自適應(yīng)控制論文

1、自適應(yīng)控制系統(tǒng)綜述摘要：本文首先介紹了自動(dòng)控制的基本理論及其發(fā)展階段，然后提出自適應(yīng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。最后描述的是自適應(yīng)控在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和存在的問題。關(guān)鍵字：自適應(yīng)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一、 引言1.1控制系統(tǒng)的定義自動(dòng)控制原理是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。在不同的控制系統(tǒng)中，可能具有各種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、被控對象，并且其復(fù)雜程度和環(huán)境條件也會(huì)各不相同，但他們都具有同樣的控制目地：都是為了使系統(tǒng)的狀態(tài)或者運(yùn)動(dòng)軌跡符合某一個(gè)預(yù)定的功能性能要求。其中，被控對象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者運(yùn)動(dòng)軌跡稱為被控過程

2、。被控過程不僅與被控系統(tǒng)本身有關(guān)，還與對象所處的環(huán)境有關(guān)?？刂评碚撝袑⒖刂葡到y(tǒng)定義為由被控系統(tǒng)及其控制器組成的整體成為控制系統(tǒng)。1.2控制理論的發(fā)展階段控制理論發(fā)展主要分為三個(gè)階段： 一：20世紀(jì)40年代末-50年代的經(jīng)典控制理論時(shí)期，著重解決單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問題，主要數(shù)學(xué)工具是微分方程、拉氏變換、傳遞函數(shù)；主要方法是時(shí)域法、頻域法、根軌跡法；主要問題是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快。 二：20世紀(jì)60年代的現(xiàn)代控制理論時(shí)期，著重解決多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題，主要數(shù)學(xué)工具是以此為峰方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法主要方法是變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論；重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨即控制、自適應(yīng)控制；核心控制裝置

3、是電子計(jì)算機(jī)。 三：20世紀(jì)70年代之后的先進(jìn)控制理時(shí)期，先進(jìn)控制理論是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和延伸。先進(jìn)控制理論內(nèi)容豐富、涵蓋面最廣，包括自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。二、 自適應(yīng)控制系統(tǒng)2.1自適應(yīng)控制的簡介在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實(shí)際上在許多工程中，被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和條件改變了以后，其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。在發(fā)生這些問題時(shí)，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、

4、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，這就是自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來表示。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保

5、持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)，這個(gè)過程稱為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。隨著生產(chǎn)過程的不斷進(jìn)行，通過在線辯識(shí)，模型會(huì)變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實(shí)際。既然模型在不斷的改進(jìn)，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進(jìn)。在這個(gè)意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。比如說，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系

6、統(tǒng)在剛開始投入運(yùn)行時(shí)可能性能不理想，但是只要經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，通過在線辯識(shí)和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對象，其特性可能在運(yùn)行過程中要發(fā)生較大的變化，但通過在線辯識(shí)和改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應(yīng)。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會(huì)大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。所以對那些對象特性或擾動(dòng)特性變化范圍很大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，采取自適應(yīng)控制是合適的。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控

7、制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。2.2自適應(yīng)控制的特征一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)必然具有三個(gè)基本特征：(a)過程信息的在線積累 在線積累過程信息的目的，是為了降低受控系統(tǒng)原有的不定性。為此可用系統(tǒng)辨識(shí)的方法在線辨識(shí)受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過程信息；也可通過量測能反映過程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過程信息。在系統(tǒng)辨識(shí)中，結(jié)構(gòu)辨識(shí)比參數(shù)估計(jì)困難得多。(b) 可調(diào)控制器 可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號(hào)可以根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就無法對過程實(shí)現(xiàn)有效的控制。(c) 性能指標(biāo)的控制 性能指標(biāo)的控制

8、可分為開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。若與過程動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān)系又可根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，這時(shí)就可通過此輔助變量直接調(diào)整可調(diào)控制器，以期達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。這就是性能指標(biāo)的開環(huán)控制，它的特點(diǎn)是沒有根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)再作進(jìn)一步的調(diào)整。與開環(huán)控制方式不同，在性能指標(biāo)的閉環(huán)控制中，還要獲取實(shí)際性能與預(yù)定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實(shí)際性能達(dá)到或接近預(yù)定性能為止。如何提高控制系統(tǒng)的自適應(yīng)速度，如何優(yōu)化自適應(yīng)控制的過程以及如何既能保證性能而又簡化算法是自適應(yīng)控制的一個(gè)重要問題。在其算法的研究中主要是控制策略的參數(shù)化問題；

9、它通常研究的問題是如下三個(gè)方面：如何使控制結(jié)構(gòu)盡可能的簡單；怎樣減少對系統(tǒng)所要求的先驗(yàn)知識(shí)以及盡可能的使系統(tǒng)所要求的先驗(yàn)知識(shí)有其物理意義；如何減少要辨識(shí)的參數(shù)的個(gè)數(shù)。從參數(shù)估計(jì)的角度，自適應(yīng)控制分為間接自適應(yīng)控制和直接自適應(yīng)控制。在間接自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，控制對象的參數(shù)被實(shí)時(shí)估計(jì)，并通過解Diophantine方程計(jì)算出控制器的參數(shù)應(yīng)用于下一時(shí)刻的控制規(guī)律中。直接自適應(yīng)控制的核心思想是將估計(jì)模型按控制器的參數(shù)重新參數(shù)化，它不需要解Diophantine方程而直接在線估計(jì)控制器參數(shù)以及其它附加參數(shù)。相比較而言，間接自適應(yīng)控制雖然估計(jì)參數(shù)較少，但是需要在線解Diophantine方程；而直接自適應(yīng)控

