自适应控制作业.doc

中国矿业大学科目： 系统辨识与自适应控制 姓名： 学号： 院系： 教师： 时间： 2015-12-09 自适应控制自适应控制技术1、 引言自适应控制的发展已有40多年的历史，并且在近20年里得到了飞速的发展，已成为当代自动控制界的少数热门前沿研究领域之一。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统。这里所谓“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。面对这些客观存在的各种不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或近似最优，就是自适应控制所要解决的问题。自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，但是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。可见，对于那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采用自适应控制是合适的。自适应控制系统的设计方法主要有两大类，一是基于自校正控制理论，另一是基于模型参考自适应控制理论。模型参考自适应控制技术是美国麻省理工学院的Whitaker教授为解决飞行器自动驾驶仪的问题而提出来的。自校正控制技术是由Kalman于1958年提出，由于当时的理论和技术发展都不充分，因此没有得到应有的重视和应用。60年代现代控制理论蓬勃发展，取得了诸如状态空间法、稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计等一些成果，电子计算机迅速发展为在工业生产过程中实现自适应控制这种复杂的策略提供了必要的技术基础。70年代以来，自适应控制理论有了显著的进展，一些学者分别在确定性的和随机的、连续的和离散的系统的自适应控制理论方面做出了杰出的贡献。2、 自适应控制概述2.1 自适应控制系统的功能及特点对于具有较强不确定性的被控系统，如何设计一个满意的控制器，就是自适应控制所要研究的问题。参照在日常主活中生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性，从而提出了自适应控制器的设想。自适应控制器应能够及时修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性变化，使整个控制系统始终获得满意的性能。因此，自适应控制方法就是依靠不断采集的控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，根据一定的性能准则，产生合适的自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态下。自适应控制是现代控制的重要组成都分，它同一般反馈控制相比具有如下特点：(1) 一般反馈控制主要适用于确定性对象或可以预知的对象，而自适应控制主要研究具有不确定性的对象或难以确知的对象。(2) 一般反馈控制具有较强的抗干扰能力，能够消除状态扰动所引起的系统误差；而自适应控制由于具有辨识对象和在线修改参数的能力，因而不仅能消除状态扰动引起的系统误差，而且还能消除系统结构扰动引起的系统误差。(3) 一般反馈控制系统的设计必须依赖系统特性的数学模型及其环境变化状况，而自适应控制系统设计则对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识，但自适应控制的实现往往更多地依靠计算机技术。(4) 自适应控制是较为复杂的反馈控制，它在一般反馈控制的基础上增加了自适应控制环节或系统参数辨识器，另外还附加了一个可调系统。2.2 自适应控制系统的分类自适应控制系统的分类方法有很多种。通常，按被控对象的性质可分为确定性自适应控制系统和随机自适应控制系统；按照功能来分，可分为参数或非参数自适应控制系统、性能自适应控制系统和结构自适应控制系统；按结构分，可以分为前馈自适应控制系统和反馈自适应控制系统；从实用角度分，可以将自适应控制分为模型参考自适应控制、自校正控制等等。下面对前馈自适应控制、反馈自适应控制、模型参考自适应控制以及自校正控制加以简单介绍。