《控制科學(xué)與工程學(xué)科前沿技術(shù)講座》SZ1603072蔣耿乾

1、 5/5控制科學(xué)與工程學(xué)科前沿技術(shù)講座SZ1603072蔣耿乾 綜述報(bào)告 非經(jīng)典飛行控制技術(shù)的發(fā)展與前景學(xué)號(hào)姓名分?jǐn)?shù) 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 2016 年12 月 目錄 1 緒論(10 分) (1) 2 問(wèn)題描述(10 分) (1) 3 發(fā)展現(xiàn)狀(50 分) (1) 4 未來(lái)展望(15 分) (1) 6 結(jié)論(5 分) (1) 7 對(duì)本課程的意見(jiàn)和建議(10 分) (1) 1緒論 本文綜述了飛控技術(shù)的研究背景和意義，總結(jié)了近年來(lái)飛行控制技術(shù)研究的現(xiàn)狀，闡述了重構(gòu)控制與非經(jīng)典控制技術(shù)的特點(diǎn)，并且在此基礎(chǔ)上總結(jié)了部分研究中所存在的主要問(wèn)題，包括近年來(lái)出現(xiàn)的飛控算法的一些不足之處，并針對(duì)不足之處

2、展望了改進(jìn)建議，展望了飛行控制未來(lái)的研究方向。 2問(wèn)題描述 飛行控制系統(tǒng)的研究源于為了保障一個(gè)平穩(wěn)、安全的飛行過(guò)程，使飛行系統(tǒng)可以代替人來(lái)做出精確的操縱與指令，即使發(fā)生了故障，也可以自動(dòng)恢復(fù)到正常飛行狀態(tài)或是可接受的飛行狀態(tài)，從而提高飛行安全性和可靠性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，經(jīng)典控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較為成熟，然而在國(guó)內(nèi)外科研學(xué)者的不懈努力下，非經(jīng)典的智能控制技術(shù)也有了日新月異的發(fā)展。利用智能控制技術(shù)可以有效的解決諸如非線性問(wèn)題等經(jīng)典控制技術(shù)較難解決的困難，因此智能控制技術(shù)有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?3發(fā)展現(xiàn)狀 1飛行控制系統(tǒng)介紹及其研究意義 在航空領(lǐng)域的不斷發(fā)展中，由于在飛行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些飛機(jī)的飛行系統(tǒng)故障

3、或損傷的飛行事例，從而導(dǎo)致飛機(jī)無(wú)法正常飛行而失事，一旦出現(xiàn)這類(lèi)情況，便會(huì)造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。雖然在某些情況下，飛行員憑借其豐富的飛行經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)變能力，可以進(jìn)行正確的操控來(lái)使飛機(jī)穩(wěn)定降落，從而避免發(fā)生不必要的災(zāi)難，但是這就需要飛行員具有高超的飛行技術(shù)以及豐富的飛行經(jīng)驗(yàn)，然而并不是每一位飛行員都可以完成這些任務(wù)。因此人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到控制系統(tǒng)在航空領(lǐng)域中具有不可替代的作用，飛行控制系統(tǒng)可以使飛機(jī)在出現(xiàn)各種不正常的飛行狀態(tài)的時(shí)候可以自動(dòng)恢復(fù)到正常飛行狀態(tài)，例如在飛行系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)備用的機(jī)械系統(tǒng)，或者對(duì)飛行系統(tǒng)的控制律進(jìn)行重構(gòu)等操作， 將飛機(jī)處于異常狀態(tài)時(shí)所存在的危險(xiǎn)降低到可接受的水平?；?/p>

4、此，故障診斷、重構(gòu)控制和智能控制等飛行控制方法便成為科研人員探索的方向。 2重構(gòu)控制技術(shù) 世界上對(duì)重構(gòu)控制的研究已經(jīng)有了近三十年的歷史，重構(gòu)飛行控制的概念 最先由美國(guó)提出，上世紀(jì)80 年代初期，美國(guó)開(kāi)啟了SRFCS 研究計(jì)劃，1986 年 11 月進(jìn)行首次試飛，隨后NASA 將一家F-15 改造為數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)的新 飛機(jī)，并在1989 與1990 年多次進(jìn)行試飛，飛行結(jié)果表明飛行重構(gòu)系統(tǒng)工作良好。這標(biāo)志著人類(lèi)在重構(gòu)控制研究道路上邁出的第一步。我國(guó)在重構(gòu)控制方面 也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，葛彤與馮正平在2000 年提出了一種分段的重構(gòu)控制策略；同年唐小靜月張君昌提出了基于輸出反饋的重構(gòu)控制方法；2

