系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制結(jié)課論文

1、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制結(jié)課論文目錄一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的由來二、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義三、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)四、自適應(yīng)控制的方案五、自適應(yīng)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用六、發(fā)展前景自適應(yīng)控制系統(tǒng)一、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的由來在控制工程中，控制的目標(biāo)是設(shè)計(jì)控制器使被控對(duì)象滿足某種性能指標(biāo)，或使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡按某種理想的軌跡運(yùn)行，達(dá)到一種最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。在線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制理論中，人們對(duì)這些問題進(jìn)行了深入的研究，得到了非常豐富的成果，形成了完整的理論體系。不過，這里要求被控對(duì)象的模型都是已知的，并且在多數(shù)情況下還要求被控對(duì)象具有線性是不變的特征。 在實(shí)際的控制過程中，控制對(duì)象往往存在不確定性。有時(shí)人

2、們對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型了解并不完全，模型結(jié)構(gòu)存在某種不確定性；或者是對(duì)模型結(jié)構(gòu)（如模型的階數(shù)、傳遞函數(shù)零極點(diǎn)的個(gè)數(shù)等）已經(jīng)了解，但是由于環(huán)境、工況的影響，被控對(duì)象模型的參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化。 當(dāng)系統(tǒng)存在不確定性時(shí)，按照確定性數(shù)學(xué)模型所涉及的控制器就不可能得到良好的控制性能，有時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，需要一種新的控制系統(tǒng)，她能夠自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)由于過程對(duì)象的參數(shù)，環(huán)境的不定性而造成的系統(tǒng)性能的變化，自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 自適應(yīng)控制最初(20世紀(jì)50年代末期)主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域,此時(shí)相應(yīng)的理論和方法還不成熟,應(yīng)用上遇到一些失敗,但部分人仍然堅(jiān)持研究,并將其應(yīng)用推廣至其他工業(yè)部門

3、;到七十年代隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)控制取得重大進(jìn)展,在光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡、化工、冶金、機(jī)加工和核電中的成功應(yīng)用也充分證明了其有效性;此后,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用更得到大幅度擴(kuò)展;目前從美國新的登月計(jì)劃到臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用都方興未艾。二、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義 自適應(yīng)控制系統(tǒng)尚沒有公認(rèn)的統(tǒng)一定義，一些學(xué)者針對(duì)比較具體的系統(tǒng)構(gòu)成方式提出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義。有些定義得到了自適應(yīng)控制研究領(lǐng)域廣大學(xué)者的認(rèn)同。下面介紹兩個(gè)影響比較廣泛的定義。 定義1（Gibson，1962年）一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)提供被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)的連續(xù)信息，即辨識(shí)對(duì)象；將當(dāng)前系統(tǒng)性能與期望性能或某種最優(yōu)化指

4、標(biāo)進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上做出決策，對(duì)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使得系統(tǒng)趨向期望性能或趨于最優(yōu)化狀態(tài)。 定義2（Landau，1974年）一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)利用可調(diào)系統(tǒng)的各種輸入-輸出信息來度量某個(gè)性能指標(biāo)，然后將測(cè)量得出的性能指標(biāo)與期望指標(biāo)進(jìn)行比較，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來修正控制器的參數(shù)或產(chǎn)生一個(gè)輔助信號(hào)，以使系統(tǒng)接近規(guī)定的性能指標(biāo)并保持。 定義1和定義2實(shí)際上規(guī)定了兩類最重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)：自校正系統(tǒng)和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它們的區(qū)別在于：定義1所規(guī)定的系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，定義2所規(guī)定的系統(tǒng)不需要進(jìn)行顯示的辨識(shí)；定義1要求自適應(yīng)系統(tǒng)按照某種最優(yōu)指標(biāo)做出決策，定義2不要求進(jìn)行顯式的決策，而將其隱含在某

5、種已知的（通過參考模型表示）性能指標(biāo)之中。不過兩者的基本思想都是一致的。三、自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、自適應(yīng)器及反饋控制回路和自適應(yīng)回路組成。下圖是自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖。與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)比較，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有3個(gè)顯著特點(diǎn)： 干擾v(t)設(shè)定值r(t)被控量y(t)控制器被控對(duì)象 (參考輸入)控制量u（t）(輸入)自適應(yīng)器1） 控制器可調(diào)相對(duì)于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動(dòng)著的，即自適應(yīng)控制器在控制的過程中是可調(diào)的。2） 增加了自適應(yīng)回路自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上

