現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用----王力

1、現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)工程 王力 2011117322 現(xiàn)代控制理論：狹義的是指 60 年代發(fā)展起來(lái)的采用狀態(tài)空間方法研 究實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制目標(biāo)的控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)理論；廣義的是指60 年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的所有新的控制理論與方法。采用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì) （或稱重構(gòu)） 實(shí)際反饋控制主要 優(yōu)點(diǎn)是理論體系嚴(yán)謹(jǐn)完整； 可獲得理想的最優(yōu)控制性能， 設(shè)計(jì)過(guò)程較少依 賴經(jīng)驗(yàn)試湊；主要缺點(diǎn)是要求系統(tǒng)模型準(zhǔn)確， 否則實(shí)際控制性能并非最優(yōu)， 即控制系統(tǒng)魯棒差；理論較抽象，缺乏直觀性，不易理解， 需要較多數(shù)學(xué) 知識(shí)；性能指標(biāo)函數(shù)中的加權(quán) Q 和 R 選取無(wú)定量準(zhǔn)則可循，也需憑經(jīng)驗(yàn) 選取，故設(shè)計(jì)結(jié)果也與設(shè)計(jì)人員有

2、關(guān)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目標(biāo)由自動(dòng)化儀表與被控對(duì)象所 聯(lián)接成閉環(huán)系統(tǒng)。 其組成結(jié)構(gòu)是由被控對(duì)象、 測(cè)量代表、 控制器或調(diào)節(jié)器 和執(zhí)行器構(gòu)成反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)， 其形式有單回路形式和串級(jí)雙回路形式； 性 能指標(biāo)：定性的有穩(wěn)（定性） 、準(zhǔn)（確性）、快（速性）；控制律（或控制 策略、控制算法）：控制系統(tǒng)中控制器或調(diào)節(jié)器所采用的控制策略，即用 系統(tǒng)偏差量如何確定控制量的數(shù)學(xué)表示式?，F(xiàn)代控制理論主要應(yīng)用于 航空類飛行器控制現(xiàn)代控制理論是基于時(shí) 域的系統(tǒng)分析方法， 目前基本都是高端如火箭發(fā)射， 導(dǎo)彈制導(dǎo)之類的復(fù)雜 系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)矩陣的預(yù)測(cè)控制等。 比如在汽車中運(yùn)用的自適應(yīng)控制， 汽車 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的控

3、制， 自適應(yīng)估計(jì)等定速巡航系統(tǒng)的初衷是讓車輛運(yùn)行 在最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速油耗平衡點(diǎn)， 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速跟扭矩、 油耗是有 一定比例關(guān)系的，單位距離油耗最省的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的速度就是巡航 速度，這個(gè)定速巡航巡航系統(tǒng)就是個(gè)典型的現(xiàn)代控制系統(tǒng)， 車輛快了， 它 幫你松油門，車輛慢了，它幫你踩?，F(xiàn)代控制理論的應(yīng)用于實(shí)際存在的很大的問(wèn)題是系統(tǒng)模型是否準(zhǔn)確可靠，因?yàn)槟Ｐ腿绻豢煽?，理論的完美與否也沒(méi)有任何意義。 而在汽車中的自適應(yīng)控制就是對(duì)現(xiàn)代控制論的一個(gè)很好地應(yīng)用。2.1自 適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖參考輸入“控*干擾啲 一 輸自適應(yīng)器被控對(duì)象自適應(yīng)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

4、成 自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個(gè)顯著特點(diǎn)：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(guò)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)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 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)， 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。一、自適應(yīng)控制在汽車主動(dòng)懸架上的應(yīng)用：應(yīng)用于主動(dòng)懸架的自適應(yīng)控制方法主要有增益調(diào)度控制、模型參考自

5、適應(yīng)控制和自校正控制三 類：增益調(diào)度控制是一種開(kāi)環(huán)自適應(yīng)控制， 通過(guò)監(jiān)測(cè)過(guò)程的運(yùn)行條件來(lái)改 變控制器參數(shù)；模型參考自適應(yīng)控制（即簡(jiǎn)化自適應(yīng)控制）通過(guò)跟蹤一個(gè) 預(yù)先定義的參考模型，按照反饋和輔助控制器參數(shù)的自適應(yīng)控制規(guī)則，使非線性時(shí)變的懸架系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的最優(yōu)性能；自校正控制是將受控對(duì)象參數(shù)在線估計(jì)與控制器參數(shù)整定相結(jié)合，形成一個(gè)能自動(dòng)校正控制器參數(shù)的 離散實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)），是目前應(yīng)用最廣的一類 自適應(yīng)控制方法。自適應(yīng)控制方法已在德國(guó)大眾汽車公司的底盤上得到了 應(yīng)用。模型參考自適應(yīng)控制1罷考模壅.5.1 1:自適應(yīng)機(jī)椅模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)STR是70年代發(fā)展起來(lái)的一種隨機(jī)自適