5、007 年劉旭提出了以非線性動(dòng)態(tài)逆方法為基本控制律并通過(guò)自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)補(bǔ)償出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn) 生的逆誤差的策略。 重構(gòu)控制方法主要分為兩大類(lèi)，首先是被動(dòng)重構(gòu)，被動(dòng)控制主要是魯棒控制，即把提前考慮好可能出現(xiàn)的故障的影響引入不確定集里設(shè)計(jì)控制律。第二 類(lèi)就是主動(dòng)重構(gòu)控制，包括偽逆法、多模型自適應(yīng)控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適 應(yīng)控制、線性二次型調(diào)節(jié)器和非線性調(diào)節(jié)器、模型預(yù)測(cè)控制和模型參考自適應(yīng)。重構(gòu)控制可以使控制系統(tǒng)不再依賴(lài)于故障診斷，也可以提高安全性和可靠性。 主動(dòng)重構(gòu)控制主要包括下述幾類(lèi)方法： （1）偽逆法 優(yōu)缺點(diǎn)明顯，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便；缺點(diǎn)是不能保證穩(wěn)定性，而且 需要精確的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)來(lái)

6、打基礎(chǔ)。 （2）多模型自適應(yīng)控制 事先考慮好故障的可能并且設(shè)計(jì)好控制律，根據(jù)相應(yīng)的故障切換到相應(yīng)的 控制律，優(yōu)點(diǎn)是故障少的時(shí)候該方法快速穩(wěn)定，但是故障多的時(shí)候就會(huì)比較麻煩。 （3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制 首先用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)全包線內(nèi)的逆變換，用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能補(bǔ)償逆變換中的誤差，并且在一定條件下可用李雅普多夫方 法證明其穩(wěn)定性。在不確定知識(shí)不完備情況下，在線自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn) 逆近似。 （4）線性二次型調(diào)節(jié)器和非線性調(diào)節(jié)器 利用線性二次型調(diào)節(jié)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)故障的重構(gòu)控制，針對(duì)不同的舵機(jī)故障離線設(shè)計(jì)控制器，發(fā)生故障的時(shí)候在線切換到相應(yīng)的控制器。 （5）模型預(yù)測(cè)

7、控制 通過(guò)修改輸入限制和內(nèi)模型處理飛行器結(jié)構(gòu)與舵機(jī)故障。 （6）模型參考自適應(yīng) 設(shè)置理想的參考模型，實(shí)時(shí)調(diào)整控制律使真實(shí)對(duì)象跟蹤理想模型。要求系統(tǒng)參數(shù)變化較慢從而有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行預(yù)估。 重構(gòu)控制在目前實(shí)際應(yīng)用方面還具有相當(dāng)大發(fā)展空間，在這三十年的發(fā)展下，由于現(xiàn)有控制系統(tǒng)在正常工作的情況下已經(jīng)得到驗(yàn)證，而重構(gòu)控制系統(tǒng)還缺乏充分的評(píng)估和確認(rèn)，所以重構(gòu)控制目前仍然更多的停留在設(shè)計(jì)、仿真與試飛中，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。 3 智能控制的發(fā)展 經(jīng)典控制技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展已經(jīng)有了相當(dāng)成熟與完整的體系，工業(yè)上應(yīng)用最多的是PID 控制，這種控制方法很簡(jiǎn)單，易于用軟件或硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且不需要精確的過(guò)程模型來(lái)啟

8、動(dòng)或維持，因此PID 一直是過(guò)程控制中的中堅(jiān)力量，然而現(xiàn)在控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)更傾向于使用智能控制技術(shù)。智能控制可能會(huì)有不同的定義，但主要還是將其理解為使用各種各樣的人工智能的控制范式（control paradigm），例如神經(jīng)網(wǎng)路控制、模糊控制、專(zhuān)家控制以及學(xué)習(xí)式控制等控制方法。 （1）學(xué)習(xí)式控制 學(xué)習(xí)式控制是使用模式識(shí)別技術(shù)來(lái)獲得控制回路的當(dāng)前狀態(tài)，然后根據(jù)回路狀態(tài)來(lái)做出相應(yīng)的控制決定，就像先前存儲(chǔ)好的只是和經(jīng)驗(yàn)一樣，由于這種控制方式受限于存儲(chǔ)知識(shí)，所以其應(yīng)用并未流行。 （2）專(zhuān)家控制 專(zhuān)家控制是基于專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)，使用知識(shí)庫(kù)來(lái)做出控制決策，知識(shí)庫(kù)是由人類(lèi)專(zhuān)家、在線獲得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和推理機(jī)設(shè)計(jì)

