自适应控制的应用研究综述

制器 。与传统的 P ID 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 [ 16 ] 。东南大学的胡一倩等对 P ID 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 [ 17 ] 。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 P I
度 。但是在有斜坡的湿地 ,打滑不可避免 。Lenain, R.
等设计了一种非线性自适应控制律 ,根据对打滑的实
时评估来修ຫໍສະໝຸດ Baidu车辆的运动 ,使控制精度在存在打滑时 仍得以保持 [ 13 ] 。
( 4 )柔性结构与振动和噪声的控制
迈切斯特大
学的顾志强等结
合 RBF神经网络
辨识器和 P ID 神
经网络控制器构
江苏大学的孙宇新等基于单神经元设计出用于感 应电机矢量控制的自适应磁链和转速控制器 ,利用神 经元的自学习功能在线调节连接权重 。该控制系统的 动态性能良好 [ 5 ] 。单神经元的数学模型如图 1所示 。
图 1 单神经元的数学模型
( 2 )工业过程控制 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 。 大连理工大学的张志军将两个多层模糊神经网络
1 自适应控制的应用研究现状
自适应控制引起人们广泛的关注 ,主要是由于生 产实践和科学技术的不断发展对自动化提出了更高的 要求 。至今 ,自适应控制不仅在工业领域取得了较大 的成功 ,而且在社会 、经济和医学等非工业领域也进行 了有益的探索 ,出现了一些成功的应用实例 。 1. 1 在工业领域中的典型应用
对于一类同时具有可重复和不可重复不确定性的 非线性系统 ,普度大学机械工程学院的 Xu, L. 等将自 适应鲁棒控制和迭代控制结合起来构造了一种面向性 能的控制律 。在确定的已知边界条件函数下 ,迭代控 制算法用来学习和逐步接近未知的可重复非线性 ,鲁 棒性的构造则用于削弱各种不确定性的影响 ,尤其是 不可重复不确定性的影响 ,从而保证了直线电机驱动 系统的瞬态特性和最终的跟踪精度 [ 4 ] 。
于时变系统 ,该控制器的频带较宽 ,且具有很好的解耦
性能 [ 15 ] 。
( 5 )电力系统的控制
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
成建筑结构自适
应控制系统 ,具体 结构如图 3所示 。
图 3 组合神经网络控制系统
对于受外部扰动 (不同的地震载荷 )的线性单自由度建
筑结构 ,该控制方法能有效地抑制其振动 [ 14 ] 。
密西根科技大学的 Schultze John F. 等对一种类似
机翼的悬臂梁柔性结构采用自适应模态空间控制 。对
·2·
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 [6]。
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 P ID 算法难以达到期望的控制效果 。国 内 的 与 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 [ 7 ] 。
·专题述评 ·
组合机床与自动化加工技术
自适应控制在智能化高精密机电或电液系统中应用较 多的有以下几个领域 :机器人 、不间断电源 、电机或液 压伺服系统等的控制 [ 1 ] 。
加拿大宇航局的朱文红等提出通过直接测量负载 单元的输出力实现液压缸输出力自适应控制的策略 。 输出力误差不仅用于反馈控制 ,而且用于动态更新摩 擦模型的参数 ,这样可保证缸内压力误差和输出力误 差的 L2稳定和 L ∞稳定 。试验结果表明缸内压力的良 好控制并不能保证输出力的良好控制 ,并且自适应摩 擦补偿比固定参数摩擦补偿效果更好 。液压缸输出力 控制的优异性能使其动态性能在预定的带宽内与电驱 动马达相当 ,从而可以用一个液压机器人仿效电驱动 机器人 [ 2 ] 。
2007年第 1期
·专题述评 ·
文章编号 : 1001 - 2265 (2007) 01 - 0001 - 04
自适应控制的应用研究综述 3
刘楚辉 1, 2
(1. 浙江大学 机械与能源工程学院 ,杭州 310027; 2. 嘉兴学院 机电学院 ,浙江 嘉兴 314001)
摘要 :文中对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 5O 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 。存在的问题主要是其通用性和开放性严重不足 ,导致其推广应用至今仍受限制 ,但现在已能设计 出安全 、稳定 、快速 、有效 、对现场操作人员无过高要求的自适应系统 。结合神经网络 、模糊逻辑等人工 智能技术是今后一段时期内可能的理论和应用研究方向 。 关键词 :自适应控制 ;收敛性 ;鲁棒性 ;规范化 中图分类号 : TP273 + . 2 文献标识码 : A
( 1 )智能化高精密机电或电液系统控制
收稿日期 : 2006 - 06 - 6 3 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50175102)
作者简介 :刘楚辉 (1975—) ,男 ,浙江大学博士研究生 ,从事装配自动化研究 , ( E - mail) lchzju@ sohu. com。
