自適應控制論文綜述

1、自適應控制系統(tǒng)綜述摘要：本文首先介紹了自動控制的基本理論及其發(fā)展階段，然后提出自適應控制系統(tǒng)，詳細介紹了自適應控制系統(tǒng)的特點。最后描述的是自適應控在神經(jīng)網(wǎng)絡的應用和存在的問題。關(guān)鍵字：自適應控制 神經(jīng)網(wǎng)絡一、 引言1.1控制系統(tǒng)的定義自動控制原理是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器，設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。在不同的控制系統(tǒng)中，可能具有各種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、被控對象，并且其復雜程度和環(huán)境條件也會各不相同，但他們都具有同樣的控制目地：都是為了使系統(tǒng)的狀態(tài)或者運動軌跡符合某一個預定的功能性能要求。其中，被控對象的運動狀態(tài)或者運動軌跡稱為被控過程

2、。被控過程不僅與被控系統(tǒng)本身有關(guān)，還與對象所處的環(huán)境有關(guān)。控制理論中將控制系統(tǒng)定義為由被控系統(tǒng)及其控制器組成的整體成為控制系統(tǒng)。1.2控制理論的發(fā)展階段控制理論發(fā)展主要分為三個階段： 一：20世紀40年代末-50年代的經(jīng)典控制理論時期，著重解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問題，主要數(shù)學工具是微分方程、拉氏變換、傳遞函數(shù)；主要方法是時域法、頻域法、根軌跡法；主要問題是系統(tǒng)的穩(wěn)、準、快。 二：20世紀60年代的現(xiàn)代控制理論時期，著重解決多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題，主要數(shù)學工具是以此為峰方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法主要方法是變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃理論；重點是最優(yōu)控制、隨即控制、自適應控制；核心控制裝置

3、是電子計算機。 三：20世紀70年代之后的先進控制理時期，先進控制理論是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和延伸。先進控制理論內(nèi)容豐富、涵蓋面最廣，包括自適應控制、魯棒控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。二、 自適應控制系統(tǒng)2.1自適應控制的簡介在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對象或過程的數(shù)學模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實際上在許多工程中，被控對象或過程的數(shù)學模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學模型，在工況和條件改變了以后，其動態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。在發(fā)生這些問題時，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設計一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動地補償在模型階次、

4、參數(shù)和輸入信號方面非預知的變化，這就是自適應控制。自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象的數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設計者事先并不一定能準確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產(chǎn)生的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設計適當?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指標達到并保

5、持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應控制所要研究解決的問題。自適應控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學模型的控制方法，所不同的只是自適應控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識模型參數(shù)，這個過程稱為系統(tǒng)的在線辯識。隨著生產(chǎn)過程的不斷進行，通過在線辯識，模型會變得越來越準確，越來越接近于實際。既然模型在不斷的改進，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進。在這個意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應能力。比如說，當系統(tǒng)在設計階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系

6、統(tǒng)在剛開始投入運行時可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時間的運行，通過在線辯識和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應，最終將自身調(diào)整到一個滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對象，其特性可能在運行過程中要發(fā)生較大的變化，但通過在線辯識和改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動的變化幅度很大時，系統(tǒng)的性能常常會大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。所以對那些對象特性或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經(jīng)常保持高性能指標的一類系統(tǒng)，采取自適應控制是合適的。但是同時也應當指出，自適應控制比常規(guī)反饋控

7、制要復雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī)反饋達不到所期望的性能時，才會考慮采用。2.2自適應控制的特征一個自適應控制系統(tǒng)必然具有三個基本特征：(a)過程信息的在線積累 在線積累過程信息的目的，是為了降低受控系統(tǒng)原有的不定性。為此可用系統(tǒng)辨識的方法在線辨識受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過程信息；也可通過量測能反映過程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過程信息。在系統(tǒng)辨識中，結(jié)構(gòu)辨識比參數(shù)估計困難得多。(b) 可調(diào)控制器 可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號可以根據(jù)性能指標要求進行自動調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就無法對過程實現(xiàn)有效的控制。(c) 性能指標的控制 性能指標的控制

