自适应控制的应用

自适应控制的应用
冯养杰 2014.4.24
自适应控制的应用
一、自适应控制的组成
二、自适应控制的产生于发展
三、自适应控制在各行业的应用举例
四、自适应控制的前沿展望
一、自适应控制的组成
1、模型参考自适应控制
2、自校正控制 张啸 王广 杨莹、魏斌
3、极点配置自校正调节器 4、变结构控制 5、最小二乘法 李志超 江帆
宝钢股份公司的羌菊兴等将高速稳态自 适应控制技术拓展到带钢生产的头尾控 制上，进一步减少了带钢头尾厚度超差 的长度，提高了产品的质量和产量。
自适应控制在烟草行业中的应用
卷烟工艺烘丝过程中烟丝含水率的变化具有较强的非 线性、不确定性和大滞后特性，同时存在干扰和噪声， 运用常规PID算法难以达到期望的控制效果。国内与 国外的专家合作，采用无模型自适应控制器结合渐进 辨识方法对烘丝过程的烟丝含水率控制系统进行改造， 降低了干头干尾的数量，提高了卷烟生产质量。
自适应控制在化工行业中的应用
大连理工大学的张志军将两个多 层模糊神经网络分别用于化工过 程系统辨识和控制，通过不断更 新模糊成员函数来实现自适应控 制。结合运用BFGS和最小二乘 算法在线训练神经网络，使模型 的精度提高从而控制性能大大提 高，克服了模型不匹配和时变的 影响。
自适应控制在钢铁行业中的应用
四、自适应控制的前沿展望
自适应控制虽然具有很大优越性，可是经过了五十 多年的发展，到目前为止其应用仍不够广，究其原 因，主要是因为存在以下几方面的问题：① 自适应 控制在理论上很难得到一般解，给推广应用带来了 困难；② 目前的参数估计方法都是在理想情况下随 时间趋于无穷而渐近收敛，而实际工程应用需要在 有限时间内快速收敛的参数估计方法；③有些自适 应控制器启动过程或过渡过程的动态性能不满足实 际要求；④控制精度与参数估计的矛盾；⑤低阶控 制器中存在高频未建模；⑥测量精度直接影响控制 器参数，进而影响系统性能。
Байду номын сангаас
二、自适应控制的产生与发展
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定 性的系统， “不确定性”指描述被控对象及其 环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一 些未知因素和随机因素。此时，常规控制器不 可能得到很好的控制品质。为此，需要设计一 种特殊的控制系统，能够自动调整控制器参数， 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。
自适应系统的原理框图
干扰v(t) 参考输入r(t) 控制器 控制量u(t) 被控对象 输出量y(t)
自适应器
自适应系统主要由控制器、被控对象、自 适应器及反馈控制回路和自适应回路组成。
二、自适应控制的产生与发展
特点：能修正自己的特性以响应过程 和扰动的动力学特性变化。自适应控 制和系统辨识是分不开的。
三、自适应控制在各行业的应用举例 自适应控制经过近50年的发展，无论在理论上还是 应用上都取得了很大的发展。近20多年来，随着计算 机技术特别是大规模集成电路和芯片的广泛普及，为
自适应控制开辟了广阔的领域。
目前，自适应控制在：飞行器控制、深空探测器控
制、卫星跟踪系统、大型油轮控制、电子拖动、造纸
过程控制、冶金过程控制、化工过程控制、水泥配料 控制、大型加热炉温控制等方面得到了应用。
6、无模型自适应控制
何骞 李晓磊
7、人工神经网络自适应控制系统 8、卡尔曼滤波器 等等很多方面 时兵兵
二、自适应控制的产生与发展
在反馈控制和最优控制中，都假定被控对象或 过程的数学模型是已知的，并且具有线性定常的特 性。实际上在许多工程中，被控对象或过程的数学 模型事先是难以确定的，即使在某一条件下被确定 了的数学模型，在工况和条件改变了以后，其动态 参数乃至于模型的结构仍然经常发生变化。
