自適應(yīng)控制的分類_自適應(yīng)控制的主要類型

什么是自適應(yīng)控制

1、自適應(yīng)控制所討論的對(duì)象，一般是指對(duì)象的結(jié)構(gòu)已知，僅僅是參數(shù)未知，而且采用的控制方法仍是基于數(shù)學(xué)模型的方法。

2、但實(shí)踐中我們還會(huì)遇到結(jié)構(gòu)和參數(shù)都未知的對(duì)象，比如一些運(yùn)行機(jī)理特別復(fù)雜，目前尚未被人們充分理解的對(duì)象，不可能建立有效的數(shù)學(xué)模型，因而無法沿用基于數(shù)學(xué)模型的方法解決其控制問題，這時(shí)需要借助人工智能學(xué)科，也就是智能控制。

3、自適應(yīng)控制與常規(guī)的控制與最優(yōu)控制一樣，是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法。

4、自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型的和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型愈來愈準(zhǔn)確。

5、常規(guī)的反饋控制具有一定的魯棒性，但是由于控制器參數(shù)是固定的，當(dāng)不確定性很大時(shí)，系統(tǒng)的性能會(huì)大幅下降，甚至失穩(wěn)。

自適應(yīng)控制的原理框圖

自適應(yīng)控制的分類

自從50年代末由美國麻省理工學(xué)院提出第一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來，先后出現(xiàn)過許多不同形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。比較成熟的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有下述幾大類。

（1） 可變增益自適應(yīng)控制系統(tǒng)

這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)迅速，在許多方面都有應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)節(jié)器按被控過程的參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是當(dāng)被控對(duì)象（或控制過程）的參數(shù)因工作狀態(tài)或環(huán)境情況的變化而變化時(shí)，通過能夠測量到的某些變量，經(jīng)過計(jì)算而按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益，以使系統(tǒng)保持較好的運(yùn)行性能。另外在某些具有非線性校正裝置和變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)器本身對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不靈敏。采用此種自適應(yīng)控制方案往往能去的較滿意的效果。

（2） 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System，簡稱MRAS）

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對(duì)象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖2所示

設(shè)計(jì)這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的核心問題是如何綜合自適應(yīng)調(diào)整律，即自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所應(yīng)遵循的算法。關(guān)于自適應(yīng)調(diào)整律的設(shè)計(jì)目前存在兩類不同的方法。其中一種稱為局部參數(shù)最優(yōu)化地方法，即利用梯度或其他參數(shù)優(yōu)化的第推算法，求得一組控制器的參數(shù)，使得某個(gè)預(yù)定的性能指標(biāo)，如J=∫e2（t）dt，達(dá)到最小。最早的MIT自適應(yīng)律就是利用這種方法求得的。這種方法的缺點(diǎn)是不能保證參數(shù)調(diào)整過程中，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。自適應(yīng)律的另一種設(shè)計(jì)方法是基于穩(wěn)定性理論的方法，其基本思想是保證控制其參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程是穩(wěn)定的，然后再盡量是這個(gè)過程收斂快一些。由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)是本質(zhì)非線性的，因此這種自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)自然要采用適用于非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定理論。Lyapunov穩(wěn)定性理論和Popov的超穩(wěn)定性理論都是設(shè)計(jì)自適應(yīng)律的有效工具。由于保證系統(tǒng)穩(wěn)定是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求，所以基于穩(wěn)定性理論的設(shè)計(jì)方法引起了更為廣泛的關(guān)注。

（3） 自校正調(diào)節(jié)器（Self-tuning Regulator，簡稱STR）

這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的在線辨識(shí)環(huán)節(jié)，具體地說是加入了一個(gè)對(duì)象參數(shù)的遞推估計(jì)器。由于估計(jì)得是對(duì)象參數(shù)，而調(diào)節(jié)器參數(shù)還要求解一個(gè)設(shè)計(jì)問題方能得出，所以這種自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以用圖3的結(jié)構(gòu)描述。這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)器也可設(shè)想成為內(nèi)環(huán)和外環(huán)來年各個(gè)環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對(duì)象和一個(gè)普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，這個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個(gè)遞推參數(shù)估計(jì)器和一個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)組成。這種系統(tǒng)的過程建模和控制的設(shè)計(jì)都是自動(dòng)進(jìn)行，每個(gè)采樣周期都要更新一次。這種結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制器稱為自校正調(diào)節(jié)器，采用這個(gè)名稱為的是強(qiáng)調(diào)調(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正自己的參數(shù)，已得到希望的閉環(huán)性能。

