系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制結(jié)課論文.docx

系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制結(jié)課論文目錄一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的由來二、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義三、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成和特點四、自適應(yīng)控制的方案五、自適應(yīng)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用六、發(fā)展前景自適應(yīng)控制系統(tǒng)一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的由來在控制工程中，控制的目標是設(shè)計控制器使被控對象滿足某種性能指標，或使系統(tǒng)運動軌跡按某種理想的軌跡運行，達到一種最優(yōu)的運行狀態(tài)。在線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制理論中，人們對這些問題進行了深入的研究，得到了非常豐富的成果，形成了完整的理論體系。不過，這里要求被控對象的模型都是已知的，并且在多數(shù)情況下還要求被控對象具有線性是不變的特征。 在實際的控制過程中，控制對象往往存在不確定性。有時人們對被控對象的數(shù)學模型了解并不完全，模型結(jié)構(gòu)存在某種不確定性；或者是對模型結(jié)構(gòu)（如模型的階數(shù)、傳遞函數(shù)零極點的個數(shù)等）已經(jīng)了解，但是由于環(huán)境、工況的影響，被控對象模型的參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化。 當系統(tǒng)存在不確定性時，按照確定性數(shù)學模型所涉及的控制器就不可能得到良好的控制性能，有時系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，需要一種新的控制系統(tǒng)，她能夠自動補償系統(tǒng)由于過程對象的參數(shù)，環(huán)境的不定性而造成的系統(tǒng)性能的變化，自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。 自適應(yīng)控制最初(20世紀50年代末期)主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域,此時相應(yīng)的理論和方法還不成熟,應(yīng)用上遇到一些失敗,但部分人仍然堅持研究,并將其應(yīng)用推廣至其他工業(yè)部門;到七十年代隨著控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)控制取得重大進展,在光學跟蹤望遠鏡、化工、冶金、機加工和核電中的成功應(yīng)用也充分證明了其有效性;此后,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用更得到大幅度擴展;目前從美國新的登月計劃到臨床醫(yī)學領(lǐng)域,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用都方興未艾。二、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義 自適應(yīng)控制系統(tǒng)尚沒有公認的統(tǒng)一定義，一些學者針對比較具體的系統(tǒng)構(gòu)成方式提出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義。有些定義得到了自適應(yīng)控制研究領(lǐng)域廣大學者的認同。下面介紹兩個影響比較廣泛的定義。 定義1（Gibson，1962年）一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)提供被控對象當前狀態(tài)的連續(xù)信息，即辨識對象；將當前系統(tǒng)性能與期望性能或某種最優(yōu)化指標進行比較，在此基礎(chǔ)上做出決策，對控制器進行實時修正，使得系統(tǒng)趨向期望性能或趨于最優(yōu)化狀態(tài)。 定義2（Landau，1974年）一個自適應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)利用可調(diào)系統(tǒng)的各種輸入-輸出信息來度量某個性能指標，然后將測量得出的性能指標與期望指標進行比較，由自適應(yīng)機構(gòu)來修正控制器的參數(shù)或產(chǎn)生一個輔助信號，以使系統(tǒng)接近規(guī)定的性能指標并保持。 定義1和定義2實際上規(guī)定了兩類最重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)：自校正系統(tǒng)和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它們的區(qū)別在于：定義1所規(guī)定的系統(tǒng)需要對系統(tǒng)進行辨識，定義2所規(guī)定的系統(tǒng)不需要進行顯示的辨識；定義1要求自適應(yīng)系統(tǒng)按照某種最優(yōu)指標做出決策，定義2不要求進行顯式的決策，而將其隱含在某種已知的（通過參考模型表示）性能指標之中。不過兩者的基本思想都是一致的。三、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成和特點自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、自適應(yīng)器及反饋控制回路和自適應(yīng)回路組成。