15自適應迭代學習控制理論及其

1、自適應迭代學習控制理論及其應用李俊民自適應迭代學習控制理論及其應用:信息世界中的控制科學 問題的背景及科學意義:研究方法及缺陷 亟待解決的關鍵問題 應用前景信息世界中的控制科學控制指在工程系統(tǒng)中反饋和算法的運用 控制就是把反饋作為處理系統(tǒng)不確定性的工具?？刂茊栴}和目標：調(diào)節(jié)問題和跟蹤問題控制系統(tǒng)的典型結構圖控制科學的發(fā)展簡史從基于物理和（或）數(shù)學模型的控制理論到基于 信息的智能控制理論，再到基于行為化方法的一 般控制理論。經(jīng)典控制理論：SISO,數(shù)學工具：傳遞函數(shù)和復變函數(shù)理論。 現(xiàn)代控制理論：MIMO,數(shù)學工具：線性代數(shù)，微分方程，隨 機過程、微分幾何，變分法及泛函分析等。智能控制理論：3C

2、問題，基礎工具：動力系統(tǒng)，人工智能, 知識工程，神經(jīng)網(wǎng)絡，模糊數(shù)學，進化算法、行為化理論等?？刂圃?jīng)在過程工業(yè)、電力、通信、 父通和制造系統(tǒng)等起著基礎性的作用O 控制已經(jīng)在以下領域中取得成功的應 用：控制科學成功應用的領域 宇航飛行器的導航和控制：如商用飛機、制導導彈、先I進的戰(zhàn)斗機、登陸飛行器和衛(wèi)星。這些控制系統(tǒng)提供了在存在大的環(huán)境和系統(tǒng)的不確定性的情況下，保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定性和跟蹤特性。制造工業(yè)和過程工業(yè)的自動化：汽車制造業(yè)，機器人、 集成電路的生產(chǎn)、裝配線、機器的精確定位，以及化工 過程等。通信系統(tǒng)的控制：包括電報、電話系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)射 器(transmitter)和中繼器(repeat

3、er)的信號能量水平調(diào) 節(jié)；網(wǎng)絡路由設備的數(shù)據(jù)包緩沖器管理以及為適應傳輸 線路的時變特性提供自適應去噪方法?？刂瓶茖W面臨重要的機遇和挑戰(zhàn)信息與網(wǎng)絡(Information and Networks)網(wǎng)絡的控制(Control of networks)和網(wǎng)絡環(huán)境下的控制(或 稱為網(wǎng)絡化控制)(Control over networks) 克網(wǎng)絡的控制包括：擁塞控制、路由器設計、數(shù)據(jù)的高速緩沖存儲、 信息的延遲和數(shù)據(jù)包的丟失等關鍵問題。淀 網(wǎng)絡環(huán)境下的控制(或稱為網(wǎng)絡化控制):網(wǎng)絡連接被控對象和控制器所形成的人規(guī)模復雜混合控制系統(tǒng)的建模、分析和綜合。建立一種分布式異步且有數(shù)據(jù)包丟失傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)理

4、論和方法 成為一個具有挑戰(zhàn)性的問題。X控制科學面臨重要的機遇和挑戰(zhàn)機器人與智能機器(Robotics and Intelligent Machine) 擬人化機器人是高智能的人工智能系統(tǒng)，如何實現(xiàn)復朵 目標的跟蹤成為關鍵問題之一。宇航和交通(Aerospace and Transportation)分子量子和微系統(tǒng)(Molecular，Quantum and Nanoscale systems )生物和醫(yī)學材料和工業(yè)過程環(huán)境科學與工程經(jīng)濟和金融系統(tǒng)、電力系統(tǒng)1、問題的背景及科學意義 自適應控制理論的公開問題： 無法處理本質(zhì)時-變 問題，控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)無法保證。進代學習控制理論的限制：只能精