（4） 自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)

自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)搜索和保持系統(tǒng)輸出位于極值狀態(tài)的控制系統(tǒng)。先前這種系統(tǒng)稱為極值控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，受控系統(tǒng)的輸入—輸出特性至少有一個(gè)代表最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)的極值點(diǎn)或其他形式的非線性特性。因此，受控對(duì)象是非線性的。如果極值特性在運(yùn)行過程中不發(fā)生變化，則可通過分析和試驗(yàn)找到一個(gè)能使系統(tǒng)工作在極值位置的固定控制量，這時(shí)由常規(guī)控制便可保持最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。不過，許多工業(yè)對(duì)象的極值特性在運(yùn)行中都或多或少會(huì)發(fā)生漂移，因而無法采用常規(guī)控制策賂。對(duì)于這類受控系統(tǒng)，采用自尋最優(yōu)控制策略便可自動(dòng)保持極值運(yùn)行狀態(tài)，使運(yùn)行狀態(tài)的梯度為零。

此外，自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)還具有易于理解和實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以它在工業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用。

（5） 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

這是一類按行為科學(xué)進(jìn)行處理的控制系統(tǒng)，它比上述各類自適應(yīng)控制系統(tǒng)都更加復(fù)雜。這種系統(tǒng)的先驗(yàn)信息相當(dāng)缺乏，為了保證有效的工作，它一般應(yīng)具有識(shí)別、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。由IEEE的“自適應(yīng)學(xué)習(xí)和模式識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)與定義小組委員會(huì)”提出的定義如下：

定義（學(xué)習(xí)系統(tǒng)） 一個(gè)系統(tǒng)，如果能對(duì)一個(gè)過程或其環(huán)境的未知特征有關(guān)的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將所得的經(jīng)驗(yàn)用于未來的估計(jì)、分類、決策或控制，以改善系統(tǒng)的性能，則稱此系統(tǒng)為學(xué)習(xí)系統(tǒng)。若一個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)以其學(xué)得的信息用來控制一個(gè)具有未知特征的過程，則稱為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。根據(jù)學(xué)習(xí)時(shí)是否需要接收外部信息，學(xué)習(xí)過程可分為兩類：監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)。在實(shí)際應(yīng)用中，常將兩種學(xué)習(xí)方式組合使用。首先通過監(jiān)督學(xué)習(xí)獲取盡可能多的先驗(yàn)信息，然后改為無監(jiān)督學(xué)習(xí)，以使收到最好的學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)系統(tǒng)的形式有模糊自適應(yīng)控制和專家或智能自適應(yīng)控制。

研究學(xué)習(xí)過程的數(shù)學(xué)方法很多，在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中采用的方法有：采用模式分類器的可訓(xùn)練系統(tǒng)、增量學(xué)習(xí)系統(tǒng)、Bayes估計(jì)、隨機(jī)逼近、自動(dòng)機(jī)模型和語言學(xué)方法等。學(xué)習(xí)系統(tǒng)理論的應(yīng)用不限于控制工程，在計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等領(lǐng)域中也有應(yīng)用。

其他自適應(yīng)控制系統(tǒng)還有混合自適應(yīng)控制、非線性控制對(duì)象自適應(yīng)控制、模糊自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等等。

自適應(yīng)控制的主要類型

自適應(yīng)系統(tǒng)有兩類，一類是模型參考自是要控制系統(tǒng)（model reference adaptive system，MRAS）；另一類是自校正控制系統(tǒng)（self-tuning control system），這類自適應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是在線辨識(shí)對(duì)象數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，進(jìn)而修改控制器的參數(shù)。

1、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)為局部參數(shù)優(yōu)化方法、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和波波夫（Popov）超穩(wěn)定性理論。

2、自校正控制系統(tǒng)

自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

1、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的自校正控制

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在整個(gè)飛行過程中，由于飛行速度和高度的變化，使彈體參數(shù)劇烈變化，嚴(yán)重地影響了控制性能。當(dāng)用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀時(shí)，一般采用舵回路、阻尼回路和加速度回路來減弱參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，但用這種方法不能完全消除參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)彈的控制性能，有必要采用自適應(yīng)控制。

自校正控制是自適應(yīng)控制的一種，它適用于結(jié)構(gòu)已知，但參數(shù)未知而恒定或參數(shù)緩慢變化的系統(tǒng)。采用自校正控制需要辨識(shí)被控系統(tǒng)的參數(shù)，并自動(dòng)校正控制作用，達(dá)到預(yù)期的控制效果。用自校正控制技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀，能夠使被控系統(tǒng)適應(yīng)參數(shù)變化，保持較好的性能。