下圖是自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖。與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)比較，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有3個顯著特點： 干擾v(t)設(shè)定值r(t)被控量y(t)控制器被控對象 (參考輸入)控制量u（t）(輸入)自適應(yīng)器1） 控制器可調(diào)相對于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動著的，即自適應(yīng)控制器在控制的過程中是可調(diào)的。2） 增加了自適應(yīng)回路自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是個根據(jù)系統(tǒng)運行情況，自動調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對象特性的變化。3） 適用對象自適應(yīng)控制適用于被控對象特性未知或時變的系統(tǒng)，設(shè)計時不需要完全知道被控對象的數(shù)學模型。四、自適應(yīng)控制的方案因設(shè)計的原理和結(jié)構(gòu)的不同,自適應(yīng)控制系統(tǒng)大致可分為如下幾種主要形式:增益程序控制、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)、自整定PID。1） 增益程序控制：增益程序控制的結(jié)構(gòu)和原理比較直觀,調(diào)節(jié)器按被控系統(tǒng)的參數(shù)已知變化規(guī)律進行設(shè)計。當參數(shù)因工作情況和環(huán)境等變化而變化時,通過能測量到反映系統(tǒng)當前狀態(tài)的系統(tǒng)變量,比照對系統(tǒng)的運行的要求(或性能指標),經(jīng)過計算并按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，這種系統(tǒng)雖然僅僅是對增益的變化進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),難以完全克服系統(tǒng)模型未知或模型參數(shù)變化帶來的影響以實現(xiàn)完善的自適應(yīng)控制,但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)迅速,所以在許多實際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。2） 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)源于確定性伺服問題，它由兩個控制回路組成：內(nèi)回路是由過程和調(diào)節(jié)器所組成的普通反饋回路；外回路則用于調(diào)整調(diào)節(jié)器或控制器的參數(shù)。外環(huán)的調(diào)整原則：使y與Ym之間的誤差最小MIN（e）(e=Ym-y)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRAS的關(guān)鍵問題是確定調(diào)整機構(gòu)，以便得到一個使誤差e趨向于零的穩(wěn)定系統(tǒng)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRAS的主要特點：通過輸出誤差信號e(e=Y0-Y)可以直接表達控制的性能和質(zhì)量；自適應(yīng)機構(gòu)不是明顯地去獲得控制u驅(qū)動被控過程，而是通過獲得一組控制器可調(diào)參數(shù)去驅(qū)動；設(shè)計主要針對輸出跟蹤問題。3）自校正控制STC：自校正控制系統(tǒng)又稱自優(yōu)化控制、參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)或模型辨識自適應(yīng)控制。典型的自校正控制系統(tǒng)如圖所示。它源于隨機調(diào)節(jié)問題：該系統(tǒng)有兩個環(huán)路，一個環(huán)路由參數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)器和被控系統(tǒng)所組成,稱為內(nèi)環(huán)，它類似于通常的反饋控制系統(tǒng)；另一個環(huán)路由遞推參數(shù)估計器與調(diào)節(jié)器參數(shù)計算環(huán)節(jié)所組成,稱為外環(huán)。自校正控制系統(tǒng)與其它自適應(yīng)控制系統(tǒng)的區(qū)別為其有一顯性進行系統(tǒng)辨識和控制器參數(shù)計算(或設(shè)計)的環(huán)節(jié)這一顯著特征。自適應(yīng)控制常常兼有隨機性、非線性和時變等特征,內(nèi)部機理也相當復(fù)雜,所以分析這類系統(tǒng)十分困難。目前，已被廣泛研究的理論課題有穩(wěn)定性、收斂性和魯棒性等，但取得的成果與人們所期望的還相差甚遠。4）自整定PID：多年來，PID控制器由于其簡單、直觀，控制性能和魯棒性良好，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，目前大多數(shù)工業(yè)控制回路均采用PID控制。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程日趨復(fù)雜，控制系統(tǒng)中的控制回路越來越多，對控制器參數(shù)整定的要求也越來越高，傳統(tǒng)的PID控制器整定方法在整定大規(guī)模和高精度的控制系統(tǒng)時，由于整定工作非常復(fù)雜繁瑣，已經(jīng)越來越不適應(yīng)實際工作的要求。