自適應(yīng)控制課程總結(jié)及試驗(yàn)

1、、課程綜述1. 引言適應(yīng)控制傳統(tǒng)的控制理論中， 當(dāng)對(duì)象是線性定常、 并且完全已知的時(shí)候， 才能進(jìn)行分析和控制器設(shè)計(jì)。無(wú)論是采用頻域方法還是狀態(tài)空間方法對(duì)象一定是已知的。這類(lèi)方法稱(chēng)為基于完全模型的方法。在模型能夠精確的描述實(shí)際對(duì)象時(shí)， 基于完全模型的控制方法可以進(jìn)行各種分析、綜合，并得到可靠、精確和滿(mǎn)意的控制效果。因此，在工程中，要成功設(shè)計(jì)一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，不論是通常的反饋控制系統(tǒng)或是最優(yōu)控制系統(tǒng)，都需要掌握好被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。然而，有一些實(shí)際被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是很難事先通過(guò)機(jī)理建?；螂x線系統(tǒng)辨識(shí)來(lái)確知的，或者它們的數(shù)學(xué)模型的某些參數(shù)或結(jié)構(gòu)是處于變化之中的。對(duì)于這些事先難以確定數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)

2、，通過(guò)事先鑒定好控制器參數(shù)的常規(guī)控制難以應(yīng)付。面對(duì)這些系統(tǒng)特性未知或經(jīng)常處于變化之中而無(wú)法完全事先確定的情況，如何設(shè)計(jì)一個(gè)滿(mǎn)意的控制系統(tǒng)， 使得能主動(dòng)適應(yīng)這些特性未知或變化的情況， 這就是自適應(yīng)控制所要解決的問(wèn)題。2. 自適應(yīng)控制的原理自適應(yīng)控制的定義： (1) 不論外界發(fā)生巨大變化或系統(tǒng)產(chǎn)生不確定性，控制系統(tǒng)能自行調(diào)整參數(shù)或產(chǎn)生控制作用， 使系統(tǒng)仍能按某一性能指標(biāo)運(yùn)行在最佳狀態(tài)的一種控制方法。(2)采用自動(dòng)方法改變或影響控制參數(shù)，以改善控制系統(tǒng)性能的控制。自適應(yīng)控制的基本思想是： 在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中， 系統(tǒng)本身不斷的測(cè)量被控系統(tǒng)的狀態(tài)、性能和參數(shù)，從而“認(rèn)識(shí)”或“掌握”系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行指標(biāo)

3、并與期望的指標(biāo)相比較，進(jìn)而做出決策， 來(lái)改變控制器的結(jié)構(gòu)、 參數(shù)或根據(jù)自適應(yīng)規(guī)律來(lái)改變控制作用， 以保證系統(tǒng)運(yùn)行在某種意義下的最優(yōu)或次優(yōu)狀態(tài)。按這種思想建立起來(lái)的控制系統(tǒng)就稱(chēng)為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制是主動(dòng)去適應(yīng)這些系統(tǒng)或環(huán)境的變化， 而其他控制方法是被動(dòng)地、 以不變應(yīng)萬(wàn)變地靠系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的穩(wěn)定裕度或魯棒性克服或降低這些變化所帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能指標(biāo)的影響。好的自適應(yīng)控制方法能在一定程度上適應(yīng)被控系統(tǒng)的參數(shù)大范圍的變化，使控制系統(tǒng)不僅能穩(wěn)定運(yùn)行，而且保持某種意義下的最優(yōu)或接近最優(yōu)。自適應(yīng)控制也是一種基于模型的方法， 與基于完全模型的控制方法相比， 它所以來(lái)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知

4、識(shí)比較少， 自適應(yīng)控制策略可以在運(yùn)行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型的信息，自動(dòng)地使模型逐漸完善。3. 自適應(yīng)控制的現(xiàn)狀因設(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?cè)鲆婵刂?、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)。(1) 變?cè)鲆婵刂疲航Y(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(guò)能測(cè)量到反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)變量比照對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行的要求 ( 或性能指標(biāo) ), 經(jīng)過(guò)計(jì)算并按規(guī)定的程序來(lái)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(duì)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(lái)的影響以實(shí)現(xiàn)

