自適應(yīng)控制論文

1、學(xué)號：1109111013 2013 - 2014學(xué)年 第2學(xué)期 自適應(yīng)控制題 目： 自適應(yīng)控制的應(yīng)用與發(fā)展專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級： 一 班 姓 名： 洪 凱 指導(dǎo)教師： 邢 碩 成 績： 電氣工程學(xué)院自適應(yīng)控制的應(yīng)用與發(fā)展 -自適應(yīng)控制在城市交通管理中的應(yīng)用摘 要 針對本學(xué)期所學(xué)自適應(yīng)控制知識，在上網(wǎng)搜集資料和參考論文的情況下，對自適應(yīng)控制的學(xué)習(xí)做出了總結(jié)。針對當(dāng)前城市交通信號控制的發(fā)展趨勢，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究的進(jìn)展情況，對城市交通自適應(yīng)控制方法進(jìn)行了總結(jié)和學(xué)習(xí)。目前交通控制的發(fā)展已走過了3個(gè)時(shí)代， 在美國第三代控制系統(tǒng)遭受挫折時(shí)， 自適應(yīng)系統(tǒng)卻取得了公認(rèn)的成功， 已在世界上許多城市安裝

2、和使用。主要有英國運(yùn)輸和道路研究所（TRRI）研制的SCOOT系統(tǒng)，以澳大利亞悉尼為背景開發(fā)的交通自適應(yīng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)（SCATS）以及日本的京三系統(tǒng)等。由于與動(dòng)態(tài)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)（DRGS）、先進(jìn)公共交通系統(tǒng)（APTS）結(jié)合上的優(yōu)勢，自適應(yīng)控制被認(rèn)為實(shí)用性最強(qiáng)，是發(fā)展先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)（ATMS）的最佳基礎(chǔ)。 自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)將是未來一個(gè)階段交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。面向中國城市交通情況和TTS功能需求，開發(fā)研究新一代的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制與管理系統(tǒng)，成為了我國城市交通控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。 1. 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制系統(tǒng)在工作的過程中能不斷地檢測系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，根據(jù)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)

3、或控制作用，使系統(tǒng)工作于最優(yōu)工作狀態(tài)或接近于最優(yōu)工作狀態(tài)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)可分為三大類：模型參考型自適控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)、其他類型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。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。與常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)比較，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：控制器可調(diào)，增加了自適應(yīng)回路，適用對象。因設(shè)計(jì)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:變增益控制、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)。1）、變增益控制：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(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)參數(shù)因工作情況和環(huán)境等變化而變化時(shí)，通過能測量到反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)

4、變量，比照對系統(tǒng)的運(yùn)行的要求(或性能指標(biāo))，經(jīng)過計(jì)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)雖然僅僅是對增益的變化進(jìn)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(shí)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(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 這種系統(tǒng)雖然僅僅是對增益的變化進(jìn)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(shí)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(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。當(dāng)然,對于復(fù)雜的被控系統(tǒng)，僅僅進(jìn)行增益的自適應(yīng)是不夠的。因此，研究對更多的參數(shù)的變化以及結(jié)構(gòu)的變化的自適應(yīng)是理論和應(yīng)用發(fā)展

5、的需要。2)、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（MRAC） ：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(gè)環(huán)路所組成。內(nèi)環(huán)由調(diào)節(jié)器與被控系統(tǒng)組成可調(diào)系統(tǒng)，外環(huán)由參考模型與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。MRAC的內(nèi)、外環(huán)的調(diào)整過程同時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，其穩(wěn)定性、穩(wěn)定過程和魯棒性是MRAC的重要研究內(nèi)容。主要的研究工具為Lyapunov穩(wěn)定性理論和Popov超穩(wěn)定性理論。主要針對無隨機(jī)擾動(dòng)的參數(shù)不確定對象系統(tǒng)，對象系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以是連續(xù)時(shí)間型或離散型。3)、自校正控制系統(tǒng)：自校正控制系統(tǒng)又稱為參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)，它源于隨機(jī)調(diào)節(jié)問題，該系統(tǒng)有兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)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

6、似于通常的反饋控制系統(tǒng)；另一個(gè)環(huán)路由遞推參數(shù)估計(jì)器與調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)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(jìn)行系統(tǒng)識和控制器參數(shù)計(jì)算(或設(shè)計(jì))的環(huán)節(jié)這一顯著特征。自校正控制的思想是將在線參數(shù)估計(jì)與調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合在一起。自適應(yīng)控制常常兼有隨機(jī)性、非線性和時(shí)變等特征,內(nèi)部機(jī)理也相當(dāng)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(yuǎn)。4）、其他自適應(yīng)控制：是在基于以上三種控制方式發(fā)展而來的。包括混合自適應(yīng)控制、對象具有未建模動(dòng)態(tài)時(shí)的混合自適應(yīng)控制、非線性控制的對象的自適應(yīng)控制、模糊自適