5、確跟蹤固定巨 標。過程工業(yè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制中的關鍵問題：如何確 保穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中一次次動態(tài)進程具有良好性能？提岀口適應迭代學習控制理論，為解決上述問題 提供了一個可行的方法。自適應控制問題被控對象：尢=/(兀，<9),兀(0) = x0,y(t) = h(x(t)適應控制器：6 二(px,<9),(0) = Oq,u = 00,0)自適應控制是參數(shù)學習的控制方法，處理系統(tǒng)參 數(shù)的不確定性和“小”的結構不確定性。實現(xiàn)了 系統(tǒng)的漸近調(diào)節(jié)或漸近跟蹤。自適應控制系統(tǒng)的結構模型參考自適應控制的仿真圖ClockTo Woitepacel系統(tǒng)響應曲線260.O305逗 eed-0.65-0.6-0.65

6、-0.7-0.75-0.8Ou-n t自適應控制的公開問題長期存在的公開問題是：如何保證閉環(huán)自適應系 統(tǒng)具有良好動態(tài)性能品質(zhì)？當參數(shù)是時變時如何設計?1、問題的背景及科學意義 自適應控制理論的公開問題： 無法處理本質(zhì)時-變 問題，控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)無法保證。進代學習控制理論的限制：只能精確跟蹤固定巨 標。過程工業(yè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制中的關鍵問題：如何確 保穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中一次次動態(tài)進程具有良好性能？提岀口適應迭代學習控制理論，為解決上述問題 提供了一個可行的方法。迭代學習控制理論及其限制學習控制是指在控制系統(tǒng)的進程中估計某些信息并據(jù)以 改善控制性能的一種控制方法，以便逐步改進控制系統(tǒng) 的性能。迭代學習控制是

7、一種有可靠的數(shù)學基礎的學習 控制方法。下圖是迭代學習控制的結構圖。迭代學習控制理論及其限制觀迭代學習控制(ILC)是品質(zhì)學習的高級控制方法, 適合處理重復系統(tǒng)或周期系統(tǒng)的各種不確定性。 實現(xiàn)了在有限時間區(qū)間內(nèi)目標軌線的精確跟蹤o觀ILC控制器：uk+t) = g(/(,/(),/+%),/ r-yk單關節(jié)機械臂的OILC的仿真圖卜 - L O 505 o O50k005050k10005101520迭代次數(shù)205 O 50迭代學習控制理論及其限制觀ILC的缺陷：非線性函數(shù)須滿足Lipschitz條件線性系統(tǒng)的第一個Markov參數(shù)CB不為零需要知道理想的輸入初值誤差的魯棒性問題跟蹤目標是固定的

8、1、問題的背景及科學意義 自適應控制理論的公開問題： 無法處理本質(zhì)時-變 問題，控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)無法保證。進代學習控制理論的限制：只能精確跟蹤固定巨 標。過程工業(yè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制中的關鍵問題：如何確 保穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中一次次動態(tài)進程具有良好性能？提岀口適應迭代學習控制理論，為解決上述問題 提供了一個可行的方法。工業(yè)過程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的關鍵問題過渡過程示意圖工業(yè)過程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中的關鍵問題ILC在工業(yè)過程中的應用1、問題的背景及科學意義 自適應控制理論的公開問題： 無法處理本質(zhì)時-變 問題，控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)無法保證。進代學習控制理論的限制：只能精確跟蹤固定巨 標。過程工業(yè)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制中的關鍵問題：如何確 保穩(wěn)

9、態(tài)優(yōu)化中一次次動態(tài)進程具有良好性能？提岀口適應迭代學習控制理論，為解決上述問題 提供了一個可行的方法。問題的提出及科學意義自適應控制和迭代學習控制結合形成自適應迭代學習控 I制（簡稱AILC）,目前AILC主要是將自適應控制結合進迭代學習控制，設計新型迭代學習控制系統(tǒng)。為了解決以 上理論上的缺陷和限制，需要我們研究以下基本問題。問題的提出：1）如何將自適應控制和ILC有機結合設計新的AILC,實 現(xiàn)對非一致目標的精確跟蹤？2）如何將ILC引入自適應系統(tǒng)的設計中，引導自適應系統(tǒng) 的動態(tài)過程，解決自適應系統(tǒng)的公開問題？這些問題的解決將在高智能機器人（擬人化機器人）系統(tǒng)、 大工業(yè)過程穩(wěn)態(tài)優(yōu)化以及自適