5、完善的自適應(yīng)控制 ,但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,響應(yīng)迅速 ,所以在許多實(shí)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(wèn)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。(3) 自校正控制系統(tǒng) : 自校正控制系統(tǒng)又稱(chēng)為參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng) , 它源于隨機(jī)調(diào)節(jié)問(wèn)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(chēng)為內(nèi)環(huán) ,它類(lèi)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(chēng)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)辨識(shí)和控制器參數(shù)計(jì)算(或

6、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(lèi)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)。自適應(yīng)控制也在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用：(1)智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)控制(2)工業(yè)過(guò)程控制(3)航天航空、航海和特種汽車(chē)無(wú)人駕駛(4)柔性結(jié)構(gòu)與振動(dòng)和噪聲的控制(5)電力系統(tǒng)的控制 此外，自適應(yīng)控制還在在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和管理和環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行了應(yīng)用。自適應(yīng)控制常常兼有隨機(jī)性、 非線性和時(shí)變等特征，

7、 內(nèi)部機(jī)理也相當(dāng)復(fù)雜， 所以分析這類(lèi)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)。(1)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首要目標(biāo)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)亦如此。(2)收斂性 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的收斂性是指其自適應(yīng)規(guī)律是否收斂于參數(shù)已知時(shí)的最優(yōu)化控制規(guī)律。Anderson 在 80 年代初曾提出，缺乏系統(tǒng)持續(xù)激勵(lì)的自適應(yīng)系統(tǒng)，由于其自適應(yīng)規(guī)律未能一致性收斂，則被控系統(tǒng)的輸出將發(fā)生間歇性“噴發(fā)( bursting) ”現(xiàn)象。因此，自適應(yīng)系統(tǒng)的收斂性問(wèn)題是一個(gè)相當(dāng)重要的問(wèn)題，它將關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。(3)魯棒性粗略地說(shuō)，系統(tǒng)的魯棒

8、性是指系統(tǒng)的某種性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部和環(huán)境變化擾動(dòng)或未建模動(dòng)力學(xué)特性的不敏感性。所討論的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性的不敏感性，則稱(chēng)為魯棒穩(wěn)定性。系統(tǒng)保自適應(yīng)控制系統(tǒng)的魯棒性主要是指：在存在擾動(dòng)和未建模動(dòng)力學(xué)特性的條件下, 持其穩(wěn)定性和性能的能力。自適應(yīng)控制雖然具有很大的優(yōu)越性，可是經(jīng)過(guò)了五十多年的發(fā)展，到目前為止其應(yīng)用仍不夠廣，究其原因，主要是因?yàn)榇嬖谝韵聨追矫娴膯?wèn)題：(1) 自適應(yīng)控制理論上很難得到一般解，給推廣應(yīng)用帶來(lái)了困難(2) 目前的參數(shù)估計(jì)方法都是在理想情況下隨時(shí)間趨于無(wú)窮而逐漸收斂，而實(shí)際工程應(yīng) 用需要在有限時(shí)間內(nèi)快速收斂的參數(shù)估計(jì)方法(3) 有些自適應(yīng)控制器啟動(dòng)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能不能滿(mǎn)足

9、實(shí)際要求(4) 控制精度與參數(shù)估計(jì)的矛盾(5) 低階控制器中存在高頻未建模測(cè)量精度直接影響控制器參數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能4.自適應(yīng)控制未來(lái)的發(fā)展(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(guò)度階段的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題(2) 研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問(wèn)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(chǎng)調(diào)試自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即進(jìn)行有實(shí)際意義的分類(lèi)研究，提出具有一定通用性的 控制模型，同時(shí)對(duì)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(kāi)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)