8、可分為開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。若與過程動態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān)系又可根據(jù)物理學的知識和經(jīng)驗導出，這時就可通過此輔助變量直接調(diào)整可調(diào)控制器，以期達到預定的性能指標。這就是性能指標的開環(huán)控制，它的特點是沒有根據(jù)系統(tǒng)實際達到的性能指標再作進一步的調(diào)整。與開環(huán)控制方式不同，在性能指標的閉環(huán)控制中，還要獲取實際性能與預定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實際性能達到或接近預定性能為止。如何提高控制系統(tǒng)的自適應速度，如何優(yōu)化自適應控制的過程以及如何既能保證性能而又簡化算法是自適應控制的一個重要問題。在其算法的研究中主要是控制策略的參數(shù)化問題；

9、它通常研究的問題是如下三個方面：如何使控制結(jié)構(gòu)盡可能的簡單；怎樣減少對系統(tǒng)所要求的先驗知識以及盡可能的使系統(tǒng)所要求的先驗知識有其物理意義；如何減少要辨識的參數(shù)的個數(shù)。從參數(shù)估計的角度，自適應控制分為間接自適應控制和直接自適應控制。在間接自適應控制系統(tǒng)中，控制對象的參數(shù)被實時估計，并通過解Diophantine方程計算出控制器的參數(shù)應用于下一時刻的控制規(guī)律中。直接自適應控制的核心思想是將估計模型按控制器的參數(shù)重新參數(shù)化，它不需要解Diophantine方程而直接在線估計控制器參數(shù)以及其它附加參數(shù)。相比較而言，間接自適應控制雖然估計參數(shù)較少，但是需要在線解Diophantine方程；而直接自適應控

10、制器的計算相對簡單，可以提供更快的自適應調(diào)節(jié)。因此更加適合實時地控制對象。由于本課題的被控對象傳遞函數(shù)的特點，重新參數(shù)化比較簡單。所以擬定選用直接自適應控制方法設計給予確定性等價準則的傳統(tǒng)自適應極點配置控制器，并在此基礎上設計謹慎和雙重特性的修正三、自適應控制的應用及存在的問題3.1自適應控制在神經(jīng)網(wǎng)絡的應用在現(xiàn)實生活中，任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性表現(xiàn)在被控過程或?qū)ο蟮奶匦詴r刻發(fā)生變化，變化規(guī)律難以掌握，同時還有各種各樣的隨機干擾作用在系統(tǒng)上，這些影響通常是不可預測的。如何設計適當?shù)目刂谱饔?，通過輸入、輸出信息，實時的掌握被控對象和系統(tǒng)誤差的動態(tài)特性，并根據(jù)其變化情

11、況及時掌握調(diào)節(jié)控制量，使系統(tǒng)性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應控制所要研究解決的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是人們在模仿人腦處理問題的過程中發(fā)展起來的一種新型智能信息處理理論，它通過大量神經(jīng)元的簡單處理單元構(gòu)成非線性動力學系統(tǒng)，對人腦的形象思維、聯(lián)想記憶等進行模擬和抽象，實現(xiàn)與人腦相似的學習、識別、記憶等信息處理能力，其特點包括具有很強的自學習性、自組織性、容錯性、高度非線性、高度魯棒性、聯(lián)想記憶功能推理意識功能等。自適應控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個非線性隨機控制系統(tǒng)，很難為其找到合適的數(shù)學模型，傳統(tǒng)的方法難以對其進行控制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡已被證明具有很強適應能力和逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)的能力，它

