航天自適應(yīng)控制

航天自適應(yīng)控制能保持高性能指標(biāo)的控制理論與技術(shù)01發(fā)展概況特點(diǎn)系統(tǒng)定義組成主要特征功能系統(tǒng)類型目錄030502040607常用的控制器存在的問題應(yīng)用發(fā)展方向目錄0908010基本信息航天自適應(yīng)控制是一種能保持高性能指標(biāo)的控制理論與技術(shù)。它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，這就是自適應(yīng)控制。而自適應(yīng)控制器的特點(diǎn)就是它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性變化。發(fā)展概況發(fā)展概況自適應(yīng)控制系統(tǒng)首先由Draper和Li在1951年提出，他們介紹了一種能使性能特性不確定的內(nèi)燃機(jī)達(dá)到最優(yōu)性能的控制系統(tǒng)。而自適應(yīng)這一專門名詞是1954年由Tsien在《工程控制論》一書中提出的，其后，1955年Benner和Drenick也提出一個(gè)控制系統(tǒng)具有“自適應(yīng)”的概念。自適應(yīng)控制發(fā)展的重要標(biāo)志是在1958午Whitaker“及共同事設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用參考模型期望特性和實(shí)際飛行特性之間的偏差去修改控制器的參數(shù)，使飛行達(dá)到最理想的特性，這種系統(tǒng)稱為模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(MRAC系統(tǒng))。此后，此類系統(tǒng)因英國(guó)皇家軍事科學(xué)院的Parks利用李稚普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定性理論和法國(guó)Landau利用Popov的超穩(wěn)定性理論等設(shè)計(jì)方法而得到很大的發(fā)展，使之成為—種最基本的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。1974年，為了避免出現(xiàn)輸出量的微分信號(hào)，美國(guó)的Monopli提出了一種增廣誤差信號(hào)法，因而使輸入輸出信號(hào)設(shè)汁的自適應(yīng)控制系統(tǒng)更加可靠地應(yīng)用與實(shí)際工程中。1960年Li和WanDerVelde提出的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，他的控制回路中用一個(gè)極限環(huán)使參數(shù)不確定性得到自動(dòng)補(bǔ)償，這樣的系統(tǒng)成為自振蕩的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。Petrov等人在1963年介紹了一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，它的控制數(shù)如有一個(gè)開關(guān)函數(shù)或繼電器產(chǎn)生，并以與參數(shù)值有關(guān)的系統(tǒng)軌線不變性原理為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。組成組成航天自適應(yīng)系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、自適應(yīng)器及反饋控制回路和自適應(yīng)回路組成。

特點(diǎn)特點(diǎn)自身特點(diǎn)自適應(yīng)控制必須首先要在工作過程中不斷地在線辨識(shí)系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)及參數(shù)）或性能，作為形成及修正最優(yōu)控制的依據(jù)，這就是所謂的自適應(yīng)能力，它是自適應(yīng)控制主要特點(diǎn)。就是說它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性變化。自適應(yīng)控制特點(diǎn)與常規(guī)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)：(1)控制器可調(diào)相對(duì)于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動(dòng)的；(2)增加了自適應(yīng)回路自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，自動(dòng)調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化；主要特征功能主要特征功能（1）過程信息的在線積累在線積累過程信息的目的i，是為了降低對(duì)被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值的原有的不確定性。為此，可用系統(tǒng)辨識(shí)的方法在線辨識(shí)被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過程信息；也可通過測(cè)量能反映過程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過程信息。（2）可調(diào)控制器可調(diào)控制器是指它的結(jié)果、參數(shù)或信號(hào)可以根據(jù)性能指標(biāo)要求和被控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的不定性決定的，否則就無法對(duì)過程實(shí)現(xiàn)有效的控制。（3）性能指標(biāo)的控制性能指標(biāo)可分為開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。自適應(yīng)控制主要經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：1）模型參考自適應(yīng)方法2）自校正控制方法3）自適應(yīng)系統(tǒng)的收斂性分析4）自適應(yīng)控制的魯棒性分析及魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義自適應(yīng)控制系統(tǒng)尚沒有公認(rèn)的統(tǒng)一定義，一些學(xué)者針對(duì)比較具體的系統(tǒng)構(gòu)成方式提出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義。有些定義得到了自適應(yīng)控制研究領(lǐng)域廣大學(xué)者的認(rèn)同。下面介紹兩個(gè)影響比較廣泛的定義。定義1（Gibson，1962年）一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)提供被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)的連續(xù)信息，即辨識(shí)對(duì)象；將當(dāng)前系統(tǒng)性能與期望性能或某種最優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上做出決策，對(duì)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使得系統(tǒng)趨向期望性能或趨于最優(yōu)化狀態(tài)。定義2（Landau，1974年）一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)利用可調(diào)系統(tǒng)的各種輸入-輸出信息來度量某個(gè)性能指標(biāo)，然后將測(cè)量得出的性能指標(biāo)與期望指標(biāo)進(jìn)行比較，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來修正控制器的參數(shù)或產(chǎn)生一個(gè)輔助信號(hào)，以使系統(tǒng)接近規(guī)定的性能指標(biāo)并保持。定義1和定義2實(shí)際上規(guī)定了兩類最重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)：自校正系統(tǒng)和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它們的區(qū)別在于：定義1所規(guī)定的系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，定義2所規(guī)定的系統(tǒng)不需要進(jìn)行顯示的辨識(shí)；定義1要求自適應(yīng)系統(tǒng)按照某種最優(yōu)指標(biāo)做出決策，定義2不要求進(jìn)行顯式的決策，而將其隱含在某種已知的（通過參考模型表示）性能指標(biāo)之中。不過兩者的基本思想都是一致的。系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型自從50年代末由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出第一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來，先后出現(xiàn)過許多不同形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。比較成熟的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有下述幾大類。(1)可變?cè)鲆孀赃m應(yīng)控制系統(tǒng)這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，在許多方面都有應(yīng)用。調(diào)節(jié)器按被控過程的參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是當(dāng)被控對(duì)象（或控制過程）的參數(shù)因工作狀態(tài)或環(huán)境情況的變化而變化時(shí)，通過能夠測(cè)量到的某些變量，經(jīng)過計(jì)算而按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益，以使系統(tǒng)保持較好的運(yùn)行性能。另外在某些具有非線性校正裝置和變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)器本身對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不靈敏。采用此種自適應(yīng)控制方案往往能去的較滿意的效果。(2)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（ModelReferenceAdaptiveSystem，簡(jiǎn)稱MRAS）模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對(duì)象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分組成設(shè)計(jì)這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的核心問題是如何綜合自適應(yīng)調(diào)整律，即自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所應(yīng)遵循的算法。關(guān)于自適應(yīng)調(diào)整律的設(shè)計(jì)目前存在兩類不同的方法。其中一種稱為局部參數(shù)最優(yōu)化地方法，即利用梯度或其他參數(shù)優(yōu)化的第推算法，求得一組控制器的參數(shù)，使得某個(gè)預(yù)定的性能指標(biāo)，如J=∫e2(t)dt，達(dá)到最小。最早的MIT自適應(yīng)律就是利用這種方法求得的。這種方法的缺點(diǎn)是不能保證參數(shù)調(diào)整過程中，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。常用的控制器常用的控制器航天器智能自適應(yīng)控制是航天器智能自主控制的一個(gè)重要組成部分。

