自适应控制(1)

在此期间，出现其它一些自适应控制系统： • 1960年：Li和Van Der提出自振荡自适应 控制系统 • 1960－1961年：Bellman和Fel’dbaum分 别在美国和苏联提出对偶控制 • 1963年：Petrov等人提出变结构系统
• 1973年 ：瑞典学者K.J. Åströ m和B. Wittenmark 首先提出自校正调节器(STR) • 1976年 ：英国学者D.W.Clarker和Gawthrop提 出广义最小方差自校正控制器 • 1979 年： P.E.Wellstead 和 K.J. Åströ m 提出极点 配置自校正调节器和伺服系统的设计方案 此 外 ， 美 国 的 Narendra, Morse ， 澳 大 利 亚 的 Goodwin 以及我国学者陈翰馥在自适应控制的 稳定性、收敛性和设计方法上也做了大量研究 工作
自适应控制设计方法
根据系统辨识参数的方式分为两种设计过程 ： • 间接法，又称显式法 ：首先进行系统参数辨识， 然后利用所辨识的参数以及有关性能指标进行 控制器设计 • 直接法,又称隐式法 ：将控制器参数作为系统 的未知数，建立一个与控制器参数直接有关的 估计模型，并通过系统辨识的方法进行求解。 实际应用中，采用以上两种方法所设计的自适应 控制器常常习惯地称为自校正控制器，或简称 自校正器。
自适应控制
(修订版)
丛 爽
中国科学技术大学 2010年9月
前 言
• 1996年国际自动化领域最权威杂志 《AUTOMATICA》 统计32年来所刊登稿件： 第一位Axelby ，45篇 第四位Åströ m ，25篇 第六位R. Isermann ，21篇 • 使用频率100次以上关键词统计中，“自适应 控制（Adaptive Control） ”名列第一，共出现 305次。
• 确定性线性系统控制器设计结构图
性能指标 控制器 设计 yr + y
-
控制器
被控过程
自适应控制系统结构图
性能指标
控制器 设计
系统参数 辨识 y
yr
+
-
控制器
被控过程
模型参考自适应控制系统方框图
参考模型 控制器设计 + 控制器 被控过程 e +
-
-
本课程教材
• 自编教材：自适应控制，丛爽编 • 校东区印刷厂购买
本课程特点
• 是一门控制器的设计的课程
• 公式较多
• 有推导，关键是弄懂设计思想；掌握推 导结果；了解控制器的适用范围；会应 用结果
六、自适应控制技术应用领域
• • • • • • • • • 飞行器控制 深空探测器控制 动力系统舰船驾驶 卫星跟踪系统 冶金过程控制 化工过程控制 生物工程 武器系统 经济管理、交通、通信等
1.2 自适应控制系统的设计方法
自适应算法，必须具有两个性质 ：
• 当输出与设定值之间出现有界偏差，能使被控 系统稳定 • 算法最后应能给出期望的控制效果


LQG线性高斯控制：其性能指标为
J 3 E xT Qx uT Qu


二、基于常规控制策略的 自校正器
• 极点配置法 ：不采用性能指标形式设计控制器， 使实际闭环系统的（零）极点收敛于期望传递 函数的（零）极点
• PID控制器：常规PID控制器作用下如何消除干 扰和扰动
三、模型参考自适应控制
• 系统本身变化引起参数值变化
总之，任何被控系统都存在不定性，仅强弱程 度不同
二、 现代过程控制所面临的难题
• • • • • 过程参数的未知性、时变性和随机性 过程时滞或时延的未知性和时变性 过程的非线性和分布性 过程干扰的随机性 过程的非最小相位特性
三、 自适应控制系统应具有的能力
• 有适应工作条件变化和系统要求的能力 • 有学习的能力 • 在变化的工作条件中能产生所需的控制 策略 • 在控制器参数失效时，有自行恢复其功 能的能力 • 具有良好的鲁棒性，即对系统的参数变 化、建模误差以及不确定干扰不敏感
前一性质叫做稳定性，后一性质叫做收敛性
系统稳定性和收敛性分析 有三个假设：
• 被控系统是线性的，结构是已知的 • 扰动是有界的
• 扰动是具有有理谱密度的平稳过程
自适应控制系统设计步骤
• 系统的参数变辨识
• 根据辨识的系统参数和某一性能指标进 行控制器的设计
• 自校正、自适应过程
• 辨识：通过实验方法确定过程的动力学 特性 • 在线辨识：利用计算机同时完成对系统 的操作与控制 • 批处理 ：将所有测量信号存储起来离线 辨识 • 实时处理 ：对每一采样信号立刻进行辨 识与控制器参数的计算处理
• 自动控制专业学生大学阶段必须掌握理论 ：
经典控制理论和现代控制理论
• 大学阶段的主要专业课：两门 1）自动控制原理 基于系统模型：传递函数： 输出变量的拉氏变换/输入变量的拉氏变换 （基础被控系统的动力学模型：微分方程） 要求（适用范围）：单变量 根据系统期望的性能指标：频域或时域 系统稳定性：特征根具有负实部； 奈奎斯特稳定性判据；劳斯判据；根轨迹法；尼柯尔 斯曲线 控制器设计：超前、滞后补偿：PID 研究的系统（理想情况）：线性、定常、时不变
自校正器的一般结构
控制器 Fra Baidu bibliotek计 + 系统参数 辨识
-
控制器
被控过程
自适应控制内容
一、基于优化控制策略的自校正控制器
自校正控制技术性能指标
• 最小方差控制 标形式为
：以误差的二次型目标函数作为性能指标 ，性能指
J1 E e 2

• 广义最小方差调节 :性能指标形式为
J 2 E e2 ru2
五、自适应控制系统发展概况
• 1954年：Tsien在《工程控制论》中提出自适应 这一专门名词 • 1955年：Benner和Drenick提出控制系统具有 “自适应”概念 • 20世纪50年代末 ：Whitaker提出飞机自动驾驶 仪的模型参考自适应控制方案（MIT方案 ） • 1963年 ：罗马尼亚学者 V.M.Popov提出超稳定 性理论 ，法国学者 I.D.Landau把该理论应用于 模型参考自适应控制 • 1966年 ：德国学者 P.C.Parks提出用Lyapunov 第二法推导自适应算法的自适应系统设计方法
第一章 概 述
1.1 自适应控制的提出 • 控制被控过程，即设法使该被控过程控 制特性达到期望性能指标 • 经典控制理论和现代控制理论以过程动 态特性事先已知，且控制系统在运行中 不发生未知变化为前提条件 • 不定性：被控系统动态特性的未知性
一、引起被控系统不定性的主要原因
• 构成被控系统组合件本身特性使得过程动态特 性或多或少具有某些非线性、时变性、分布性 和随机性 • 系统所处环境变化引起被控对象参数变动
2）现代控制理论（工程）
基于系统模型：状态空间模型 一阶微分方程组 （基础被控系统的动力学模型：微分方程） 适用范围：多变量 根据系统期望的性能指标：时域 对被控系统的分析：可控性、可观性 控制器设计：最优控制：时间最短、能量最小 研究的系统（同样为）：线性、定常、时不变
• 研究生阶段必须要掌握最重要理论之一： 自适应控制： 所要解决的问题是：线性、非定常、时变
四、自适应控制系统设计思想
• 在控制系统运行过程中，系统本身不断地测量 被控系统的状态 • 辨识和计算出系统当前的参数和运行指标 • 与期望的性能指标相比较，进而作出决策，来 进行控制器参数的设计，或根据自适应的规律 来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义 下的最优或次最优状态 • 重复进行以上的设计步骤