自適應(yīng)控制作業(yè)

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科目： 系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制 姓名： 學(xué)號(hào)： 院系： 教師： 時(shí)間： 2015-12-09 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制技術(shù)1、 引言自適應(yīng)控制的發(fā)展已有40多年的歷史，并且在近20年里得到了飛速的發(fā)展，已成為當(dāng)代自動(dòng)控制界的少數(shù)熱門前沿研究領(lǐng)域之一。自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)。這里所謂“不確定性”是指描述被控對(duì)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。面對(duì)這些客觀存在的各種不確定性，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)到并保持最優(yōu)或近似最優(yōu)，就是自適應(yīng)控制所要解決的問(wèn)題。自適應(yīng)控制是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，但是自適應(yīng)控制所依

2、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(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。可見，對(duì)于那些對(duì)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)，采用自適應(yīng)控制是合適的。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有兩大類，一是基于自校正控制理論，另一是基于模型參考自適應(yīng)控制理論。模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院的Whitaker教授為解決飛行器自動(dòng)駕駛儀的問(wèn)題而提出來(lái)的。自校正控制技術(shù)是由Kalman于1958年提出，由于當(dāng)時(shí)的理論和技術(shù)發(fā)展都不充分，因此沒(méi)有得到應(yīng)有的重視和應(yīng)用。60年代現(xiàn)代控制理論蓬勃發(fā)展，取得了諸如狀態(tài)空間法、穩(wěn)定性理論、最優(yōu)控制、隨機(jī)控

3、制、參數(shù)估計(jì)等一些成果，電子計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展為在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制這種復(fù)雜的策略提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。70年代以來(lái)，自適應(yīng)控制理論有了顯著的進(jìn)展，一些學(xué)者分別在確定性的和隨機(jī)的、連續(xù)的和離散的系統(tǒng)的自適應(yīng)控制理論方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。2、 自適應(yīng)控制概述2.1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)對(duì)于具有較強(qiáng)不確定性的被控系統(tǒng)，如何設(shè)計(jì)一個(gè)滿意的控制器，就是自適應(yīng)控制所要研究的問(wèn)題。參照在日常主活中生物能夠通過(guò)自覺調(diào)整自身參數(shù)改變自己的習(xí)性，以適應(yīng)新的環(huán)境特性，從而提出了自適應(yīng)控制器的設(shè)想。自適應(yīng)控制器應(yīng)能夠及時(shí)修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化，使整個(gè)控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。因此

4、，自適應(yīng)控制方法就是依靠不斷采集的控制過(guò)程信息，確定被控對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際工作狀態(tài)，根據(jù)一定的性能準(zhǔn)則，產(chǎn)生合適的自適應(yīng)控制規(guī)律，從而實(shí)時(shí)地調(diào)整控制器結(jié)構(gòu)或參數(shù)，使系統(tǒng)始終自動(dòng)地工作在最優(yōu)或次最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)下。自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制的重要組成都分，它同一般反饋控制相比具有如下特點(diǎn)：(1) 一般反饋控制主要適用于確定性對(duì)象或可以預(yù)知的對(duì)象，而自適應(yīng)控制主要研究具有不確定性的對(duì)象或難以確知的對(duì)象。(2) 一般反饋控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠消除狀態(tài)擾動(dòng)所引起的系統(tǒng)誤差；而自適應(yīng)控制由于具有辨識(shí)對(duì)象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能消除狀態(tài)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差，而且還能消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差。(3)

5、 一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須依賴系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型及其環(huán)境變化狀況，而自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴很小，僅需要較少的驗(yàn)前知識(shí)，但自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)往往更多地依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)。(4) 自適應(yīng)控制是較為復(fù)雜的反饋控制，它在一般反饋控制的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)控制環(huán)節(jié)或系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)器，另外還附加了一個(gè)可調(diào)系統(tǒng)。2.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的分類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的分類方法有很多種。通常，按被控對(duì)象的性質(zhì)可分為確定性自適應(yīng)控制系統(tǒng)和隨機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)；按照功能來(lái)分，可分為參數(shù)或非參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)、性能自適應(yīng)控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)；按結(jié)構(gòu)分，可以分為前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)和反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)；從實(shí)用角度分，可