2、 空間環(huán)境模擬器自適應(yīng)控制

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航天器零部件的可靠性要求越來越高。為了確保航天器在太空可靠遠(yuǎn)行，航天器零部件必須在地面進(jìn)行真空冷熱浸試驗(yàn)、真空交變試驗(yàn)等各種空間環(huán)境模擬試驗(yàn)。空間環(huán)境模擬器就是提供這種條件的一套試驗(yàn)設(shè)備。

由于控制過程的復(fù)雜性和不能對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行事先測定以及在控制過程中希望不要人工干預(yù)等，用PID調(diào)節(jié)器，每做一次環(huán)境模擬試驗(yàn)，都要調(diào)試Kp、Ki、Kd等參數(shù)，非常麻煩，且保證不了過渡過程中超調(diào)調(diào)小于2℃的要求。用一般最佳控制，其狀態(tài)方程的參數(shù)無法確定。用自校正調(diào)節(jié)器，需要知道滯后步數(shù)Ko和一次性測試βo ，而空間環(huán)境模擬器無法事先知道Ko，又無法確定βo，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)和初治狀態(tài)的βo差別很大、自校正調(diào)節(jié)器不適合于過渡過程控制，特別是本系統(tǒng)對(duì)過渡過程超調(diào)的要求很高。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)均告失敗。自校正控制器也因需要試湊控制權(quán)而遇到困難。總之，采用前述的各種方法，都無法衡足實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求。全系數(shù)自適應(yīng)控制方法的提出，就是為了解決這個(gè)問題。

在航海方面瑞典Astrom等人首先在大型油輪上采用了自適應(yīng)控制的自動(dòng)駕駛儀，取代了原有的PID調(diào)節(jié)器的自動(dòng)駕駛儀。實(shí)驗(yàn)證明，自適應(yīng)自動(dòng)駕駛儀能夠在變化復(fù)雜的隨機(jī)環(huán)境（例如，在海浪、潮流、陣風(fēng)的干擾以及在不同載荷不同的航速）下，都能使油輪按照預(yù)定的航跡穩(wěn)定而可靠地航行。并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

在化工過程方面，在鋼鐵和冶金工業(yè)方面許多工藝過程為非線性、非平穩(wěn)的復(fù)雜過程，原材料成份的改變，催化刑的老化和設(shè)備的磨損等，都可能使工藝參數(shù)發(fā)生復(fù)雜而復(fù)雜較大的變化，對(duì)于這類生產(chǎn)過程，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器往往不能很好地適應(yīng)工藝參數(shù)的變化而導(dǎo)致產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定。當(dāng)采用自適應(yīng)控制后，由于調(diào)節(jié)器的參致可以隨工藝參數(shù)的變化而按某種最優(yōu)性能自動(dòng)整定，從而保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量不隨工藝參數(shù)的變化而下降，于是在十多年前即有人提出采用自適應(yīng)控制來代替常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器。目前在板軋機(jī)的厚厚度，帶鋼熱軋機(jī)的張力，水泥的配料造紙等方面都有不同程度的自適應(yīng)控制作用，并取得了較好的效果。

在電力系統(tǒng)方面六十年代即出現(xiàn)對(duì)鍋?zhàn)o(hù)燃燒效率的優(yōu)比控制，且在熱交換器上采用自適應(yīng)控制技術(shù)使控制參數(shù)最優(yōu)地適應(yīng)發(fā)電機(jī)和各種負(fù)荷條件。到了七十年代自適應(yīng)控制技術(shù)在火力發(fā)電站和水力發(fā)電站上的應(yīng)用也獲得了成功，并在原子能電站上進(jìn)行了試驗(yàn)所究。

在電力拖動(dòng)力面，已經(jīng)用自適應(yīng)控制對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置和功率進(jìn)行有效的的控制。目前，有人研究對(duì)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用自適應(yīng)控制以達(dá)到當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中其慣性、負(fù)載力矩、時(shí)間常數(shù)和系統(tǒng)增益在大范同內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)應(yīng)仍可保持在期望值附近的目的。在非化工業(yè)領(lǐng)域中，如社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理、生物、醫(yī)學(xué)等等方面包有了一些探索。近來，宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的隨機(jī)最優(yōu)化問題也引起了人們的注意。

我們完全可以預(yù)測，隨著控制理論和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)控制的應(yīng)用將會(huì)愈來愈廣泛，所獲得的效益會(huì)愈來愈大。