10、PID控制和智能自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制的發(fā)展與控制理論的進(jìn)展密切相關(guān)，控制理論的許多成果逐步滲透到自適應(yīng)這種經(jīng)濟(jì)、管理等各個(gè)方面?？刂萍夹g(shù)中，自適應(yīng)的基本思想與控制理論的結(jié)合產(chǎn)生了許多新型的自適應(yīng)控制技術(shù)。 自適應(yīng)的思想不僅應(yīng)用于工業(yè)控制中，且廣泛的應(yīng)用于社會(huì)、G(S) (10s 1)(5s 1)(2s 1) d=1，設(shè)定 R(s)=1/s。二、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以下是一個(gè)關(guān)于PID調(diào)節(jié)參數(shù)自整定的實(shí)驗(yàn)，傳遞函數(shù): 實(shí)現(xiàn)繼電式自整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。其中：繼電器幅值1. 實(shí)驗(yàn)步驟 (1)離散化對(duì)象和調(diào)節(jié)器。(2)整定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。連接繼電器，測(cè)量和獲取對(duì)象的臨界增益和臨界周期。根據(jù)對(duì)象的臨界增益和臨界

11、周期，確定PID參數(shù)。(5)根據(jù)調(diào)節(jié)效果，修正 PID參數(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)程序y=zeros(1000,1);d=zeros(1000,1);%差分法使對(duì)象離散A=100/(TA3)+530/(TA2)+152/T+10;B=-100*3/(TA3)-530*2/(TA2)-152/T;C=100*3/(T3)+530/(T2);D=-100/(T3);for k=4:1:1000u(k)=0;%為系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，假定輸入 u=0y(k)=(d(k)-B*y(k-1)-C*y(k-2)-D*y(k-3)/A;er=u(k)-y(k);if er>0%繼電輸出是周期性的對(duì)稱(chēng)方波d(k+1)=1;

12、elsed(k+1)=-1;end end i=1:1:300;plot(i,y(i);Kp=12.74;Ti=7.75;Td=2.015;T=0.1;u=zeros(1,1000);y=zeros(1,1000);e=zeros(1,1000); %控制器離散 a=K p*Ti*Td/TA2+K p*Ti/T+K p;b=-2*K p*Ti*Td/TA2-Kp*Ti/T;%寸象離散c=Kp*Ti*Td/TA2;d=Ti/T;A=100/(TA3)+80/(TA2)+17/T+1;B=-100*3/(TA3)-80*2/(TA2)-17/T;C=100*3/(T3)+80/(T2);D=-10

13、0/(T3);for k=4:1:1000r(k)=1;u(k)=u(k-1)+(a*e(k)+b*e(k-1)+c*e(k-2)/d;y(k)=(u(k)-B*y(k-1)-C*y(k-2)-D*y(k-3)/A;e(k+1)=r(k)-y(k);end i=1:1:1000;plot(i,y(i)；3.圖2 PID參數(shù)整定圖4.程序運(yùn)行結(jié)果分析基于繼電反饋的整定方法，這種整定方法的基本思路是在繼電反饋下觀測(cè)對(duì)象的極限環(huán)震蕩，過(guò)程的基本性質(zhì)可由極限環(huán)的特征確定，然后算出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體方法如下:本次實(shí)驗(yàn)采用 ZIEGLER-NICHOLS 方法(臨界比例度法)： 振蕩周期Tc -臨界周期調(diào)節(jié)器的增益Kc -臨界增益增益Kc的倒數(shù)X 100 :臨界比例度 c(%)ZIEGLER-NICHOLS 公式(4:1 衰減比)調(diào)節(jié)規(guī)律5 (%)TiTdPID1.7 c0.5Tc0.13Tc根據(jù)圖形和Z-N整定公式:Tc=(854-699)*T=155*0.1=15.5Kc=4*d/(3.14*a)=4*1/(3.14*0.1)=12.74PID :5 =1.7*