控制器是自適應(yīng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)既定控制策略和保障控制性能的重要環(huán)節(jié)。以下介紹幾種控制器基于線性理論下的控制方法。一般的線性控制器一般的控制器可描述為:PID控制器PID控制器是一種具有固定結(jié)構(gòu)形式的線性控制器傳遞函數(shù)：對(duì)消控制器控制器傳遞函數(shù)為：非周期控制器應(yīng)用應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的自校正控制戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在整個(gè)飛行過程中，由于飛行速度和高度的變化，使彈體參數(shù)劇烈變化，嚴(yán)重地影響了控制性能。當(dāng)用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀時(shí)，一般采用舵回路、阻尼回路和加速度回路來減弱參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，但用這種方法不能完全消除參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)彈的控制性能，有必要采用自適應(yīng)控制。自校正控制是自適應(yīng)控制的一種，它適用于結(jié)構(gòu)已知，但參數(shù)未知而恒定或參數(shù)緩慢變化的系統(tǒng)。采用自校正控制需要辨識(shí)被控系統(tǒng)的參數(shù)，并自動(dòng)校正控制作用，達(dá)到預(yù)期的控制效果。用自校正控制技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀，能夠使被控系統(tǒng)適應(yīng)參數(shù)變化，保持較好的性能?？臻g環(huán)境模擬器自適應(yīng)控制隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航天器零部件的可靠性要求越來越高。為了確保航天器在太空可靠遠(yuǎn)行，航天器零部件必須在地面進(jìn)行真空冷熱浸試驗(yàn)、真空交變?cè)囼?yàn)等各種空間環(huán)境模擬試驗(yàn)?？臻g環(huán)境模擬器就是提供這種條件的一套試驗(yàn)設(shè)備。由于控制過程的復(fù)雜性和不能對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行事先測(cè)定以及在控制過程中希望不要人工干預(yù)等，用PID調(diào)節(jié)器，每做一次環(huán)境模擬試驗(yàn)，都要調(diào)試Kp、Ki、Kd等參數(shù)，非常麻煩，且保證不了過渡過程中超調(diào)調(diào)小于2℃的要求。用一般最佳控制，其狀態(tài)方程的參數(shù)無法確定。存在的問題存在的問題①適應(yīng)控制理論上很難得到一般解，給推廣應(yīng)用帶來了困難；其通用性和開放性嚴(yán)重不足②目前的參數(shù)估計(jì)方法都是在理想情況下隨時(shí)間趨于無窮而漸近收斂，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)過程或過渡過程的動(dòng)態(tài)性能不滿足實(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；⑥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。發(fā)展方向發(fā)展方向總述①在保證自適應(yīng)控制精度的前提下，研究快速收斂的參數(shù)估計(jì)算法；②研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問題；③解決自適應(yīng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)階段和過渡過程的參數(shù)收斂和動(dòng)態(tài)性能問題；④自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即提高其通用性和開放性；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)控制航天自適應(yīng)控制未來發(fā)展的方向：結(jié)合神經(jīng)絡(luò)、模糊控制、知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)