10、制器的計(jì)算相對簡單，可以提供更快的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。因此更加適合實(shí)時(shí)地控制對象。由于本課題的被控對象傳遞函數(shù)的特點(diǎn)，重新參數(shù)化比較簡單。所以擬定選用直接自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)給予確定性等價(jià)準(zhǔn)則的傳統(tǒng)自適應(yīng)極點(diǎn)配置控制器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)謹(jǐn)慎和雙重特性的修正三、自適應(yīng)控制的應(yīng)用及存在的問題3.1自適應(yīng)控制在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中，任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性表現(xiàn)在被控過程或?qū)ο蟮奶匦詴r(shí)刻發(fā)生變化，變化規(guī)律難以掌握，同時(shí)還有各種各樣的隨機(jī)干擾作用在系統(tǒng)上，這些影響通常是不可預(yù)測的。如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，通過輸入、輸出信息，實(shí)時(shí)的掌握被控對象和系統(tǒng)誤差的動(dòng)態(tài)特性，并根據(jù)其變化情

11、況及時(shí)掌握調(diào)節(jié)控制量，使系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人們在模仿人腦處理問題的過程中發(fā)展起來的一種新型智能信息處理理論，它通過大量神經(jīng)元的簡單處理單元構(gòu)成非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對人腦的形象思維、聯(lián)想記憶等進(jìn)行模擬和抽象，實(shí)現(xiàn)與人腦相似的學(xué)習(xí)、識(shí)別、記憶等信息處理能力，其特點(diǎn)包括具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)性、自組織性、容錯(cuò)性、高度非線性、高度魯棒性、聯(lián)想記憶功能推理意識(shí)功能等。自適應(yīng)控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)非線性隨機(jī)控制系統(tǒng)，很難為其找到合適的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的方法難以對其進(jìn)行控制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被證明具有很強(qiáng)適應(yīng)能力和逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)的能力，它

12、在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的控制方面顯示出它強(qiáng)大的優(yōu)越性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制是基于自適應(yīng)的基本原理，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和理論設(shè)計(jì)而成的，發(fā)揮了自適應(yīng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各自長處，為非線性控制的研究提供了一種新方法。它與自適應(yīng)控制的完美結(jié)合，使控制領(lǐng)域的發(fā)展邁向了一個(gè)新的臺(tái)階。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制從本質(zhì)上講，實(shí)際上是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的自校正控制或模型參考自適應(yīng)控制。自校正控制根據(jù)對系統(tǒng)正向和(或)逆模型辨識(shí)結(jié)果，直接按自適應(yīng)規(guī)律調(diào)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使系統(tǒng)滿足既定的性能指標(biāo)。而在模型參考自適應(yīng)控制中，閉環(huán)控制系統(tǒng)的期望性能則有一個(gè)穩(wěn)定而優(yōu)良的參考模型來描述，其控制目標(biāo)是使被控對象的輸出響應(yīng) y(t)

13、一致漸近地趨于參考模型的輸出響應(yīng) dy(t)，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于自適應(yīng)控制主要有兩種方式：一種是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，描述被控對象的數(shù)學(xué)模型；二是充當(dāng)控制器，其控制作用的調(diào)整依賴于網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)的改變，通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，完成將信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)輸入端到輸出端的映射，為被控對象提供適當(dāng)?shù)目刂屏?。神?jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制與一般自適應(yīng)方法的區(qū)別在于：（1）在模型參考控制中，參考模型由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替。與常規(guī)自適應(yīng)控制比較自適應(yīng)控制理論的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的控制器，它能夠考慮未知參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器的增益。而常規(guī)的自適應(yīng)控制器為了獲得良好的控制效果，需要在系統(tǒng)中加入白噪聲信號(hào)，辨識(shí)過程往往會(huì)出現(xiàn)飽和麻痹現(xiàn)象，影響辨識(shí)效

14、果和跟蹤速度。利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可解決這一問題。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、受訓(xùn)練的特點(diǎn)，它可以正確地提取受控對象的模型參數(shù)，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和容錯(cuò)能力，提高控制器的性能。3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制存在的問題1.穩(wěn)定性問題 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，但是神經(jīng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析難度極大。這是因?yàn)橐幚淼姆蔷€性對象的模型一般是具有嚴(yán)重非線性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身又是一個(gè)大規(guī)模非線性系統(tǒng)，由它們按一定方式組織起來的神經(jīng)控制系統(tǒng)具有更為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性。目前已有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制研究的主要問題是：基于lyapunov 函數(shù)來證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)

15、定性的方法，已經(jīng)被應(yīng)用于一些簡單的非線性系統(tǒng)，即仿射非線性系統(tǒng)之中，但是，在工程中遇到的非線性系統(tǒng)大多是非仿射的。 2.魯棒性問題 在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)魯棒性要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比單純按收斂性和穩(wěn)定性指標(biāo)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更好的控制效果。目前，對于非線性控制系統(tǒng)的魯棒性已有許多研究結(jié)果，一般是針對一類仿射非線性系統(tǒng)進(jìn)行的，對于系統(tǒng)的條件限制較嚴(yán)，目前的研究成果很難應(yīng)用于實(shí)際的非線性控制系統(tǒng)中去，故其魯棒性研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。 3.控制的實(shí)時(shí)性問題 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制是采用先離線辨識(shí)，再在線控制的方式，這樣比在線建模方式控制效果好，但實(shí)時(shí)性較差。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度一般都比較慢，為滿足實(shí)時(shí)控制需要，必須研究快速的學(xué)習(xí)算法，使其能同時(shí)保證實(shí)時(shí)性與控制效果,這仍是一個(gè)難題。 三、 總結(jié)自適應(yīng)控制已經(jīng)提出半個(gè)多世紀(jì)了，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，就是其中的一個(gè)應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 袁震東. 自適應(yīng)控制的存在問題與發(fā)