（1）前馈自适应控制前馈自适应控制也称为开环自适应控制，其结构如图3.1所示。它借助于过程扰动信号的测量，通过自适应环节按照这些扰动信号信息来改变控制器的状态，从而达到改变系统特性的目的。从图3.1可以看出，前馈自适应控制结构与前馈反馈复合控制系统的结构比较类似，不同的是增加了自适应机构，并且控制器可调。前馈自适应控制系统是根据可测的扰动信息对控制器加以调整，从而提高控制系统的控制质量。然而，当扰动不可测时，前馈自适应控制系统的应用就会受到严重的限制。（2）反馈自适应控制如果过程品质变化不能通过过程外部信号测量确定，那么可以采用如图3.2所示的反馈自适应控制结构。在反馈自适应控制系统中，过程特性的变化是通过控制回路内部可测信号的变化来观测的。除原有的反馈回路之外，反馈自适应控制系统中新增加的自适应机构形成了另一个反馈回路，该回路根据系统内部可测信息的变化，来改变控制器的结构或参数，以达到提高控制质量的目的。图1 前馈自适应控制结构图图2 反馈自适应控制结构图（3）模型参考自适应控制模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive ControlMRAC）系统结构如图3.3所示，其目标是：在参考模型始终具有期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过程中，力求保持被控过程的响应特性与参考模型的动态性能一致。模型参考自适应控制系统主要包括参考模型、可调机构和自适应机构三部分。自适应机构根据系统广义误差（若系统是由状态方程描述，那么广义误差是指系统状态误差向量；若系统是由输入输出方程描述，那么广义误差是指系统输出误差向量），按照一定的自适应规律来调整可调机构的参数或被控对象的输入信号，使得广义误差逐渐趋近于0。图3 模型参考自适应控制系统结构图（4）自校正控制自校正控制系统(Self-tuning Control)又称自优化控制或模型辨识自适应控制。典型的自校正控制系统如图3.4所示。自校正控制系统的设计目标是：通过采集的过程输入、输出信息，实现过程模型的在线辨识和参数估计。在获得的过程模型或估计参数的基础上，按照一定的性能优化准则，计算控制器参数，使得闭环系统能够达到最优的控制品质。图4 自校正控制系统结构图2.3 自适应控制技术的发展自适应控制系统主要是针对不确定性被控过程，寻找最优的控制方法或控制器结构和参数。对于具有不确定的被控过程，由于常规控制方法固定的控制器参数无法适应不断变化的过程特性，因而难以满足控制精度的要求，在这种情况下，就出现了可调控制器。控制器参数的自动调整最早出现在1940年，但是当时的自适应控制仅仅局限于控制器具有按照过程特性的变化调整自身参数的能力。直到20世纪70年代，随着控制理论及计算机技术的发展，自适应控制才得到了进一步的完善。目前，自适应控制已经广泛应用于许多领域。例如：机器人操作，飞机、导弹、飞船及火箭的控制，工业过程，生物工程等等，并逐渐渗透到经济管理、交通、通信等各个领域。随着对控制系统要求的不断提高和计算机技术的不断发展，自适应控制理论和技术也将得到不断的更新与完善，且其应用前景会十分广阔。3、 自适应控制技术的应用3.1 电动汽车混合电源系统的自适应控制3.1.1 背景电动汽车具有节能环保的特点，其研究与开发受到了广泛重视。但是，纯电动汽车较短的续驶里程和有限的动力电池组循环寿命制约了其产业化进程。试验研究表明，在城市工况下，动力电池组间歇性大电流放电是造成电池容量衰减和使用寿命短的主要原因。近年来发展的插电式混合动力电动汽车虽然可以延长电动汽车的续驶里程，但是，由于电池组容量小、荷电状态(SOC)使用范围宽，导致动力电池组放电倍率大，尤其在低SOC下动力电池组大倍率放电会进一步加剧动力电池组的容量衰减。因此，研究新型的电动汽车电源系统及其控制策略，降低动力电池的峰值放电电流，提高其耐久使用性能，是发展纯电动汽车和插电式混合动力汽车的关键共性技术问题，对推动电动汽车的产业化进程具有理论指导意义与应用价值。3.1.2 研究现状研究人员已在动力电池组的基础上，将超级电容组通过双向电源变换器和动力电池组的输出端并联，构成了“动力电池-超级电容”混合电源系统。超级电容组优异的功率特性可以弥补动力电池组输出功率的不足，降低动力电池组的峰值放电电流，提高动力电池组的耐久使用性能。