6、增加了自適應(yīng)回路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是個(gè)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，自動(dòng)調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化。3） 適用對(duì)象自適應(yīng)控制適用于被控對(duì)象特性未知或時(shí)變的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)不需要完全知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。四、自適應(yīng)控制的方案因設(shè)計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)的不同,自適應(yīng)控制系統(tǒng)大致可分為如下幾種主要形式:增益程序控制、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)、自整定PID。1） 增益程序控制：增益程序控制的結(jié)構(gòu)和原理比較直觀,調(diào)節(jié)器按被控系統(tǒng)的參數(shù)已知變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)參數(shù)因工作情況和環(huán)境等變化而變化時(shí),通過能測(cè)量到反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)變量,比照對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行的要求(或性能指標(biāo)),經(jīng)過計(jì)算并按規(guī)定

7、的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，這種系統(tǒng)雖然僅僅是對(duì)增益的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié),難以完全克服系統(tǒng)模型未知或模型參數(shù)變化帶來的影響以實(shí)現(xiàn)完善的自適應(yīng)控制,但是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)迅速,所以在許多實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。2） 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)源于確定性伺服問題，它由兩個(gè)控制回路組成：內(nèi)回路是由過程和調(diào)節(jié)器所組成的普通反饋回路；外回路則用于調(diào)整調(diào)節(jié)器或控制器的參數(shù)。外環(huán)的調(diào)整原則：使y與Ym之間的誤差最小MIN（e）(e=Ym-y)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRAS的關(guān)鍵問題是確定調(diào)整機(jī)構(gòu)，以便得到一個(gè)使誤差e趨向于零的穩(wěn)定系統(tǒng)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)M

8、RAS的主要特點(diǎn)：通過輸出誤差信號(hào)e(e=Y0-Y)可以直接表達(dá)控制的性能和質(zhì)量；自適應(yīng)機(jī)構(gòu)不是明顯地去獲得控制u驅(qū)動(dòng)被控過程，而是通過獲得一組控制器可調(diào)參數(shù)去驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)主要針對(duì)輸出跟蹤問題。3）自校正控制STC：自校正控制系統(tǒng)又稱自優(yōu)化控制、參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)或模型辨識(shí)自適應(yīng)控制。典型的自校正控制系統(tǒng)如圖所示。它源于隨機(jī)調(diào)節(jié)問題：該系統(tǒng)有兩個(gè)環(huán)路，一個(gè)環(huán)路由參數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)器和被控系統(tǒng)所組成,稱為內(nèi)環(huán)，它類似于通常的反饋控制系統(tǒng)；另一個(gè)環(huán)路由遞推參數(shù)估計(jì)器與調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算環(huán)節(jié)所組成,稱為外環(huán)。自校正控制系統(tǒng)與其它自適應(yīng)控制系統(tǒng)的區(qū)別為其有一顯性進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和控制器參數(shù)計(jì)算(或設(shè)計(jì))的環(huán)節(jié)這一顯著特

9、征。自適應(yīng)控制常常兼有隨機(jī)性、非線性和時(shí)變等特征,內(nèi)部機(jī)理也相當(dāng)復(fù)雜,所以分析這類系統(tǒng)十分困難。目前，已被廣泛研究的理論課題有穩(wěn)定性、收斂性和魯棒性等，但取得的成果與人們所期望的還相差甚遠(yuǎn)。4）自整定PID：多年來，PID控制器由于其簡(jiǎn)單、直觀，控制性能和魯棒性良好，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，目前大多數(shù)工業(yè)控制回路均采用PID控制。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程日趨復(fù)雜，控制系統(tǒng)中的控制回路越來越多，對(duì)控制器參數(shù)整定的要求也越來越高，傳統(tǒng)的PID控制器整定方法在整定大規(guī)模和高精度的控制系統(tǒng)時(shí)，由于整定工作非常復(fù)雜繁瑣，已經(jīng)越來越不適應(yīng)實(shí)際工作的要求。因此，將現(xiàn)代自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于PID控制器，

10、實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定，已經(jīng)成為PID控制和自適應(yīng)控制發(fā)展的重要方向。五、自適應(yīng)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用1）電力系統(tǒng)的控制 電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的高維數(shù)、強(qiáng)非線性的的復(fù)雜系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型中包含了眾多不確定參數(shù)和難以建模的動(dòng)態(tài)過程。自適應(yīng)策略在電力系統(tǒng)控制中的應(yīng)用主要包括鍋爐蒸汽溫度和壓力調(diào)節(jié)、蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)化控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制、互聯(lián)電氣系統(tǒng)發(fā)電量控制等方面。2）航天航空、航海和特種汽車無人駕駛 隨著飛機(jī)性能的不斷提升，尤其是宇宙飛船的出現(xiàn)，航天航空領(lǐng)域?qū)ψ赃m應(yīng)控制的興趣日益增加。辛辛那提大學(xué)的Slater G.L.利用自適應(yīng)方法大大改善了飛機(jī)在起