7、應(yīng)控制等。該類控制在城市交通管理當(dāng)中也得到了廣泛應(yīng)用，在本文中我們將陸續(xù)進(jìn)行介紹。2. 自適應(yīng)控制的應(yīng)用城市交通系統(tǒng)，通常具有很強(qiáng)的非線性、模糊性和不確定性。城市交通信號控制自 1868 年英國倫敦首次使用燃汽式信號燈以來， 已經(jīng)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和其它信息技術(shù)的發(fā)展，交通控制技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展，經(jīng)歷了從單點(diǎn)控制到線控、再到面控，從定時(shí)控制到感應(yīng)控制、再到自適應(yīng)控制，從無檢測器到有檢測器的發(fā)展過程。從控制原理上來分，交通控制可以分為定時(shí)控制、感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制?？梢哉f，自適應(yīng)控制方式是較其它兩種更為先進(jìn)的控制方式。城市交通自適應(yīng)控制是當(dāng)前交通控制一個(gè)熱點(diǎn)，因?yàn)?，自適應(yīng)控

8、制是把交通系統(tǒng)作為一個(gè)不確定系統(tǒng)，通過檢測器獲得交通信息(如車流量、速度等)，根據(jù)當(dāng)前的交通狀況，建立交通模型，實(shí)時(shí)調(diào)整信號控制參數(shù)，使得研究領(lǐng)域內(nèi)的某一指標(biāo)最小。即逐漸了解和掌握對象，把它們與希望的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較，利用差值得到相應(yīng)的控制參數(shù)，從而保證不論交通環(huán)境如何變化，都可使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)。2.1隨機(jī)混合自適應(yīng)控制在交通信號控制中的應(yīng)用針對中國中小城市道路交通的特點(diǎn)及交通控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來發(fā)展的需要，文獻(xiàn)8將隨機(jī)混合自適應(yīng)控制應(yīng)用于城市交通信號控制系統(tǒng)。改變傳統(tǒng)的城市交通控制系統(tǒng)，減少車輛的等待時(shí)間，改善交叉口通行能力，為優(yōu)化城市交通控制提供一種參考方法。在設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器時(shí)采

9、用了離散與連續(xù)相結(jié)合的方法，建立混合自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)始終保持連續(xù)時(shí)間狀態(tài)，但控制參數(shù)的估計(jì)和調(diào)整是離散的。從適應(yīng)對象而言，混合自適應(yīng)控制有確定型的和隨機(jī)型的，由于城市交通的不確定性，采用隨機(jī)混合自適應(yīng)控制系統(tǒng)對城市交通信號系統(tǒng)進(jìn)行控制。這樣即滿足了交通控制的連續(xù)行，又滿足了數(shù)字計(jì)算技術(shù)的離散性，使系統(tǒng)滿足了調(diào)整快速性和抗干擾性。對象模型為：控制目標(biāo)：設(shè)計(jì)一種隨機(jī)混合自適應(yīng)控制器用于交通控制系統(tǒng)，使所有信號控制時(shí)間有界，且系統(tǒng)輸出y（t）很好地跟蹤參考輸入信號y*（t） 。目標(biāo)函數(shù)：控制器結(jié)構(gòu)為：連續(xù)時(shí)間隨機(jī)對象連續(xù)時(shí)間可調(diào)控制器離散時(shí)間自適應(yīng)機(jī)構(gòu)u(t)y(t)參考輸入信號圖4 混合自適

10、應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制的目的，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制策略遵循全局最優(yōu)的原則。通過大量的對隨機(jī)車輛數(shù)進(jìn)行采樣，根據(jù)所獲得信息量離散的對可調(diào)時(shí)間控制器進(jìn)行校正，從而對交通信號進(jìn)行控制，以達(dá)到全局優(yōu)化調(diào)度的日的。該系統(tǒng)與以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的城市交通控制系統(tǒng)相比，可以有效地解決我國中小城市交通控制中存在的問題，有著良好的應(yīng)用前景。2.2在工業(yè)領(lǐng)域中的典型應(yīng)用 （1）智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)控制 自適應(yīng)控制在智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)中應(yīng)用較多的有以下幾個(gè)領(lǐng)域：機(jī)器人、不間斷電源、電機(jī)或液壓伺服系統(tǒng)等的控制。 （2）工業(yè)過程控制 工業(yè)過程自20世紀(jì)30年代后期以來已越來越依靠自動(dòng)化裝置