因此，將現(xiàn)代自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于PID控制器，實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自動整定，已經(jīng)成為PID控制和自適應(yīng)控制發(fā)展的重要方向。五、自適應(yīng)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用1）電力系統(tǒng)的控制 電力系統(tǒng)是一個典型的高維數(shù)、強非線性的的復(fù)雜系統(tǒng)，它的數(shù)學模型中包含了眾多不確定參數(shù)和難以建模的動態(tài)過程。自適應(yīng)策略在電力系統(tǒng)控制中的應(yīng)用主要包括鍋爐蒸汽溫度和壓力調(diào)節(jié)、蒸汽輪機與燃氣輪機的優(yōu)化控制、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制、互聯(lián)電氣系統(tǒng)發(fā)電量控制等方面。2）航天航空、航海和特種汽車無人駕駛 隨著飛機性能的不斷提升，尤其是宇宙飛船的出現(xiàn)，航天航空領(lǐng)域?qū)ψ赃m應(yīng)控制的興趣日益增加。辛辛那提大學的Slater G.L.利用自適應(yīng)方法大大改善了飛機在起飛階段的爬升性能預(yù)測，這有利于飛機在爬升過程中與空中的其他飛行器合流。美國宇航局的Gupta Pramod等提出了利用貝葉斯方法查證將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)方法用于現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈控制的安全與可靠性，并給出了在NASN的智能飛行控制系統(tǒng)中的模擬結(jié)果。3）工業(yè)過程控制 工業(yè)過程自20世紀30年代后期以來已越來越依靠自動化裝置，反饋控制是通用的控制方法，經(jīng)歷了從比例控制到智能控制的發(fā)展歷程。最近30多年，自適應(yīng)策略在工業(yè)過程控制中廣泛的應(yīng)用，主要包括化工過程、造紙過程、食品加工過程、冶金過程、鋼鐵制造過程、機械加工過程等應(yīng)用領(lǐng)域。4）柔性結(jié)構(gòu)與振動和噪聲的控制 密西根科技大學的Schultze John F.等對一種類似機翼的懸臂梁柔性結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)模型空間控制。對于時變系統(tǒng)，該控制器的頻帶較寬，且具有很好的解耦性能。5）在環(huán)境和生物醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用 在水處理過程中，投藥單耗與原水的濁度和溫度密切相關(guān)，而原水水質(zhì)隨季節(jié)改變，且每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會有所不同。葉昌明等（2003）研制了一種自適應(yīng)控制投藥設(shè)備。該設(shè)備可自動學習最佳投藥控制規(guī)律，并根據(jù)水質(zhì)及環(huán)境狀態(tài)選擇最佳投藥量。自適應(yīng)控制在臨床醫(yī)學中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。 南加福尼亞大學的R.W.Jelliffe等（1986）利用自適應(yīng)方法來控制后續(xù)的慶大霉素血清藥物濃度。采用基于貝葉斯方法的開環(huán)反饋自適應(yīng)藥物代謝控制系統(tǒng)，并仔細對照病人的臨床表現(xiàn)與適用模型的輸出（生理現(xiàn)象），醫(yī)生就可以確定最適合病人的治療目標。 清華大學的郝智秀等（1995）發(fā)明了一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，以實現(xiàn)假手握物感覺的反饋，該控制裝置使截肢者使用機電假手時有真肢感。6）在經(jīng)濟領(lǐng)域方面的應(yīng)用 將隨機自適應(yīng)控制應(yīng)用于宏觀經(jīng)濟問題已經(jīng)成為經(jīng)濟學家解決宏觀經(jīng)濟隨機性問題較好的方法。將不可避免的不確定性與經(jīng)濟模型聯(lián)系起來已經(jīng)得到了長期的認同，而且已經(jīng)花費了大量精力來提高模型的質(zhì)量。 近來,許多工作被引入由隨機控制技術(shù)為經(jīng)濟模型服務(wù)。這些方法對模型中不確定性的存在及對既定情況進行決定性變量修改做出了說明。然而對不確定性的存在的說明并沒有解釋長期隨機控制問題的全部本質(zhì)，因為不確定性的演變即學習的可能性被忽略。 事實上，人們已經(jīng)找到了一種經(jīng)濟環(huán)境：從現(xiàn)在的國家收入和產(chǎn)量數(shù)據(jù)評估出來的多方程經(jīng)濟模型已經(jīng)開始應(yīng)用。因此，有望對技術(shù)的潛在適用性做出正確的推論。六、發(fā)展前景自適應(yīng)控制技術(shù)在20世紀80年代即開始向產(chǎn)品過渡，在我國得到了較好的推廣應(yīng)用，取得了很大的經(jīng)濟效益。且理論研究也有一些開創(chuàng)性的成果。但總的來說推廣應(yīng)用還很有限，主要是由于其通用性和開放性嚴重不足。雖然現(xiàn)已能設(shè)計出安全、有效、穩(wěn)定、快速且現(xiàn)場操作比較簡單的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，但今后較長一段時期內(nèi)，相對簡單實用的反饋、反饋加前饋或其他一些成熟的控制技術(shù)仍將繼續(xù)占據(jù)實際應(yīng)用的主流。 目前，不論從控制的理論分析方面，還是其實用化方面都存在一些困難，主要有：(1)知識的獲取與表達；(2)如何進行必要的先驗知識的選擇及