6、以將自適應(yīng)控制分為模型參考自適應(yīng)控制、自校正控制等等。下面對(duì)前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制、反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制以及自校正控制加以簡(jiǎn)單介紹。（1）前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制也稱為開環(huán)自適應(yīng)控制，其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。它借助于過(guò)程擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量，通過(guò)自適應(yīng)環(huán)節(jié)按照這些擾動(dòng)信號(hào)信息來(lái)改變控制器的狀態(tài)，從而達(dá)到改變系統(tǒng)特性的目的。從圖3.1可以看出，前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)與前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較類似，不同的是增加了自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，并且控制器可調(diào)。前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)是根據(jù)可測(cè)的擾動(dòng)信息對(duì)控制器加以調(diào)整，從而提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。然而，當(dāng)擾動(dòng)不可測(cè)時(shí)，前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用就會(huì)受到嚴(yán)重的限制。（2）

7、反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制如果過(guò)程品質(zhì)變化不能通過(guò)過(guò)程外部信號(hào)測(cè)量確定，那么可以采用如圖3.2所示的反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)。在反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)中，過(guò)程特性的變化是通過(guò)控制回路內(nèi)部可測(cè)信號(hào)的變化來(lái)觀測(cè)的。除原有的反饋回路之外，反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)中新增加的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)形成了另一個(gè)反饋回路，該回路根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部可測(cè)信息的變化，來(lái)改變控制器的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，以達(dá)到提高控制質(zhì)量的目的。圖1 前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖圖2 反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖（3）模型參考自適應(yīng)控制模型參考自適應(yīng)控制（Model Reference Adaptive ControlMRAC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，其目標(biāo)是：在參考模型始終具有期望的閉環(huán)性能的前提下

8、，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，力求保持被控過(guò)程的響應(yīng)特性與參考模型的動(dòng)態(tài)性能一致。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要包括參考模型、可調(diào)機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)三部分。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)廣義誤差（若系統(tǒng)是由狀態(tài)方程描述，那么廣義誤差是指系統(tǒng)狀態(tài)誤差向量；若系統(tǒng)是由輸入輸出方程描述，那么廣義誤差是指系統(tǒng)輸出誤差向量），按照一定的自適應(yīng)規(guī)律來(lái)調(diào)整可調(diào)機(jī)構(gòu)的參數(shù)或被控對(duì)象的輸入信號(hào)，使得廣義誤差逐漸趨近于0。圖3 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（4）自校正控制自校正控制系統(tǒng)(Self-tuning Control)又稱自優(yōu)化控制或模型辨識(shí)自適應(yīng)控制。典型的自校正控制系統(tǒng)如圖3.4所示。自校正控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：通過(guò)采集的過(guò)程

9、輸入、輸出信息，實(shí)現(xiàn)過(guò)程模型的在線辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)。在獲得的過(guò)程模型或估計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照一定的性能優(yōu)化準(zhǔn)則，計(jì)算控制器參數(shù)，使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠達(dá)到最優(yōu)的控制品質(zhì)。圖4 自校正控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3 自適應(yīng)控制技術(shù)的發(fā)展自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要是針對(duì)不確定性被控過(guò)程，尋找最優(yōu)的控制方法或控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)。對(duì)于具有不確定的被控過(guò)程，由于常規(guī)控制方法固定的控制器參數(shù)無(wú)法適應(yīng)不斷變化的過(guò)程特性，因而難以滿足控制精度的要求，在這種情況下，就出現(xiàn)了可調(diào)控制器。控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整最早出現(xiàn)在1940年，但是當(dāng)時(shí)的自適應(yīng)控制僅僅局限于控制器具有按照過(guò)程特性的變化調(diào)整自身參數(shù)的能力。直到20世紀(jì)70年代，隨著控制理論及