“动力电池-超级电容”混合电源系统已经成为近年来电动汽车研究领域的热点。Erdinc等基于一段历史时间内电动汽车行驶总需求功率的频域分析，将从中分离出的高频功率分量做为超级电容输出功率的给定值。这种控制策略可以在一定程度上平滑动力电池组的放电功率，但是，基于历史功率数据分析的超级电容组输出电流控制不能很好地适应当前时刻的系统功率需求。试验表明，在车辆需求功率较小时，超级电容组仍可能处于放电状态，没有实现超级电容组“峰值功率补偿”的功能。Ferreira等根据模糊控制策略并结合超级电容组的端电压和车速等因素，给出了超级电容组的充放电电流的控制规则，该模糊控制规则虽然淡化了动力电池不准确的模型对控制策略的影响，却难以给出超级电容组输出功率和动力电池输出功率之间的定量关系，系统功率急剧增加时，依然存在超级电容组不充分放电、动力电池组峰值电流偏大等问题。混合电源系统是目前电动汽车中采用的主流电源系统之一，其关键技术混合电源系统输出功率和能量的控制受到了研究人员的重视并开展了相应的研究口剖。在混合电源系统中，通过双向电源变换器匹配主电源和辅助电源的输出电压特性和功率特性，可以实现电源系统输出功率的自适应控制。黄勇等在燃料电池发动机和镍氢电池组组成的混合电源系统中，提出了通过双向电源变换器实现双电源输出功率混合的控制方法，建立了基于规则的双向电源变换器控制策略，根据燃料电池发动机主电源输出电压的变化，自动调节镍氢电池组辅助电源的工作模式和充放电电流，实现了混合电源系统输出功率的自适应控制，得到稳定的电源系统输出电流和电压的变化过程。实际上，辅助电源的主要作用是补偿主电源较弱的功率响应性能，提高整个电源系统的效率性能和使用耐久性。相比之下，超级电容比镍氢电池具有更好的功率特性和使用耐久性，是更加优越的辅助电源。但是，由于超级电容的比能量小，当车辆行驶功率较小时，应控制超级电容组处于充电状态，使超级电容组储备较多的能量，能够在车辆行驶功率急剧增大时具有较强的功率输出能力；当车辆行驶功率大于一定值时，应实时控制超级电容组处于放电状态，抑制动力电池组电流的增大。在这一过程中，超级电容组充放电状态切换的实时性和充放电电流的定量控制是实现“动力电池超级电容”混合电源系统控制的关键。这是基于规则的控制策略难以做到的。本文提出了双向电源变换器电源外特性控制的方法，通过实时检测动力电池的放电电流，实现超级电容充放电状态的实时切换和充放电电流的自适应控制。3.1.3 工作原理力电池一超级电容”混合电源系统，双向电源变换器的高压端与动力电池组输出端相连，低压端与超级电容组输出端相连。在车辆行驶过程中，动力电池组的输出电流随着车辆行驶需求功率的增大而增大。双向电源变换器通过检测动力电池组放电电流值，自适应控制超级电容组的充放电状态和充放电电流：当需求功率增大使得动力电池组输出电流超过设定阈值时，双向电源变换器处于升压工作模式，控制超级电容组放电。随着动力电池组输出功率的增大，超级电容组放电功率迅速增加，对动力电池组输出起到功率放大器的作用。在确定的车辆行驶需求功率下，抑制了动力电池组电流的进一步增大。图5 “动力电池-超级电容”电源系统示意图当车辆行驶需求功率减小使得动力电池组放电电流小于设定阈值时，双向电源变换器切换进入降压工作模式，及时对超级电容组充电，使超级电容组的端电压及时恢复到较高值，能够在下一次超级电容组放电过程具有较强的功率输出能力。如果在这一过程中产生制动回馈能量，双向电源变换器的高压端电压升高，动力电池组输出电流自适应减小，超级电容组的充电能量将优先来源于制动回馈能量。实现上述工作原理的技术关键在于设计双向电源变换器的电源外特性，根据动力电池组的放电电流，自适应控制超级电容组的充放电状态和电流。参考文献1 刘兴堂，万少松等.应用自适应控制M.西安：西北工业大学出版社，2003.2 韩曾晋.自适应控制M.北京：清华大学出版社，1995.3 黄勇，曾帆，陈全世等燃料电池城市客车混合动力系统的自适应控制公路交通科技，2006，23(9)：121-125.4 GBl9754-2005：重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法，20055 Rdinc O,Vural B,Uzunoglu M.Awavelet-fuzzy logic based energy mana