12、在解決高度非線性和嚴重不確定系統(tǒng)的控制方面顯示出它強大的優(yōu)越性，神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制是基于自適應的基本原理，利用神經(jīng)網(wǎng)絡的特點和理論設計而成的，發(fā)揮了自適應與神經(jīng)網(wǎng)絡的各自長處，為非線性控制的研究提供了一種新方法。它與自適應控制的完美結(jié)合，使控制領(lǐng)域的發(fā)展邁向了一個新的臺階。 神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制從本質(zhì)上講，實際上是基于神經(jīng)網(wǎng)絡理論的自校正控制或模型參考自適應控制。自校正控制根據(jù)對系統(tǒng)正向和(或)逆模型辨識結(jié)果，直接按自適應規(guī)律調(diào)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使系統(tǒng)滿足既定的性能指標。而在模型參考自適應控制中，閉環(huán)控制系統(tǒng)的期望性能則有一個穩(wěn)定而優(yōu)良的參考模型來描述，其控制目標是使被控對象的輸出響應 y(t)

13、一致漸近地趨于參考模型的輸出響應 dy(t)，即神經(jīng)網(wǎng)絡用于自適應控制主要有兩種方式：一種是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的逼近能力，描述被控對象的數(shù)學模型；二是充當控制器，其控制作用的調(diào)整依賴于網(wǎng)絡權(quán)系數(shù)的改變，通過網(wǎng)絡訓練，完成將信號從網(wǎng)絡輸入端到輸出端的映射，為被控對象提供適當?shù)目刂屏俊Ｉ窠?jīng)網(wǎng)絡自適應控制與一般自適應方法的區(qū)別在于：（1）在模型參考控制中，參考模型由神經(jīng)網(wǎng)絡代替。與常規(guī)自適應控制比較自適應控制理論的目標是設計一個靈活的控制器，它能夠考慮未知參數(shù)的變化，自動調(diào)節(jié)控制器的增益。而常規(guī)的自適應控制器為了獲得良好的控制效果，需要在系統(tǒng)中加入白噪聲信號，辨識過程往往會出現(xiàn)飽和麻痹現(xiàn)象，影響辨識效

14、果和跟蹤速度。利用了神經(jīng)網(wǎng)絡則可解決這一問題。因為神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習、受訓練的特點，它可以正確地提取受控對象的模型參數(shù)，并具有較強的抗干擾能力和容錯能力，提高控制器的性能。3.2神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制存在的問題1.穩(wěn)定性問題 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)設計的基本準則，但是神經(jīng)自適應控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析難度極大。這是因為要處理的非線性對象的模型一般是具有嚴重非線性和不確定性的復雜系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡本身又是一個大規(guī)模非線性系統(tǒng)，由它們按一定方式組織起來的神經(jīng)控制系統(tǒng)具有更為復雜的動力學特性。目前已有的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制研究的主要問題是：基于lyapunov 函數(shù)來證明神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制系統(tǒng)的穩(wěn)

15、定性的方法，已經(jīng)被應用于一些簡單的非線性系統(tǒng)，即仿射非線性系統(tǒng)之中，但是，在工程中遇到的非線性系統(tǒng)大多是非仿射的。 2.魯棒性問題 在自適應控制系統(tǒng)的設計中，根據(jù)魯棒性要求所設計的系統(tǒng)比單純按收斂性和穩(wěn)定性指標所設計的系統(tǒng)具有更好的控制效果。目前，對于非線性控制系統(tǒng)的魯棒性已有許多研究結(jié)果，一般是針對一類仿射非線性系統(tǒng)進行的，對于系統(tǒng)的條件限制較嚴，目前的研究成果很難應用于實際的非線性控制系統(tǒng)中去，故其魯棒性研究具有重要的理論和應用意義。 3.控制的實時性問題 神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制是采用先離線辨識，再在線控制的方式，這樣比在線建模方式控制效果好，但實時性較差。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡的學習速度一般都比較慢，為滿足實時控制需要，必須研究快速的學習算法，使其能同時保證實時性與控制效果,這仍是一個難題。 三、 總結(jié)自適應控制已經(jīng)提出半個多世紀了，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用，本文提到的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制系統(tǒng)，就是其中的一個應用。參考文獻1 袁震東. 自適應控制的存在問題與發(fā)