11、飛階段的爬升性能預(yù)測(cè)，這有利于飛機(jī)在爬升過程中與空中的其他飛行器合流。美國宇航局的Gupta Pramod等提出了利用貝葉斯方法查證將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)方法用于現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈控制的安全與可靠性，并給出了在NASN的智能飛行控制系統(tǒng)中的模擬結(jié)果。3）工業(yè)過程控制 工業(yè)過程自20世紀(jì)30年代后期以來已越來越依靠自動(dòng)化裝置，反饋控制是通用的控制方法，經(jīng)歷了從比例控制到智能控制的發(fā)展歷程。最近30多年，自適應(yīng)策略在工業(yè)過程控制中廣泛的應(yīng)用，主要包括化工過程、造紙過程、食品加工過程、冶金過程、鋼鐵制造過程、機(jī)械加工過程等應(yīng)用領(lǐng)域。4）柔性結(jié)構(gòu)與振動(dòng)和噪聲的控制 密西根科技大學(xué)的Schultze John

12、 F.等對(duì)一種類似機(jī)翼的懸臂梁柔性結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)模型空間控制。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，該控制器的頻帶較寬，且具有很好的解耦性能。5）在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 在水處理過程中，投藥單耗與原水的濁度和溫度密切相關(guān)，而原水水質(zhì)隨季節(jié)改變，且每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)有所不同。葉昌明等（2003）研制了一種自適應(yīng)控制投藥設(shè)備。該設(shè)備可自動(dòng)學(xué)習(xí)最佳投藥控制規(guī)律，并根據(jù)水質(zhì)及環(huán)境狀態(tài)選擇最佳投藥量。自適應(yīng)控制在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。 南加福尼亞大學(xué)的R.W.Jelliffe等（1986）利用自適應(yīng)方法來控制后續(xù)的慶大霉素血清藥物濃度。采用基于貝葉斯方法的開環(huán)反饋?zhàn)赃m應(yīng)藥物代謝控制系統(tǒng)，并仔細(xì)對(duì)照病人的臨

13、床表現(xiàn)與適用模型的輸出（生理現(xiàn)象），醫(yī)生就可以確定最適合病人的治療目標(biāo)。 清華大學(xué)的郝智秀等（1995）發(fā)明了一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，以實(shí)現(xiàn)假手握物感覺的反饋，該控制裝置使截肢者使用機(jī)電假手時(shí)有真肢感。6）在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域方面的應(yīng)用 將隨機(jī)自適應(yīng)控制應(yīng)用于宏觀經(jīng)濟(jì)問題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)學(xué)家解決宏觀經(jīng)濟(jì)隨機(jī)性問題較好的方法。將不可避免的不確定性與經(jīng)濟(jì)模型聯(lián)系起來已經(jīng)得到了長期的認(rèn)同，而且已經(jīng)花費(fèi)了大量精力來提高模型的質(zhì)量。 近來,許多工作被引入由隨機(jī)控制技術(shù)為經(jīng)濟(jì)模型服務(wù)。這些方法對(duì)模型中不確定性的存在及對(duì)既定情況進(jìn)行決定性變量修改做出了說明。然而對(duì)不確定性的存在的說明并沒有解釋長期隨機(jī)控制問題的全部本

14、質(zhì)，因?yàn)椴淮_定性的演變即學(xué)習(xí)的可能性被忽略。 事實(shí)上，人們已經(jīng)找到了一種經(jīng)濟(jì)環(huán)境：從現(xiàn)在的國家收入和產(chǎn)量數(shù)據(jù)評(píng)估出來的多方程經(jīng)濟(jì)模型已經(jīng)開始應(yīng)用。因此，有望對(duì)技術(shù)的潛在適用性做出正確的推論。六、發(fā)展前景自適應(yīng)控制技術(shù)在20世紀(jì)80年代即開始向產(chǎn)品過渡，在我國得到了較好的推廣應(yīng)用，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。且理論研究也有一些開創(chuàng)性的成果。但總的來說推廣應(yīng)用還很有限，主要是由于其通用性和開放性嚴(yán)重不足。雖然現(xiàn)已能設(shè)計(jì)出安全、有效、穩(wěn)定、快速且現(xiàn)場(chǎng)操作比較簡(jiǎn)單的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，但今后較長一段時(shí)期內(nèi)，相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用的反饋、反饋加前饋或其他一些成熟的控制技術(shù)仍將繼續(xù)占據(jù)實(shí)際應(yīng)用的主流。 目前，不論從控制的理論分析方面，還是其實(shí)用化方面都存在一些困難，主要有：(1)知識(shí)的獲取與表達(dá)；(2)如何進(jìn)行必要的先驗(yàn)知識(shí)的選擇及