自适应控制(1)

1、自自 适适 应应 控控 制制 (修订版)丛 爽 中国科学技术大学 2010年9月前 言 1996年国际自动化领域最权威杂志AUTOMATICA 统计32年来所刊登稿件： 第一位Axelby ，45篇 第四位strm ，25篇 第六位R. Isermann ，21篇 使用频率100次以上关键词统计中，“自适应控制（Adaptive Control） ”名列第一，共出现305次。 自动控制专业学生大学阶段必须掌握理论 ：经典控制理论和现代控制理论 大学阶段的主要专业课：两门1）自动控制原理基于系统模型：传递函数：输出变量的拉氏变换/输入变量的拉氏变换（基础被控系统的动力学模型：微分方程）要求（适用

2、范围）：单变量根据系统期望的性能指标：频域或时域系统稳定性：特征根具有负实部；奈奎斯特稳定性判据；劳斯判据；根轨迹法；尼柯尔斯曲线控制器设计：超前、滞后补偿：PID研究的系统（理想情况）：线性、定常、时不变2）现代控制理论（工程）基于系统模型：状态空间模型一阶微分方程组（基础被控系统的动力学模型：微分方程）适用范围：多变量根据系统期望的性能指标：时域对被控系统的分析：可控性、可观性控制器设计：最优控制：时间最短、能量最小研究的系统（同样为）：线性、定常、时不变 研究生阶段必须要掌握最重要理论之一：自适应控制：所要解决的问题是：线性、非定常、时变第一章 概 述 1.1 自适应控制的提出 控制被控

3、过程，即设法使该被控过程控制特性达到期望性能指标 经典控制理论和现代控制理论以过程动态特性事先已知，且控制系统在运行中不发生未知变化为前提条件 不定性：被控系统动态特性的未知性一、引起被控系统不定性的主要原因 构成被控系统组合件本身特性使得过程动态特性或多或少具有某些非线性、时变性、分布性和随机性 系统所处环境变化引起被控对象参数变动 系统本身变化引起参数值变化 总之，任何被控系统都存在不定性，仅强弱程度不同 二、 现代过程控制所面临的难题 过程参数的未知性、时变性和随机性 过程时滞或时延的未知性和时变性 过程的非线性和分布性 过程干扰的随机性 过程的非最小相位特性 三、 自适应控制系统应具有

4、的能力 有适应工作条件变化和系统要求的能力 有学习的能力 在变化的工作条件中能产生所需的控制策略 在控制器参数失效时，有自行恢复其功能的能力 具有良好的鲁棒性，即对系统的参数变化、建模误差以及不确定干扰不敏感 四、自适应控制系统设计思想 在控制系统运行过程中，系统本身不断地测量被控系统的状态 辨识和计算出系统当前的参数和运行指标 与期望的性能指标相比较，进而作出决策，来进行控制器参数的设计，或根据自适应的规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次最优状态 重复进行以上的设计步骤五、自适应控制系统发展概况 1954年：Tsien在工程控制论中提出自适应这一专门名词 1955年：Be

5、nner和Drenick提出控制系统具有“自适应”概念 20世纪50年代末 ：Whitaker提出飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制方案（MIT方案 ） 1963年 ：罗马尼亚学者 V.M.Popov提出超稳定性理论 ，法国学者 I.D.Landau把该理论应用于模型参考自适应控制 1966年 ：德国学者 P.C.Parks提出用Lyapunov第二法推导自适应算法的自适应系统设计方法 在此期间，出现其它一些自适应控制系统： 1960年：Li和Van Der提出自振荡自适应控制系统 19601961年：Bellman和Feldbaum分别在美国和苏联提出对偶控制 1963年：Petrov等人提

6、出变结构系统 1973年 ：瑞典学者K.J. strm和B. Wittenmark首先提出自校正调节器(STR) 1976年 ：英国学者D.W.Clarker和Gawthrop提出广义最小方差自校正控制器 1979年：P.E.Wellstead和K.J. strm提出极点配置自校正调节器和伺服系统的设计方案此外，美国的Narendra, Morse，澳大利亚的Goodwin以及我国学者陈翰馥在自适应控制的稳定性、收敛性和设计方法上也做了大量研究工作 六、自适应控制技术应用领域 飞行器控制 深空探测器控制 动力系统舰船驾驶 卫星跟踪系统 冶金过程控制 化工过程控制 生物工程 武器系统 经济管理、

7、交通、通信等 1.2 自适应控制系统的设计方法 自适应算法，必须具有两个性质 ： 当输出与设定值之间出现有界偏差，能使被控系统稳定 算法最后应能给出期望的控制效果 前一性质叫做稳定性，后一性质叫做收敛性 系统稳定性和收敛性分析有三个假设： 被控系统是线性的，结构是已知的 扰动是有界的 扰动是具有有理谱密度的平稳过程 自适应控制系统设计步骤 系统的参数变辨识 根据辨识的系统参数和某一性能指标进行控制器的设计 自校正、自适应过程 辨识：通过实验方法确定过程的动力学特性 在线辨识：利用计算机同时完成对系统的操作与控制 批处理 ：将所有测量信号存储起来离线辨识 实时处理 ：对每一采样信号立刻进行辨识与

8、控制器参数的计算处理 自适应控制设计方法根据系统辨识参数的方式分为两种设计过程 ： 间接法，又称显式法 ：首先进行系统参数辨识，然后利用所辨识的参数以及有关性能指标进行控制器设计 直接法,又称隐式法 ：将控制器参数作为系统的未知数，建立一个与控制器参数直接有关的估计模型，并通过系统辨识的方法进行求解。实际应用中，采用以上两种方法所设计的自适应控制器常常习惯地称为自校正控制器，或简称自校正器。 自校正器的一般结构 控制器被控过程系统参数 辨识控制器 设计-+自适应控制内容一、基于优化控制策略的自校正控制器 自校正控制技术性能指标最小方差控制 ：以误差的二次型目标函数作为性能指标 ，性能指标形式为 21eEJ 222rueEJQuuQxxEJTT3LQG线性高斯控制：其性能指标为 广义最小方差调节 :性能指标形式为二、基于常规控制策略的自校正器 极点配置法 ：不采用性能指标形式设计控制器，使实际闭环系统的（零）极点收敛于期望传递函数的（零）极点 PID控制器：常规PID控制器作用下如何消除干扰和扰动三、模型参考自适应控制 确定性线性系统控制器设计结构图控制器被控过程控制器 设计-+性能指标yyr自适应控制系统结构图控制器被控过程系统参数 辨识控