6、應(yīng)控制，產(chǎn)生背景是：工業(yè) 過(guò)程控制由于強(qiáng)隨機(jī)干擾、模型未知、 參數(shù)時(shí)變、大時(shí)滯等因素，導(dǎo)致常 規(guī)的控制方法效果差。它是參數(shù)在線估計(jì)與隨機(jī)最小方差控制的結(jié)合，已有廣泛的應(yīng)用成果，其難點(diǎn)在于收斂性。參考模型車輛動(dòng)力學(xué)模型參考模型自適應(yīng)控制圖簧上質(zhì)量為500千克簧上質(zhì)量為300千克匸EWS. S_2 14中：寸增冃更需*輪胎動(dòng)載荷6004002000-2W400-600K0O絃動(dòng)懸架動(dòng)變形二、最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制中的應(yīng)用1、基于非線性最優(yōu)和PID技術(shù)的綜合勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)于非線性系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)它偏離系統(tǒng)工作點(diǎn)或系統(tǒng)發(fā)生較大 擾動(dòng)時(shí)，如果仍然采用基于 PID技術(shù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，就會(huì)出

7、現(xiàn)誤差。 為此，可以將其用基于非線性最優(yōu)控制技術(shù)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。但是，非線性最優(yōu)控制調(diào)節(jié)器存在著對(duì)電壓控制能力較弱的缺點(diǎn)，所以用一種能夠?qū)⒎?線性最優(yōu)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和 PID技術(shù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器有機(jī)結(jié)合的新型勵(lì)磁 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原理。2、自適應(yīng)最優(yōu)勵(lì)磁控制器將自適應(yīng)控制理論與最優(yōu)控制理論相結(jié)合， 通過(guò)多變量參數(shù)辨識(shí)、最優(yōu)反 饋系數(shù)計(jì)算和控制算法運(yùn)算三個(gè)環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自適應(yīng) 最優(yōu)控制。3、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法的非線性勵(lì)磁控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性函數(shù)逼近學(xué)習(xí)能力和逆系統(tǒng)方法的線性化能力相結(jié)合，構(gòu)造出物理可實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)， 從而 實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控系統(tǒng)的大范圍線性化，能夠在

8、無(wú)需系統(tǒng)參數(shù)的情況下構(gòu)造出 偽線性復(fù)合系統(tǒng)，從而將非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性系的控制問(wèn) 題。4、基于灰色預(yù)測(cè)控制算法的最優(yōu)勵(lì)磁控制預(yù)測(cè)控制是一種計(jì)算機(jī)算法，它采用多步預(yù)測(cè)的方式增加了反映過(guò)程未來(lái) 變化趨勢(shì)的信息量，因而能克服不確定性因素和復(fù)雜變化的影響。 灰色預(yù) 測(cè)控制是預(yù)測(cè)控制的一個(gè)分支，它需建立灰微分方程，能較好地對(duì)系統(tǒng)作 全面的分析。應(yīng)用GM（1，N）對(duì)發(fā)電機(jī)的功率偏差、轉(zhuǎn)速偏差、電壓偏差 序列值進(jìn)行建模，經(jīng)全面分析后求出各狀態(tài)量的預(yù)測(cè)值， 同時(shí)根據(jù)最優(yōu)控 制理論求出以預(yù)測(cè)值為狀態(tài)變量的被控勵(lì)磁控制系統(tǒng)的最優(yōu)反饋增益，從而得出具有預(yù)測(cè)信息的最優(yōu)勵(lì)磁控制量。三、運(yùn)載火箭的制導(dǎo)和控制把航天器送入預(yù)定的軌道需要用多級(jí)火箭運(yùn)載，其制導(dǎo)和控制系統(tǒng)必 須根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的發(fā)射彈道來(lái)控制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次啟動(dòng)和關(guān)機(jī)，并相應(yīng)地穩(wěn)定和調(diào)整火箭的姿態(tài)，還需要控制級(jí)間分離?，F(xiàn)代火箭制導(dǎo)采用最優(yōu) 化理論和小型數(shù)字計(jì)算機(jī)的迭代制導(dǎo)方法，