企业综合自动化-自适应控制技术

实际被控对象常常呈现模型未知，非线性，参数时变,多干扰，大迟
延等特性。
“确定的”线性系统非线性系统→一般反馈与最优控制难以解决的。
企业综合自动化 四、自适应控制技术
1.2 自适应控制的任务
设计一种特殊的控制系统，它能够自动 地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预 知的变化。
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1.1 现代控制理论的局限性
必须基于系统的参数模型 实施效果不理想和模型不确定性等特点 现有理论不适于工业系统的控制；如反馈控制和 最优控制系统中，均假设被控对象的数学模型已知
而且确定，例如其差分方程通常描述为：
na
nb
nc
aiy(ti) biu(tτi) ciζ(ti)
i0
i0
i0
其中ai,bi,ci为已知的定常参数。
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面对上述系统特性未知或经常处于变化之中而无法完全 事先确定的情况,如何设计一个满意的控制系统,使得能主动 适应这些特性未知或变化的情况,这就是自适应控制所要研 究解决的问题.
自适应控制的基本思想是: 在控制系统的运行过程中,系统本身不断地测量被控系统 的状态、性能和参数,从而“认识”或“掌握”系统当前的运行指 标并与期望的指标相比较,进而作出决策,来改变控制器的结 构、参数或根据自适应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优状态.
然而,有一些实际被控系统的数学模型是很难事先通过机理 建模或离线系统辨识来确知的,或者它们的数学模型的某些参数 或结构是处于变化之中的.
对于这类事先难以确定数学模型的系统,通过事先整定好控 制器参数的常规控制往往难以对付.
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这种被控系统的特性未知或处于变化之中,有如下几个原因: 由于被控系统本身的复杂性或所处的环境的恶劣等因素,使得 事先确定系统的数学模型非常困难或代价太高. 如有些化工反应过程机理建模太复杂难以进行,又因代价太高 而不容许通过反复实验以获取系统运行数据并用离线系统辨识的 方法来建模. 工作情况的改变引起系统参数的改变.例如：
轧钢过程的卷取过程的惯性等会随着钢卷的直径而变化; 机械手的动态特性会随机械手的伸屈而大范围内变化. 环境变化引起系统参数的改变.例如： 飞行器在低空和高空的气动特性相差很大; 某些电子器件和化学反应过程中的某些参数随着环境的温度和 湿度的变化而变化.
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传统控制方法在模型参数不确定时的应用情况： 传统控制系统对于模型内部参数不确定性和外部扰动的 影响有一定的抑制能力，但常常是以牺牲性能为代价的。 鲁棒控制方法是针对一定程度的不确定性提出的，可以 在给出参数不确定域的条件下设计稳定的控制器，但同样不 能保证性能，并且在参数完全未知时不易使用。 实际上，传统控制方法是以牺牲系统的控制性能为代价， 通过控制器本身的鲁棒性被动地适应对象特性或扰动特性未 知或变化的控制问题。 这种控制器本身的鲁棒性能适应的这些变化只能是小范 围的，不能解决变化较大的对象特性或扰动特性变化问题。
按这种思想建立起来的控制系统就称为自适 应控制系统.
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实际上,从控制理论的发展来说,反馈控制、扰动补偿控制、 最优控制、以及鲁棒控制等,都是为了克服或降低系统受外来干 扰或内部参数变化所带来的控制品质恶化的影响.
这些在一定范围或某个侧面上亦能克服或抑制某些不确定性 或干扰的传统控制方法与自适应控制的区别在于:
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主要内容
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1、概述 ■第一节 自适应控制的任务 ■第二节 自适应控制的相关定义 ■第三节 自适应控制的发展概况 ■ 第四节 自适应控制系统的主要类型
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第一节 自适应控制的任务
自适应控制也是一种基于模型的方法，与基于完全模型的控 制方法相比，它所依赖的关于模型和扰动的先验知识比较少， 自适应控制策略可以在运行过程中不断提取有关模型的信息， 自动地使模型逐渐完善。
传统的控制理论与控制工程中，当对象是线性定 常、并且完全已知的时候，才能进行分析和控制器设 计。无论采用频域方法，还是状态空间方法，对象一 定是已知的。如，在线性对象已知的情况下，可以进 行诸如稳定性分析、超前滞后校正环节设计、极点配 置（状态反馈）、最优控制器设计等一系列控制系统 的分析和综合工作。
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基本特征 ① 被控对象均有某种不确定性
a.内部结构和参数的不确定性； b.干扰的不确定性。 ② 不确定性要求系统具备学习（或自调整）功能，以保 证性能指标最优或次优。 本质上决定了自适应系统是一个非线性时变系统。
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2.2 自适应控制系统的基本功能
这类方法称为基于完全模型的方法。
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在模型能够精确地描述实际对象时，基于完全模型的控制 方法可以进行各种分析、综合，并得到可靠、精确和满意的控 制效果。
因此，在控制工程中,要成功地设计一个良好的控制系统, 不论是通常的反馈控制系统或是最优控制系统,都需要掌握好被 控系统的数学模型.
第二节 自适应控制的相关定义
2.1 “自适应控制”的定义
1974年，Landau ：“自适应控制”的含义是：利用可调系统 （通过修改它的参数或结构，或通过修改它的输入信号来调节 它的性能）的输入、状态和输出来测量某个性能指标，将其与 规定的性能指标进行比较，然后由自适应机构修改可调系统的 参数或产生一个辅助信号，以保持系统的性能指标接近于规定 的性能指标。
自适应控制是主动去适应这些系统或环境的变化,而其它控 制方法是被动地、以不变应万变地靠系统本身设计时所考虑的 稳定性裕量或鲁棒性克服或降低这些变化所带来的对系统稳定 性和性能指标的影响;
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好的自适应控制方法能在一定程度上适应被控系统的参数大 范围的变化,使控制系统不仅能稳定运行,Βιβλιοθήκη Baidu且能保持某种意义下 的最优或接近最优,而其它控制方法只能适应小范围的变化或扰 动,在一定范围保持系统稳定,伴随而来的还会降低系统的性能指 标。