9、（inference machine designed）來(lái) 建立的，然而專(zhuān)家系統(tǒng)適合于生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和故障診斷方面的決策，并不適合于連續(xù)控制問(wèn)題。 （3）模糊控制 模糊控制系統(tǒng)是人們?yōu)榱四M人機(jī)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，它是以模糊集合化、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，其一大特點(diǎn)就是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。 （4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 智能控制中應(yīng)用最廣泛的并且發(fā)展最迅速的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障診斷與控制方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，即它在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的控制方面擁有巨大的潛力，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們可以

10、充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)與適應(yīng)嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；有高度的魯棒性和容錯(cuò)能力，且由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中大量處理單元的廣泛連接，即使有少量單元或連接損壞，也并不會(huì)影響系統(tǒng)的整體功能。 各國(guó)學(xué)者均對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，Calise等人在13中提出了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性自適應(yīng)控制，在14中描述了針對(duì)重構(gòu)飛行控制問(wèn)題的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接自適應(yīng)控制。Uchikado等人在15中針對(duì)改進(jìn)的學(xué)習(xí)式飛行控制系統(tǒng)擬定了一份報(bào)告，該系統(tǒng)具有使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)以及使用輸入匹配的反饋功能。劉小河與李捷等人在16中提出了一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究思路：將整個(gè)系統(tǒng)分解成為若干個(gè)相互聯(lián)系的子系

11、統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一定的物理現(xiàn)象，互聯(lián)的方式應(yīng)盡可能為線性的。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用李雅譜諾夫穩(wěn)定性理論，導(dǎo)出穩(wěn)定性判據(jù)，使子系統(tǒng)為穩(wěn)定的。應(yīng)用大系統(tǒng)穩(wěn)定系理論，導(dǎo)出整個(gè)神經(jīng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。從前述得出的穩(wěn)定性的判據(jù), 可得出各個(gè)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。由此穩(wěn)定性條件出發(fā), 可分析得出對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的要求。根據(jù)這些要求, 可研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)的確定原則、節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及權(quán)值允許變化的范圍內(nèi)算法的收斂性。根據(jù)整個(gè)神經(jīng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件對(duì)互聯(lián)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)的約束, 設(shè)計(jì)自適應(yīng)律滿(mǎn)足這種約束, 從而對(duì)神經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用

12、顯示了明顯的優(yōu)越性，但是也存在 一些不足之處?，F(xiàn)階段對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論研究嚴(yán)重滯后，一些重要的理論問(wèn)題還沒(méi)有研究穩(wěn)定性判據(jù)等內(nèi)容，其穩(wěn)定性方法也是研究的關(guān)鍵及難點(diǎn)。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的對(duì)象多局限于仿射非線性系統(tǒng)，然而工程上遇到的非線性系統(tǒng)大多都是非仿射的；最后，研究穩(wěn)定性的方法一般是先構(gòu)造一個(gè)自適應(yīng)律，然后再構(gòu)造一個(gè)李雅譜諾夫函數(shù)來(lái)證明自適應(yīng)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，其中如何選擇合適的李雅譜諾夫函數(shù)，現(xiàn)有的研究大多是建立在直覺(jué)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上且針對(duì)具體的對(duì)象進(jìn)行反復(fù)分析而得出的，這樣的試湊方法在實(shí)際工程分析中是很難應(yīng)用的。 4 未來(lái)展望 控制技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，已經(jīng)擁有了較為成熟的體系，PID 控制

