控制生物工程武器系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)管理、交通、通信等,1.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,自適應(yīng)算法，必須具有兩個(gè)性質(zhì) ：當(dāng)輸出與設(shè)

10、定值之間出現(xiàn)有界偏差，能使被控系統(tǒng)穩(wěn)定 算法最后應(yīng)能給出期望的控制效果 前一性質(zhì)叫做穩(wěn)定性，后一性質(zhì)叫做收斂性,系統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂性分析有三個(gè)假設(shè)：,被控系統(tǒng)是線性的，結(jié)構(gòu)是已知的 擾動(dòng)是有界的 擾動(dòng)是具有有理譜密度的平穩(wěn)過程,自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟,系統(tǒng)的參數(shù)變辨識(shí) 根據(jù)辨識(shí)的系統(tǒng)參數(shù)和某一性能指標(biāo)進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì) 自校正、自適應(yīng)過程,,辨識(shí)：通過實(shí)驗(yàn)方法確定過程的動(dòng)力學(xué)特性 在線辨識(shí)：利用計(jì)算機(jī)同時(shí)完成

11、對(duì)系統(tǒng)的操作與控制批處理 ：將所有測(cè)量信號(hào)存儲(chǔ)起來離線辨識(shí) 實(shí)時(shí)處理 ：對(duì)每一采樣信號(hào)立刻進(jìn)行辨識(shí)與控制器參數(shù)的計(jì)算處理,自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)方法,根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)的方式分為兩種設(shè)計(jì)過程 ：間接法，又稱顯式法 ：首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，然后利用所辨識(shí)的參數(shù)以及有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì) 直接法,又稱隱式法 ：將控制器參數(shù)作為系統(tǒng)的未知數(shù)，建立一個(gè)與控制器參數(shù)直接有關(guān)的估計(jì)模型，并通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法進(jìn)行求解。實(shí)際應(yīng)用中，采用以上兩種方

12、法所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器常常習(xí)慣地稱為自校正控制器，或簡稱自校正器。,自校正器的一般結(jié)構(gòu),,自適應(yīng)控制內(nèi)容,一、基于優(yōu)化控制策略的自校正控制器 自校正控制技術(shù)性能指標(biāo)最小方差控制 ：以誤差的二次型目標(biāo)函數(shù)作為性能指標(biāo) ，性能指標(biāo)形式為,,,,,LQG線性高斯控制：其性能指標(biāo)為,廣義最小方差調(diào)節(jié) :性能指標(biāo)形式為,二、基于常規(guī)控制策略的自校正器,極點(diǎn)配置法 ：不采用性能指標(biāo)形式設(shè)計(jì)控制器，使實(shí)際閉環(huán)系統(tǒng)的（零）極點(diǎn)收斂于期望傳遞函數(shù)的