11、，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(jī)械加工過程等應(yīng)用領(lǐng)域。 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院曹榮敏將基于緊格式線性化的單入單出非線性離散時(shí)間系統(tǒng)的無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制方法應(yīng)用于帶有時(shí)滯的pH值中和反應(yīng)過程控制中，其性能好于傳統(tǒng)的PID控制。大連理工大學(xué)張志軍將兩個(gè)多層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別用于化工過程系統(tǒng)辨識和控制，通過在線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使模的精度提高，進(jìn)而使控制性能大大提高，克服了模型不匹配和時(shí)變的影響。 山東大學(xué)隋青美等運(yùn)用非線性系統(tǒng)的線性化方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識

12、技術(shù)，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多變量自適應(yīng)控制策略。當(dāng)過程模型缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)知識時(shí)，該方法對多變量非線性連續(xù)發(fā)酵過程取得了良好的控制性能。卷煙工藝烘絲過程中煙絲含水率的變化具有較強(qiáng)的非線性、不確定性和大滯后特性，同時(shí)存在干擾和噪聲。東華大學(xué)任正云采用無模型自適應(yīng)控制器結(jié)合漸進(jìn)辨識方法對烘絲過程的煙絲含水率控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，降低了干頭干尾的數(shù)量，提高了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量。 （3）航天航空、航海和特種汽車無人駕駛 隨著飛機(jī)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(xué)的Slater G.L.利用自適應(yīng)方法大大改善了飛機(jī)在起飛階段的爬升性能預(yù)測，這有利于飛機(jī)在爬

13、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。 （4）柔性結(jié)構(gòu)與振動(dòng)和噪聲的控制 密西根科技大學(xué)的Schultze John F.等對一種類似機(jī)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(shí)變系統(tǒng)，該控制器的頻帶較寬，且具有很好的解耦性能。 （5）電力系統(tǒng)的控制 電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的高維數(shù)、強(qiáng)非線性的的復(fù)雜系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型中包含了眾多不確定參數(shù)和難以建模的動(dòng)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

14、輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)化控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)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。 此外，自適應(yīng)理論還可以應(yīng)用于功率調(diào)制器、繼電保護(hù)等設(shè)備的設(shè)計(jì)與控制。華北電力大學(xué)朱永利和宋少群設(shè)計(jì)了基于廣域網(wǎng)和多智能體的自適應(yīng)協(xié)調(diào)保護(hù)系統(tǒng)，利用廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)廣域信息的實(shí)時(shí)交換，基于多Agent系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作之間的協(xié)調(diào)。 3.自適應(yīng)控制的發(fā)展自適應(yīng)控制研究領(lǐng)域在今后一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)展還需要從理論研究和工程實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面繼續(xù)努力，具體歸納為以下5個(gè)方面： （1）在保證自適應(yīng)控制精度的前提下，研究快速收斂的估計(jì)算法，探索工程實(shí)用方法以快速確定參數(shù)估計(jì)的初值與計(jì)算范圍，解決啟動(dòng)與過度階段的動(dòng)態(tài)性能問

15、題； （2）研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問題； （3）今后階段應(yīng)發(fā)展快速高效的全系數(shù)自適應(yīng)控制方法，減少甚至取消現(xiàn)場調(diào)試； （4）自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即進(jìn)行有實(shí)際意義的分類研究，提出具有一定通用性的控制模型，同時(shí)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成進(jìn)行規(guī)范化，從而增加系統(tǒng)的開放性與可移植性； （5）研究組合自適應(yīng)控制策略，主要有自適應(yīng)PID控制和智能自適應(yīng)控制。4. 總結(jié)通過以上論文的研究工作，可以得出城市交通信號控制的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，可以從以下三個(gè)方面入手：將城市路網(wǎng)劃分成若干個(gè)合理的信號控制子區(qū)；對城市路網(wǎng)中孤立的信號控制路口采用單點(diǎn)自適應(yīng)信號控制；以及對信號控制子區(qū)內(nèi)的路口采用區(qū)域協(xié)調(diào)信號控制。另外，將智能控制引入自適應(yīng)控制中，不僅擴(kuò)展了自適應(yīng)控制的范圍，也為智能控制的實(shí)用化提供了一條有效的途徑。目前智能自適應(yīng)控制技術(shù)的主要種類有模糊自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、遺傳自適