10、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)控制才得到了進(jìn)一步的完善。目前，自適應(yīng)控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。例如：機(jī)器人操作，飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船及火箭的控制，工業(yè)過(guò)程，生物工程等等，并逐漸滲透到經(jīng)濟(jì)管理、交通、通信等各個(gè)領(lǐng)域。隨著對(duì)控制系統(tǒng)要求的不斷提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自適應(yīng)控制理論和技術(shù)也將得到不斷的更新與完善，且其應(yīng)用前景會(huì)十分廣闊。3、 自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用3.1 電動(dòng)汽車混合電源系統(tǒng)的自適應(yīng)控制3.1.1 背景電動(dòng)汽車具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，其研究與開發(fā)受到了廣泛重視。但是，純電動(dòng)汽車較短的續(xù)駛里程和有限的動(dòng)力電池組循環(huán)壽命制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。試驗(yàn)研究表明，在城市工況下，動(dòng)力電池組間歇性大電流放電是造

11、成電池容量衰減和使用壽命短的主要原因。近年來(lái)發(fā)展的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車雖然可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，但是，由于電池組容量小、荷電狀態(tài)(SOC)使用范圍寬，導(dǎo)致動(dòng)力電池組放電倍率大，尤其在低SOC下動(dòng)力電池組大倍率放電會(huì)進(jìn)一步加劇動(dòng)力電池組的容量衰減。因此，研究新型的電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)及其控制策略，降低動(dòng)力電池的峰值放電電流，提高其耐久使用性能，是發(fā)展純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有理論指導(dǎo)意義與應(yīng)用價(jià)值。3.1.2 研究現(xiàn)狀研究人員已在動(dòng)力電池組的基礎(chǔ)上，將超級(jí)電容組通過(guò)雙向電源變換器和動(dòng)力電池組的輸出端并聯(lián)，構(gòu)成了“動(dòng)力電池-超級(jí)電容”混合電

12、源系統(tǒng)。超級(jí)電容組優(yōu)異的功率特性可以彌補(bǔ)動(dòng)力電池組輸出功率的不足，降低動(dòng)力電池組的峰值放電電流，提高動(dòng)力電池組的耐久使用性能?！皠?dòng)力電池-超級(jí)電容”混合電源系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來(lái)電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Erdinc等基于一段歷史時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車行駛總需求功率的頻域分析，將從中分離出的高頻功率分量做為超級(jí)電容輸出功率的給定值。這種控制策略可以在一定程度上平滑動(dòng)力電池組的放電功率，但是，基于歷史功率數(shù)據(jù)分析的超級(jí)電容組輸出電流控制不能很好地適應(yīng)當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)功率需求。試驗(yàn)表明，在車輛需求功率較小時(shí)，超級(jí)電容組仍可能處于放電狀態(tài)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組“峰值功率補(bǔ)償”的功能。Ferreira等根據(jù)模糊控制策略

13、并結(jié)合超級(jí)電容組的端電壓和車速等因素，給出了超級(jí)電容組的充放電電流的控制規(guī)則，該模糊控制規(guī)則雖然淡化了動(dòng)力電池不準(zhǔn)確的模型對(duì)控制策略的影響，卻難以給出超級(jí)電容組輸出功率和動(dòng)力電池輸出功率之間的定量關(guān)系，系統(tǒng)功率急劇增加時(shí)，依然存在超級(jí)電容組不充分放電、動(dòng)力電池組峰值電流偏大等問(wèn)題?；旌想娫聪到y(tǒng)是目前電動(dòng)汽車中采用的主流電源系統(tǒng)之一，其關(guān)鍵技術(shù)混合電源系統(tǒng)輸出功率和能量的控制受到了研究人員的重視并開展了相應(yīng)的研究口剖。在混合電源系統(tǒng)中，通過(guò)雙向電源變換器匹配主電源和輔助電源的輸出電壓特性和功率特性，可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出功率的自適應(yīng)控制。黃勇等在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和鎳氫電池組組成的混合電源系統(tǒng)中，提出

