自适应控制综述

自适应控制文献综述

卢宏伟

（华中科技大学控制科学与工程系信息与技术研究所M200971940）

摘要：文中对自适应控制系统的发展、系统类型、控制器类型以及国内外自适应控制在工业和非工业领域的应用研究现状进行了较系统的总结。自适应控制成为一个专门的研究课题已超过50年了，至今，自适应控制已在很多领域获得成功应用，证明了其有效性。但也有其局限性和缺点，导致其推广应用至今仍受到限制，结合神经网络、模糊控制是自适应控制今后发展的方向。

关键字：自适应控制鲁棒性自适应控制器

1.自适应控制的发展概况

自适应控制系统首先由Draper和Li 在1951年提出，他们介绍了一种能使性能特性不确定的内燃机达到最优性能的控制系统。而自适应这一专门名词是1954年由Tsien 在《工程控制论》一书中提出的，其后，1955年Benner和Drenick也提出一个控制系统具有“自适应”的概念。

自适应控制发展的重要标志是在1958午Whitaker“及共同事设计了一种自适应飞机飞行控制系统。该系统利用参考模型期望特性和实际飞行特性之间的偏差去修改控制器的参数，使飞行达到最理想的特性，这种系统称为模型参考自适应控制系统(MRAC系统)。此后，此类系统因英国皇家军事科学院的Parks利用李稚普诺夫(Lyapunov)稳定性理论和法国Landau利用Popov的超稳定性理论等设计方法而得到很大的发展，使之成为—种最基本的自适应控制系统。1974年，为了避免出现输出量的微分信号，美国的Monopli提出了一种增广误差信号法，因而使输入输出信号设汁的自适应控制系统更加可靠地应用与实际工程中。

1960年Li和Wan Der Velde提出的自适应控制系统，他的控制回路中用一个极限环使参数不确定性得到自动补偿，这样的系统成为自振荡的自适应控制系统。

Petrov等人在1963年介绍了一种自适应控制系统，它的控制数如有一个开关函数或继电器产生，并以与参数值有关的系统轨线不变性原理为基础来设计系统，这种系统称为变结构系统。

1960到1961年Bellman和Fel`dbaum分别在美国和苏联应用动态规划原理设计具有随机不确定性的控制系统时，发现作为辨识信号和实际信号的控制输入之间存在对偶特性，因而提出对偶控制。

Astrom和Wittenmark对发展另一类重要的自适应控制系统，即自校正调节器(STR)作出了重要的贡献。这种调节器用微处理机很容易实现。这一有创见的工作得到各国学者普遍的重视，并且把发展各种新型的STR和探索新的应用工作推向新的高潮，使得以STR方法设计的自适应控制系统在数量上迢迢领先。在这些发展中以英国的Clarker和Gawthrop在1976年提出的广义最小方差自校正控制器最受重视。它克服了自校正调节器不能用于非最小相位系统等缺点。为了既保持自校正调节器实现简单的优点，又有拜较好的直观性和鲁棒件，l976年英国的Edmund首先提出极点配置自校正控制技术，Astrom，Westerberg和Wittenmark在这方面也做了一些研究。

近年来许多学者在自适应控制系统的稳定性、收敛件和设计方法上又做了大量的有益工作，其中有美国的Narend、Morse和澳大利亚的Goodwin。我国学者陈翰馥在收敛性分析方面也作了很大贡献。

2.自适应控制系统的类型

自从50年代末由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来，先后出现过许

多不同形式的自适应控制系统。比较成熟的自适应控制系统有下述几大类。

(1)可变增益自适应控制系统

这类自适应控制系统结构简单，响应迅速，在许多方面都有应用。其结构如图1所示，调节器按被控过程的参数的变化规律进行设计，也就是当被控对象（或控制过程）的参数因工作状态或环境情况的变化而变化时，通过能够测量到的某些变量，经过计算而按规定的程序来改变调节器的增益，以使系统保持较好的运行性能。另外在某些具有非线性校正装置和变结构系统中，由于调节器本身对系统参数变化不灵敏。采用此种自适应控制方案往往能去的较满意的效果。

图1 变增益自适应控制

(2)模型参考自适应控制系统（Model Reference Adaptive System，简称MRAS）

模型参考自适应控制系统由以下几部分组成，即参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成，如图2所示

图2 模型参考自适应控制系统

设计这类自适应控制系统的核心问题是如何综合自适应调整律，即自适应机构所应遵循的算法。关于自适应调整律的设计目前存在两类不同的方法。其中一种称为局部参数最优化地方法，即利用梯度或其他参数优化的第推算法，求得一组控制器的参数，使得某个预定的性能指标，如J=∫e2(t)dt，达到最小。最早的MIT自适应律就是利用这种方法求得的。这种方法的缺点是不能保证参数调整过程中，系统总是稳定的。自适应律的另一种设计方法是基于稳定性理论的方法，其基本思想是保证控制其参数自适应调节过程是稳定的，然后再尽量是这个过程收敛快一些。由于自适应控制系统是本质非线性的，因此这种自适应律的设计自然要采用适用于非线性系统的稳定理论。

Lyapunov稳定性理论和Popov的超稳定性理论都是设计自适应律的有效工具。由于保证系统稳定是任何闭环控制系统的基本要求，所以基于稳定性理论的设计方法引起了更为广泛的关注。

(3)自校正调节器（Self-tuning Regulator，简称STR）

这类自适应控制系统的一个特点是具有一个被控对象数学模型的在线辨识环节，具体地说是加入了一个对象参数的递推估计器。由于估计得是对象参数，而调节器参数还要求解一个设计问题方能得出，所以这种自适应控制系统可以用图3的结构描述。这种自适应调节器也可设想成为内环和外环来年各个环路组成，内环包括被控对象和一个普通的线性反馈调节器，这个调节器的参数由外环调节，外环则由一个递推参数估计器和一个设计机构组成。这种系统的过程建模和控制的设计都是自动进行，每个采样周期都要更新一次。这种结构的自适应控制器称为自校正调节器，采用这个名称为的是强调调节器能自动校正自己的参数，已得到希望的闭环性能。

图3 自校正调节器（STR）的结构图

(4)自寻最优控制系统

自寻最优控制系统是一种自动搜索和保持系统输出位于极值状态的控制系统。先前这种系统称为极值控制系统。在这种系统中，受控系统的输入—输出特性至少有一个代表最优运行状态的极值点或其他形式的非线性特性。因此，受控对象是非线性的。如果极值特性在运行过程中不发生变化，则可通过分析和试验找到一个能使系统工作在极值位置的固定控制量，这时由常规控制便可保持最优运行状态。不过，许多工业对象的极值特性在运行中都或多或少会发生漂移，因而无法采用常规控制策赂。对于这类受控系统，采用自寻最优控制策略便可自动保持极值运行状态，使运行状态的梯度为零。此外，自寻最优控制系统还具有易于理解和实现方便等优点，所以它在工业