10、應控制的應用中具有重要 的意義。自適應控制研究方法及其缺陷迭代學習控制理論研究的主要方法及其限制自適應迭代學習控制的研究方法自適應控制研究方法及其缺陷線性自適應控制系統(tǒng)的設計理論和分析方法1.基于穩(wěn)定性理論的設計和分析（Narendra,1989, MRAC,連續(xù)時間系統(tǒng)）2.基于確定性等價原理及關鍵性引理和鞅理 論的設計與分析（Goodwin, 1984,STR/STC,離 散時間系統(tǒng)）自適應控制研究方法及其缺陷非線性自適應控制系統(tǒng)的設計理論和分析方法1 基于萬能逼近特性模型(如：神經(jīng)網(wǎng)絡或模糊系統(tǒng)) 的自適應控制(Franklin, 1994, ANNC, or Wang, 1995, A

11、FC),利用穩(wěn)定性理論設計和分析.2. 基于微分兒何理論的自適應控制(Isidori, 1990, AFLC; Krstic,1995, SFSAC, OFAC)3基于估計理論的自適應控制(Krstic,1995 , Passive or Swapping)4.非線性參數(shù)化自適應控制(Kojic等對凸或凹的非線性 參數(shù)牝索統(tǒng)提由了一種min-max設計方注2003； Lin等 Domination法設拆分別給出了一鞭非線性參數(shù)化系統(tǒng)尬 光滑自適應控制和非光滑自適應控制,2002。)自適應控制研究方法及其缺陷現(xiàn)有自適應控制方法的缺陷:無法保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)品質(zhì).無法處理本質(zhì)時變系統(tǒng)問題迭代學

12、習控制理論研究方法及限制 ILC現(xiàn)有的研究方法1 開、閉環(huán)的PD,D PI, or PID型ILC算法,利用算子理論 和壓縮映射原理分析系統(tǒng)的收斂性和穩(wěn)定性.(Arimoto, 1984; Moor, 1993; Lin 1995)2. 開、閉環(huán)高階ILC,利用Bellman-Gronwall引理分析系 統(tǒng)的穩(wěn)定性(Bien, 1989; Wen, 1998)3. 基于二維系統(tǒng)理論分析ILC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性(o wens, 1999)4最優(yōu)迭代學習控制算法(Amann, 1996; Xu5 2003)迭代學習控制理論研究方法及限制ILC的缺陷：非線性函數(shù)須滿足Lipschitz條件線性系統(tǒng)

13、的第一個Markov參數(shù)CB不為零需要知道理想的輸入初值誤差的魯棒性問題跟蹤目標是固定的自適應迭代學習控制理論研究方法 AILC的研究方法：1. 離散型AILC方法：在迭代域設計自適應率，如：Owens, 1993, 2000; Xu, 2000, 2002,2. 連續(xù)型AILC方法：在每次迭代的時間域設計自適應率, 如French 2000； Li & Yang 2002； Li & Daniel 20033. 混合型AILC:將上述兩種方法有機結合設計混合型的自適應率,如Choi, 20015Xu5 2004, Sun52006缺陷：適合于固定目標的跟蹤,無法應用于變化的目標跟蹤 問題.四、亟待解決的關鍵問題發(fā)展混合Lyapunov穩(wěn)定性理論，提出復合能量函數(shù)概念, 設計非一致目標跟蹤的ILC系統(tǒng)，分析它的穩(wěn)定性和收斂 性、魯棒柱。ILC和自適應控制相結合，提出非一致目標跟蹤的AILC系 統(tǒng)，分析它的穩(wěn)定性、收斂性和收斂速度。根據(jù)工業(yè)過程控制的遞階結構，給出對其動態(tài)階段實施 自適應迭代學習控制的問題的提法，建立基本的遞階非 一致目標跟蹤的自適應迭代學習控制結構和算