自適應(yīng)控制第1章

自適應(yīng)控制AdaptiveControl★《Cybernetics：ortheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine》

★《EngineeringCybernetics》

控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士四十年代提出了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決具體問題，不善于上升到理論高度、數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)理論分析，卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問題。錢學(xué)森則集中兩個(gè)優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑?！覀兛梢院敛缓卣f(shuō)，從科學(xué)理論地角度來(lái)看，20世紀(jì)上半葉的三大偉績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛越。“勇氣”號(hào)在火星工作的英姿“勇氣”號(hào)火星探測(cè)器前景動(dòng)畫火星探測(cè)器登陸火星示意圖“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星模擬圖“深度撞擊”撞擊器

人類首次“炮轟”彗星---坦普爾1號(hào)彗星

自動(dòng)控制理論的研究?jī)?nèi)容

經(jīng)典控制理論（傳遞函數(shù)，SISO，LTI）

現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間，MIMO，時(shí)變）H∞控制、最優(yōu)控制、非線性系統(tǒng)控制、自適應(yīng)控制、分布參數(shù)控制、離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等等ASME1985RufusOldenburgerIFAC1987GiorgioQuazza(AmericanSocietyofMechanicalEngineers)(InternationalFederationofAutomaticControl)講授內(nèi)容第一章自適應(yīng)控制以及其應(yīng)用背景概述第二章實(shí)時(shí)估計(jì)（real-timeestimation）第三章自校正調(diào)節(jié)器（self-tuningregulators，STR）第四章模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（model-referenceadaptivesystems,MRAS）第五章自適應(yīng)系統(tǒng)的特性

☆穩(wěn)定性stability

☆

收斂性convergence

☆

魯棒性robustness第六章自動(dòng)整定（auto-tuning）第七章增益調(diào)度（gain-scheduling）第八章魯棒高增益（robusthigh-gain）控制自振蕩（self-oscillating）控制器第九章實(shí)現(xiàn)問題（implementation）第十章應(yīng)用概況及展望MATLAB系統(tǒng)仿真軟件例1：線性代數(shù)問題的計(jì)算機(jī)求解金庸作品中經(jīng)常提到的一個(gè)“數(shù)學(xué)問題”：如何生成一個(gè)3×3矩陣，并將1－9分別置成這個(gè)矩陣的9個(gè)元素，使得每一行，每一列，主、反對(duì)角線元素相加都相同。魔方矩陣magic(3)ans=816357492九宮之義，法以靈龜，二四為肩，六八為足，左三右七，戴九履一，五居中央

492357816magic(9)ans=475869801122334455768799112233444667788102132435456777182031425355666171930415263657616272940516264755262839506172744153638496071733142537485970812132435例2：常微分方程的解求解常微分方程是一般連續(xù)系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，Lorenz方程是一個(gè)著名的混沌問題，其數(shù)學(xué)描述如下：若令初始條件functionexamp1[t,y]=ode45(@lorenzeq,[0,100],[0;0;1e-10]);plot3(y(:,1),y(:,2),y(:,3))axis([1042-2020-2028]);functionxdot=lorenzeq(t,x)xdot=[-8/3*x(1)+x(2)*x(3);-10*x(2)+10*x(3);-x(1)*x(2)+28*x(2)-x(3)];3、分形系統(tǒng)仿真Mandelbrot圖第一章自適應(yīng)控制概述（IntroductionofAdaptiveControl）1.1引言自適應(yīng)控制器：能修正自己的特性以響應(yīng)過(guò)程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性的變化。

自適應(yīng)：改變行為或習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境。自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制的區(qū)別？1973基于自組織控制（self-organizingcontrol,SOC）系統(tǒng)，參數(shù)自適應(yīng)SOC,性能自適應(yīng)SOC以及學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)1961自適應(yīng)系統(tǒng)是按照某種自適應(yīng)觀點(diǎn)設(shè)計(jì)的任何一種物理系統(tǒng)。一個(gè)有意義的自適應(yīng)控制的定義應(yīng)能著眼于控制器的硬件和軟件，并且能判斷它是否是自適應(yīng)的。自適應(yīng)控制器是具有可調(diào)參數(shù)以及調(diào)整參數(shù)機(jī)理的控制器。自適應(yīng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史

50年代高性能飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀

60年代狀態(tài)空間理論、穩(wěn)定性理論、隨機(jī)控制理論（stochasticcontroltheory）、動(dòng)態(tài)規(guī)劃（dynamicprogramming）、系統(tǒng)辨識(shí)（systemidentification）