自适应控制在航空航天中的应用
飞行体控制表面的偏转所产生的力矩是速度、高度 和功角的函数，因此，飞行过程中其传递函数始终 在发生很大的变化，线性控制系统无法获得满意的 结果。随着飞机性能的不断提升，尤其是宇宙飞船 的出现，航天航空领域对自适应控制的兴趣日益增 加。美国宇航局(NASA)的Gupta Pramod等经过研 究认为必须对基于神经网络的自适应控制器性能进 行适当的监测和评估以后，才能将其安全可靠地用 于现代巡航导弹控制，并给出了利用贝叶斯方法的 查证和确认方法及其在NASA的智能飞行控制系统 中的模拟结果。辛辛那提大学的Slater G．L．利用 自适应方法大大改善飞机在起飞阶段的爬升性能预 测，即根据测试和计算的能量比率自适应调整飞行 器推力依赖度，这样有利于飞机在爬升过程中与空 中的其他飞行器合流。
四、自适应控制的前沿展望
对应上述存在的问题，自适应控制研究在今后一 段时期内的发展方向将包括以下几个方面：① 在 保证自适应控制精度的前提下，研究快速收敛的 参数估计算法；②研究鲁棒自适应控制方法，解 决高频未建模问题；③解决自适应控制系统启动 阶段和过渡过程的参数收敛和动态性能问题；④ 自适应控制方案的规范化，即提高其通用性和开 放性；⑤研究组合自适应控制策略，主要有自适 应PID控制和智能自适应控制。
最早的自适应控制方案是在五十年代末
由美国麻省理工学院怀特克(Whitaker )首先
提出飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制 方案。自适应控制是自动控制领域中的一个 新分支，三十多年来取得了很大的发展，并 得到了广泛的重视。 到目前为止，在先进的科技领域出现 了许多形式不同的自适应控制方案，但比 较成熟并已获得实际应用的可以概括成两 大类： ⑴ 模型参考自适应控制； ⑵ 自校 正控制。
自适应控制在电力系统的应用
自适应策略在电力系统控制中的应用主要包 括：锅炉蒸汽温度和压力控制、锅炉燃烧效 率的优化控制、互连电力系统发电量控制等 方面。针对电厂主蒸汽温度调节的大时滞和 不确定性，我国东北电力大学的顾俊杰等采 用自适应PSD控制方法，并结合运用内模控 制器。与传统的PID控制系统相比，自适应 PSD控制算法简单、计算量小，并且能减少 超调量、加快相应速度、缩短稳定时间。东 南大学的胡一倩等对PID模糊控制器的参数 进行自适应调整，并将其用于锅炉过热蒸汽 温度的控制，取得了满意的效果。哈尔滨工 业大学的徐立新等结合专家经验得出燃气轮 机模糊PI控制规律，并据此设计了透平转速 和排气温度的模糊自适应PI控制器，提高了 燃气轮机的性能且实现非常方便。
自适应控制在环境和生物医学领域中的应用
在水处理过程中，投药单耗与原水的浊度和温度密切相 关，而原水水质随季节改变，且每年相同季节的原水水 质也会有所不同。深圳市清泉水系统工程设备有限公司 叶吕明等研制了一种自适应控制投药设备。该设备可自 动学习最佳投药控制规律，并根据水质及环境状态选择 最佳投药量 。自适应控制在临床医学中的应用发展非常 迅速。南加利佛尼亚大学的Jell ，Roger W．利用自适 应方法来控制后续的庆大霉素血清药物浓度 。采用基于 贝叶斯方法的开环反馈自适应药物代谢控制系统，并仔 细对照病人的临床表现与适用模型的输出(生理表现)，医 生就可以确定最适合该病人的治疗目标。清华大学的郝 智秀和申永胜发明了一种假手握力自适应控制装置，以 实现假手握物感觉的反馈。该控制装置使截肢者使用肌 电假手时有真肢感。
自适应控制在过程工业的应用
工业过程自20世纪30年代后期以 来已越来越依赖自动化装置，反馈 控制是通用的控制方法，经历了从 比例控制到智能控制的发展历程。 最近30多年，自适应策略在工业过 程控制中获得了广泛的应用，主要 包括化工过程、造纸过程、食品加 工过程、冶金过程、钢铁制造过程、 机械加工过程等应用领域。