第5章 自適應(yīng)控制概論

1、第5章 自適應(yīng)控制概論 5.1 什么是自適應(yīng)控制系統(tǒng) 5.1.1 系統(tǒng)與控制 在運用系統(tǒng)理論分析研究各種現(xiàn)實問題過程中，一般遵循4條基本原則。 1）整體性原則 2）結(jié)構(gòu)功能原則 3）目的性原則 4）最優(yōu)化原則第2部分 自適應(yīng)控制圖5.1.1 常規(guī)反饋控制系統(tǒng)原理框圖 5.1.2 常規(guī)反饋控制系統(tǒng) 控制器是固定的 已知數(shù)學(xué)模型 有一定的克服對象特性變化的能力 5.1.3 什么是“自適應(yīng)控制”圖5.1.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖 1)控制器可調(diào) 2)增加了自適應(yīng)回路 3)適用對象 計算機控制的過程： (a)開機，施加一定的控制(恒值PI，或手動控制)，檢測u(ih)和y(ih)，以構(gòu)造(8.1.1

2、6)和(8.1.17)式； (b)解(8.1.16)和(8.1.17)式,得 和 ,進而由 (8.1.18)和(8.1.19)式獲得控制器參數(shù)Ti和K； (c)將控制器參數(shù)調(diào)整為Ti和K，并投入運行。 5.2 為什么需要自適應(yīng)控制 5.2.1 常規(guī)控制不能滿足某些問題的要求圖5.2.1 具有非線性閥的常規(guī)反饋系統(tǒng)原理框圖程序程序ex5_2_1.mdlex5_2_1.mdl圖5.2.2 具有非線性閥的常規(guī)反饋系統(tǒng)在不同工作點的階躍響應(yīng)特性 5.2.2 什么時候用自適應(yīng)控制程序程序ex5_2_3.mdlex5_2_3.mdl程序程序ex5_2_4.mdlex5_2_4.mdl研究對象：具有不確定性

3、的系統(tǒng)研究對象：具有不確定性的系統(tǒng) 被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的 自適應(yīng)控制器自適應(yīng)控制器：通過：通過及時修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾及時修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性變化動的動態(tài)特性變化，使整個控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。，使整個控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。 生物能夠通過自覺調(diào)整自身參數(shù)改變自己的習(xí)性，生物能夠通過自覺調(diào)整自身參數(shù)改變自己的習(xí)性，以適應(yīng)新的環(huán)境特性，例如：變色龍以適應(yīng)新的環(huán)境特性，例如：變色龍 自適應(yīng)控制的特點：自適應(yīng)控制的特點： 研究具有不確定性的對象或難以確知的對象研究具有不確定性的對象或難以確知的對象 能消除

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動引起的系統(tǒng)誤差能消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動引起的系統(tǒng)誤差 對數(shù)學(xué)模型的依賴很小，僅需要較少的驗前知識對數(shù)學(xué)模型的依賴很小，僅需要較少的驗前知識 自適應(yīng)控制是較為復(fù)雜的反饋控制自適應(yīng)控制是較為復(fù)雜的反饋控制 5.3 自適應(yīng)控制的方案 5.3.1 增益程序(調(diào)度)控制(Gain Scheduling)圖5.3.1 增益程序（調(diào)度）控制原理框圖 5.3.2 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRACS (Model Reference Adaptive Control System)圖5.3.2 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRACS原理框圖在參考模型始終具有期望的閉環(huán)性能的前提下，使系統(tǒng)在運行過在參考模型始終具有

5、期望的閉環(huán)性能的前提下，使系統(tǒng)在運行過程中，力求保持被控過程的響應(yīng)特性與參考模型的動態(tài)性能一致。程中，力求保持被控過程的響應(yīng)特性與參考模型的動態(tài)性能一致。 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRACS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。 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRACS的主要優(yōu)缺點： 優(yōu)點：通常用模擬元件實現(xiàn)，速度快，實用價值明顯。 缺點：理論基礎(chǔ)尚不完善（假設(shè)條件太強），考慮穩(wěn)定性的方法很多，但不明確哪種更好。5.3.3 自校正控制STC (Self

6、-Tuning Control)圖5.3.3 自校正控制系統(tǒng)STC原理框圖通過采集的過程輸入、輸出信息，實現(xiàn)過程模型的在線辨識和參通過采集的過程輸入、輸出信息，實現(xiàn)過程模型的在線辨識和參數(shù)估計。在獲得的過程模型或估計參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照一定的性數(shù)估計。在獲得的過程模型或估計參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照一定的性能優(yōu)化準(zhǔn)則，計算控制參數(shù)，使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠達到最優(yōu)的控制能優(yōu)化準(zhǔn)則，計算控制參數(shù)，使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠達到最優(yōu)的控制品質(zhì)。品質(zhì)。 值得注意的是自校正控制的主要特點： 這種系統(tǒng)的過程建模和控制設(shè)計都可視為自動化的； 過程模型和控制設(shè)計在每個采樣周期中都要更新一次； 強調(diào)這種控制器能自己校正自己的參數(shù)，以得到

7、希望的閉環(huán)系統(tǒng)性能。 自校正控制STC與模型參考自適應(yīng)控制MRACS的關(guān)系表現(xiàn)在： 都有兩個回路：內(nèi)回路常規(guī)控制；外回路自適應(yīng)； MRACS源于確定性的伺服問題；STC源于隨機調(diào)節(jié)問題； 內(nèi)環(huán)外環(huán)的設(shè)計方法不同：如MRACS中調(diào)節(jié)器參數(shù)是直接更新，而STC中調(diào)節(jié)器參數(shù)是經(jīng)由參數(shù)估計和控制設(shè)計計算間接更新。 5.3.4 自整定PID (PID Auto-tuner) 5.4 自適應(yīng)控制的設(shè)計和理論問題 5.4.1 對控制器設(shè)計的基本要求 5.4.2 自適應(yīng)控制器設(shè)計的主要內(nèi)容 5.4.3 對自適應(yīng)控制的理解及主要理論問題 （1）隨機最優(yōu)控制 設(shè)被控過程的數(shù)學(xué)模型用隨機離散-時間方程表示為： 根據(jù)隨機最優(yōu)控制理論，要求出一個控制律使得它最小化下列損失函數(shù)：J=EJ (8.4.3) 當(dāng)前的研究結(jié)果僅能對特定的控制系統(tǒng)求解，即(8.4.1)，(8.4.2)滿足條件： G1,G2都是線性函數(shù)； I是二次型目標(biāo)函數(shù)； v,都是高斯分布的隨機向量序列。 （2）對自適應(yīng)控制的理解 根據(jù)上述