Tsypkin

70年代末－80年代初穩(wěn)定性證明

80年代商業(yè)用途的自適應(yīng)控制器

自適應(yīng)控制的研究對(duì)象：具有某種不確定性

系統(tǒng)外部：擾動(dòng)

系統(tǒng)內(nèi)部：模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

自適應(yīng)控制所要解決的問題：面對(duì)客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫沟媚骋恢付ǖ男阅苤笜?biāo)達(dá)到并且保持或接近最優(yōu)。1、確定性最優(yōu)控制問題三個(gè)矩陣中的參數(shù)相量是已知的；是時(shí)間k的確定性函數(shù)；系統(tǒng)的初始條件也是已知的。在已知對(duì)象模型和擾動(dòng)模型的條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)控制序列，使某一指定的性能指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最?。?、隨機(jī)最優(yōu)控制問題三個(gè)矩陣中的參數(shù)相量是已知的；是統(tǒng)計(jì)特性已知的隨機(jī)序列；系統(tǒng)的初始條件是統(tǒng)計(jì)特性已知的隨機(jī)相量。在已知對(duì)象模型和擾動(dòng)模型的條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)控制序列，使得總代價(jià)的數(shù)學(xué)期望最?。?、自適應(yīng)控制問題三個(gè)矩陣中的參數(shù)相量是未知的；是統(tǒng)計(jì)特性未知的隨機(jī)序列；系統(tǒng)的初始條件是統(tǒng)計(jì)特性未知的隨機(jī)相量。在對(duì)象模型和擾動(dòng)模型不完全確定的條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)控制序列，使得指定的性能指標(biāo)盡可能地接近和保持最優(yōu)；4、智能控制問題不借助基于數(shù)學(xué)模型的方法，而是借助人工智能學(xué)科，如專家系統(tǒng)；1.2線性反饋

1、魯棒高增益控制例1.1不同的開環(huán)響應(yīng)例1.2相同的開環(huán)響應(yīng)例1.3具有未知符號(hào)的積分器1.3過(guò)程變化的機(jī)理及對(duì)系統(tǒng)性能的影響

非線性執(zhí)行器（nonlinearactuator）例1.4非線性閥（nonlinearvalve）流量和速度變化（flowandspeedvariations）例1.5濃度控制（concentrationcontrol）若令飛行控制（flightcontrol）例1.6飛機(jī)的短期動(dòng)力學(xué)特性（short-periodaircraftdynamics）擾動(dòng)特性的變化（variationindisturbancecharacteristics）例1.7船舶駕駛（shipsteering）1.4自適應(yīng)方案（adaptiveschemes）1、增益調(diào)度（gain-scheduling）2、模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)MRAS（model-referenceadaptivesystem）3、自校正調(diào)節(jié)器STR（self-tuningregulators）確定性等價(jià)原理（certaintyequivalenceprinciple）4、對(duì)偶控制（dualcontrol）隨機(jī)自適應(yīng)控制非線性隨機(jī)控制理論1.5自適應(yīng)控制問題過(guò)程描述（processdescriptions）微分算子（differentialoperator）前移算子（forwardshiftoperator）控制器結(jié)構(gòu)（controllerstructure）例1.9狀態(tài)反饋增益的調(diào)整例1.10一般的控制器例1.11摩擦補(bǔ)償器（frictioncompensator）的調(diào)整設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器的步驟▽描述閉環(huán)系統(tǒng)的期望特性▽確定具有可調(diào)參數(shù)的合適控制律▽找到調(diào)整參數(shù)的機(jī)理（機(jī)制）▽實(shí)施控制律1.6應(yīng)用60年代初—70年代初探索試驗(yàn)階段70年代初—80年代初工業(yè)試驗(yàn)階段80年代以后—產(chǎn)品商業(yè)化階段哈勃望遠(yuǎn)鏡指向控制哈勃望遠(yuǎn)鏡捕捉到“黑眼”星系照片哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到神秘星體工業(yè)自適應(yīng)控制器1981美國(guó)Leeds和Northrup

自校正方案的PID控制器1982瑞典AseaBrownBoveri

通用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器1984瑞典SattContro

小型DDC包含PID自動(dòng)整定1986瑞典SattContro

具有自動(dòng)整定技術(shù)的單回路控制器自適應(yīng)控制的理論穩(wěn)定性自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入、輸出和參數(shù)等變量，在干擾的作用下，應(yīng)當(dāng)總是有界的。BIBO（boundedinputboundedoutput）穩(wěn)定性理論是研究MRAS的主要理論基礎(chǔ)大多數(shù)MRAS在分析其穩(wěn)定性時(shí)，都可以歸結(jié)為研究一個(gè)誤差模型。這個(gè)誤差模型由一個(gè)線性系統(tǒng)