·1·
0 引言
反馈控制用来较精确地控制绝大部分运行状况 , 某些情况下加上前馈控制还可达到减少输入扰动影响 的目的 。但有些对象具有很大的不确定性 、时变性和 内外扰动 ,简单的反馈加前馈控制效果很不理想 。长 期以来 ,这是自动控制领域所面临的一个非常具有挑 战性的问题 ,自适应控制正是在这样的背景下提出的 。 其基本思想是通过不断地监测被控对象 ,根据其变化 来调整控制参数 ,从而使系统运行于最优或次优状态 。
Summary of Research on Applica tion s of Adaptive Con trol L IU Chu2hui1, 2
( 1. College ofM echanical and Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. School of Electromechanical Engineering, J iaxing College, J iaxing Zhejiang 314001, China) Abstract: This paper summ arizes the app lications of adap tive control in industrial and non industrial fields. A2 dap tive control has been specialized for more than 50 years, and it is successfully app lied in many realm s to2 day, especially in industrial dom ains, speaking volum es for its effectiveness. However, there are still some p roblem s in existence, the leading one is the shorting of general app licability and opening, which direct leads to its restricted use. B anding together w ith artificial intelligence may be a new favorable development orientation for adap tive control. Key words: adap tive control; astringency; robusticity; standardization
2007年第 1期
·专题述评 ·
用自适应控制取代传统的 P ID 控制 ,可提高经济性和
精确度和自动化程度 。到 20世纪 80年代 ,除了航向 ,
船舶的侧摆也可通过对方向舵液压伺服系统的自适应
调节加以控制 [ 12 ] 。
在装备 RTK GPS传感器的农用车的精确导航中 ,
传统的控制率在不打滑的情况下能获得满意的控制精
圣玛利亚联合大学的 Grundling, H ilton Abilio 等 提出了一种修正的全局稳定的鲁棒模型参考自适应迭 代控制方法 ,并用于一种单相不间断电源 (UPS)的电 压源 PWM 反相器及其相应的 RLC 负载滤波器的控 制 ,获得了近似正弦的输出电压 。同时 ,他们还提出了 一种自适应方法用于对三相 U PS的控制 。 [ 3 ]
自适应控制最初 (20世纪 50年代末期 )主要应用 于航天航空领域 ,此时相应的理论和方法还不成熟 ,应 用上遇到一些失败 ,但部分人仍然坚持研究 ,并将其应 用推广至其他工业部门 ;到七十年代随着控制理论和 计算机技术的发展 ,自适应控制取得重大进展 ,在光学
跟踪望远镜 、化工 、冶金 、机加工和核电中的成功应用 也充分证明了其有效性 ;此后 ,自适应控制技术的应用 更得到大幅度扩展 ;目前从美国新的登月计划到临床 医学领域 ,自适应控制技术的应用都方兴未艾 。本文 总结自适应控制在国内外的应用研究概况 。
(3)航天航空 、航海和特种汽车无人驾驶 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 Gup ta 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 [ 10 ] 。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 [ 11 ] 。 由于海况变化较大 ,在大型船舶自动驾驶仪中采
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 [ 8 ] 。
自动调节切削 用量 以 适 应 切 削 过 程中 不 断 变 化 的 加 工条件 ,保证切削效 果最优 ,这是自适应 图 2 机床切削自适应控制系统 切 削 原 理 。图 2 为 一种机床切削自适应控制系统 ,通过检测主轴切削力 信号和声发射信号 ,经处理可得到主轴实际有效功率 、 切削速度修正系数 、刀具破损信息或损坏报警信息 。 美国密西根大学的 U lsoy A. G. 通过调整进给率来控 制金属切削过程中的切削力 ,给出了分别用于切削和 磨削的两种自适应控制系统 。他还将自适应控制应用 于加工过程的误差补偿和由切削力引起的刀具磨损在 线监测 [ 9 ] 。