13、等方法足以解決大量的控制問(wèn)題，然而對(duì)于飛行控制系統(tǒng)，由于其具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)安全性和穩(wěn)定性要求也相對(duì)較高，因此傳統(tǒng)控制方法并不能完全滿(mǎn)足人們對(duì)飛行控制系統(tǒng)的要求，非經(jīng)典控制方法目前也仍然處于探索之中，仍然存在著大量的控制問(wèn)題亟待解決。 （1）非線性問(wèn)題 飛控系統(tǒng)是典型的復(fù)雜工程系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的元部件很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；飛行控制系統(tǒng)具有很大的不確定性和時(shí)變性；此外，飛控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性，然而現(xiàn)有的研究方法，大多都是針對(duì)線性系統(tǒng)而進(jìn)行研究，并且方法大多都很大程度上依賴(lài)于數(shù)學(xué)模型，對(duì)于強(qiáng)非線性系統(tǒng)，目前仍然缺乏一般性的故障診斷與容錯(cuò)控制的方法。 國(guó)際上的自修復(fù)控制方法常采用基于線性化模型方法、模

14、型跟隨自適應(yīng)方法等，但是因?yàn)樾_動(dòng)線性化模型不能正確描述嚴(yán)重非線性而缺乏實(shí)用性。各國(guó)學(xué)者仍在積極探索解決非線性問(wèn)題的方法。秦濱與韓志剛在1997 年提出了一種模型未知的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)線性逼近方法，在較弱的條件下給出MIMO 非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)線性化模型及相應(yīng)的控制律，利用帶遺忘因子的最小二乘法估計(jì)來(lái)得到自適應(yīng)控制律，并且證明了其收斂性。黃衛(wèi)和柴干在2001 年提出了使用模型參考自修復(fù)的方法，根據(jù)參考模型與被控模型狀態(tài)變量之間 的運(yùn)動(dòng)偏差來(lái)及時(shí)改變控制輸入進(jìn)行消除偏差，這樣就不需要進(jìn)行線性化和故障識(shí)別。王濤和佟紹成在2003 年提出了一種針對(duì)單輸入單輸出的非線性不確定系統(tǒng)的直接自適應(yīng)模

15、糊輸出反饋控制算法，可以不需要系統(tǒng)狀態(tài)變量可測(cè)，而是通過(guò)觀測(cè)器來(lái)獲得估計(jì)值。盡管在非線性方面已經(jīng)做出了大量的研究，并且得到了多種針對(duì)非線性的控制方法，但是仍然缺乏具有一般性的方法，這也成為未來(lái)需要研究的重點(diǎn)方向。 （2）非經(jīng)典控制方法的實(shí)用性問(wèn)題及發(fā)展方向 健全的經(jīng)典控制技術(shù)在當(dāng)前的應(yīng)用中仍在繼續(xù)廣泛使用，然而近些年來(lái)人們正在廣泛的研究各種非經(jīng)典方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。遺憾的是由于智能控制方法的研究相對(duì)滯后，缺乏一些重要的理論問(wèn)題的研究穩(wěn)定性判據(jù)等內(nèi)容。未來(lái)的研究方向不僅僅是探索具有一般性的有效的穩(wěn)定性判據(jù)等重要的理論研究，還可以探索一些諸如經(jīng)典控制與非經(jīng)典控制新舊結(jié)合的新領(lǐng)域，比如使用卡爾曼濾

16、波器來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。 6結(jié)論 隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)飛行安全性和可靠性的要求越來(lái)越高，重構(gòu)功能正在逐漸成為飛行控制系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)功能，同時(shí)重構(gòu)控制也正在向著自適應(yīng)和智能化的方向發(fā)展。然就當(dāng)今的研究成果來(lái)看，重構(gòu)控制技術(shù)以及智能控制技術(shù)在飛行控制方面還存在著一定的缺陷與不足，其應(yīng)用仍然更多的停留在設(shè)計(jì)與仿真中，距離大面積的實(shí)際應(yīng)用仍有較大的距離，因此目前來(lái)看，重構(gòu)控制技術(shù)與智能控制技術(shù)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿εc光明可觀的發(fā)展前景。對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，由于非線性方面的研究對(duì)于個(gè)人的數(shù)學(xué)水平與整體學(xué)術(shù)深入要求較高，故非線性理論研究并不是很適合于作為研究生期間的研究方向，而一些較為新穎的方法，例如經(jīng)典與非經(jīng)典控制方法的結(jié)合方面，或許值得進(jìn)行一番探索，但是由于現(xiàn)在對(duì)課題研究較淺，該目標(biāo)是否合適，目前來(lái)看難以定論。