14、了通過(guò)雙向電源變換器實(shí)現(xiàn)雙電源輸出功率混合的控制方法，建立了基于規(guī)則的雙向電源變換器控制策略，根據(jù)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主電源輸出電壓的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)鎳氫電池組輔助電源的工作模式和充放電電流，實(shí)現(xiàn)了混合電源系統(tǒng)輸出功率的自適應(yīng)控制，得到穩(wěn)定的電源系統(tǒng)輸出電流和電壓的變化過(guò)程。實(shí)際上，輔助電源的主要作用是補(bǔ)償主電源較弱的功率響應(yīng)性能，提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率性能和使用耐久性。相比之下，超級(jí)電容比鎳氫電池具有更好的功率特性和使用耐久性，是更加優(yōu)越的輔助電源。但是，由于超級(jí)電容的比能量小，當(dāng)車輛行駛功率較小時(shí)，應(yīng)控制超級(jí)電容組處于充電狀態(tài)，使超級(jí)電容組儲(chǔ)備較多的能量，能夠在車輛行駛功率急劇增大時(shí)具有較強(qiáng)的功率

15、輸出能力；當(dāng)車輛行駛功率大于一定值時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)控制超級(jí)電容組處于放電狀態(tài)，抑制動(dòng)力電池組電流的增大。在這一過(guò)程中，超級(jí)電容組充放電狀態(tài)切換的實(shí)時(shí)性和充放電電流的定量控制是實(shí)現(xiàn)“動(dòng)力電池超級(jí)電容”混合電源系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。這是基于規(guī)則的控制策略難以做到的。本文提出了雙向電源變換器電源外特性控制的方法，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的放電電流，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充放電狀態(tài)的實(shí)時(shí)切換和充放電電流的自適應(yīng)控制。3.1.3 工作原理力電池一超級(jí)電容”混合電源系統(tǒng)，雙向電源變換器的高壓端與動(dòng)力電池組輸出端相連，低壓端與超級(jí)電容組輸出端相連。在車輛行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池組的輸出電流隨著車輛行駛需求功率的增大而增大。雙向電源變換器

16、通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力電池組放電電流值，自適應(yīng)控制超級(jí)電容組的充放電狀態(tài)和充放電電流：當(dāng)需求功率增大使得動(dòng)力電池組輸出電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，雙向電源變換器處于升壓工作模式，控制超級(jí)電容組放電。隨著動(dòng)力電池組輸出功率的增大，超級(jí)電容組放電功率迅速增加，對(duì)動(dòng)力電池組輸出起到功率放大器的作用。在確定的車輛行駛需求功率下，抑制了動(dòng)力電池組電流的進(jìn)一步增大。圖5 “動(dòng)力電池-超級(jí)電容”電源系統(tǒng)示意圖當(dāng)車輛行駛需求功率減小使得動(dòng)力電池組放電電流小于設(shè)定閾值時(shí)，雙向電源變換器切換進(jìn)入降壓工作模式，及時(shí)對(duì)超級(jí)電容組充電，使超級(jí)電容組的端電壓及時(shí)恢復(fù)到較高值，能夠在下一次超級(jí)電容組放電過(guò)程具有較強(qiáng)的功率輸出能力。如果在這一

17、過(guò)程中產(chǎn)生制動(dòng)回饋能量，雙向電源變換器的高壓端電壓升高，動(dòng)力電池組輸出電流自適應(yīng)減小，超級(jí)電容組的充電能量將優(yōu)先來(lái)源于制動(dòng)回饋能量。實(shí)現(xiàn)上述工作原理的技術(shù)關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)雙向電源變換器的電源外特性，根據(jù)動(dòng)力電池組的放電電流，自適應(yīng)控制超級(jí)電容組的充放電狀態(tài)和電流。參考文獻(xiàn)1 劉興堂，萬(wàn)少松等.應(yīng)用自適應(yīng)控制M.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.2 韓曾晉.自適應(yīng)控制M.北京：清華大學(xué)出版社，1995.3 黃勇，曾帆，陳全世等燃料電池城市客車混合動(dòng)力系統(tǒng)的自適應(yīng)控制公路交通科技，2006，23(9)：121-125.4 GBl9754-2005：重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法，20055 Rdinc O,Vural B,Uzunoglu M.Awavelet-fuzzy logic based energy mana