自适应控制第3章.ppt

1 第2部分自适应控制 2 常见名词中英文对照 GainSchedulingAuto tuningSelf tuningSelf tuningregulatorSelf tuningcontrollerModelReferenceAdaptiveSystemStochasticAdaptiveControl 增益调度自动整定自整定 自校正 自校正调节器自校正控制器模型参考自适应系统 MRAS随机自适应控制 3 第3章自适应控制概论 3 1什么是自适应控制系统3 1 1系统与控制在运用系统理论分析研究各种现实问题过程中 一般遵循4条基本原则 1 整体性原则2 结构功能原则3 目的性原则4 最优化原则 4 图3 1 1常规反馈控制系统原理框图 控制器是固定的 已知数学模型 有一定的克服对象特性变化的能力 3 1 2常规反馈控制系统 5 3 1 1 3 1 2 3 1 3 例 加热炉温度控制系统 单位时间内流出炉子的热量 单位时间内流入炉子的热量 6 3 1 8 3 1 9 3 1 10 3 1 11 3 1 12 3 1 13 控制目标是使闭环系统的理想传函为 控制器结构PI 控制系统开环传函 取 则 闭环传函 7 3 1 3什么是 自适应控制 图3 1 2自适应控制系统原理框图 3 1 14 比较 与 得 8 1 控制器可调 2 增加了自适应回路3 适用对象 3 1 15 3 1 16 3 1 17 3 1 18 3 1 19 加热炉温度自适应控制 9 计算机控制的过程 a 开机 施加一定的控制 恒值PI 或手动控制 检测u ih 和y ih 以构造 3 1 16 和 3 1 17 式 b 解 3 1 16 和 3 1 17 式 得和 进而由 3 1 18 和 3 1 19 式获得控制器参数Ti和K c 将控制器参数调整为Ti和K 并投入运行 为跟踪对象特性变化 可用以后的数据求TP KP 求出新的控制器参数 进行调整 10 图3 2 1具有非线性阀的常规反馈系统原理框图 3 2为什么需要自适应控制3 2 1常规控制不能满足某些问题的要求 3 2 1 例 非线性阀的影响 在某一稳态运行点线性化系统后发现 系统回路增益正比于f u 所以系统在一运行点工作良好 在另一工作点很差 11 图3 2 2具有非线性阀的常规反馈系统在不同工作点的阶跃响应特性 12 3 2 2什么时候用自适应控制 3 2 2 3 2 3 例3 2 1开环传递函数 例3 2 2开环传递函数 知道剪切频率附近的频率响应特性 判断过程参数变化对闭环系统性能影响 选择控制方案 剪切频率特性相近无需自适应方案 13 3 3自适应控制的方案 3 3 1增益程序 调度 控制 GainScheduling 图3 3 1增益程序 调度 控制原理框图 与飞行控制系统发展密切联系 最初用于适应过程增益变化 14 增益程序 调度 控制是一种开环的补偿 在一个反馈控制系统中 反馈的增益用前馈补偿来调节 由于没有闭环系统性能的反馈 因而无法补偿错误的调度或不正常的情况 优点 适应过程快 反应快 可使反馈系统迅速响应过程的变化缺点 设计费时 参数调节方案需在各种工况下一一调试决定 能否称为自适应控制尚有争论 15 3 3 2模型参考自适应控制系统MRAS ModelReferenceAdaptiveControlSystem 图3 3 2模型参考自适应控制系统MRAS原理框图 基本思想 使过程输出与某个模型的输出一致参考模型体现了设计的指标 是控制系统的一部分 16 模型参考自适应控制系统MRAS的主要特点 通过输出误差信号e e y0 y 可以直接表达控制的性能和质量 自适应机构不是明显地去获得控制u驱动被控过程 而是通过获得一组控制器可调参数去驱动 设计主要针对输出跟踪问题 17 模型参考自适应控制系统MRAS的主要优缺点 优点 通常用模拟元件实现 速度快 实用价值明显 缺点 理论基础尚不完善 假设条件太强 考虑稳定性的方法很多 但不明确哪种更好 18 3 3 3自校正控制STC Self TuningControl 图3 3 3自校正控制系统STC原理框图 最早kalman1958年提出 主要发展1973年后 计算机技术发展 austrom突破性贡献 19 自校正控制的主要特点 这种系统的过程建模和控制设计都可视为自动化的 过程模型和控制设计在每个采样周期中都要更新一次 强调这种控制器能自己校正自己的参数 以得到希望的闭环系统性能 20 自校正控制一般用于恒值调节 从设计方法上看 研究调节器设计是对已知系统的控制设计问题 各种方法有不同特点 另一方面 参数估计方法很多 二者结合 产生多种多样的STC方案 自校正控制算法简单 用离散时间模型 将大量计算分步递推完成 有工程实用价值 缺点 对简单被控过程有效 某些情况下 算法不能收敛于正确的控制律 收敛问题 参数估计收敛时 STC渐近收敛 但收敛速度未研究 理论结论不够完整 稳定性证明在理想条件下获得 21 自校正控制STC与模型参考自适应控制MRAS的关系 都有两个回路 内回路 常规控制 外回路 自适应 MRAS源于确定性的伺服问题 STC源于随机调节问题 内环外环的设计方法不同 如MRAS中调节器参数是直接更新 而STC中调节器参数是经由参数估计和控制设计计算间接更新 22 3 3 4自整定PID PIDAuto tuner PID控制器简单 直观 控制性能和鲁棒性良好 在工业领域应用广泛 目前大多数工业控制回路采用PID控制 现场控制工程师对PID控制器非常熟悉 在参数整定方面积累大量经验 很多自适应技术都能用于自整定PID控制器 采用的基本思路和方法 以试验信号加经验法则的传统PID整定方法为基础 结合计算机自动整定的功能需求加以改进形成 易为现场控制工程师熟悉掌握 以自校正控制算法为基础 通过在线辨识实现PID控制器参数的自校正 直观性稍差 23 3 4自适应控制的设计和理论问题 3 4 1对控制器设计的基本要求 稳定性 输入 输出及状态的有界性 在线辨识算法的收敛性 控制算法的收敛性动态性能 调节跟踪性能 调节性能 针对恒值控制系统 上升时间 稳定时间 超调量 跟踪性能 随动系统 再现预期输出的能力鲁棒性 抗干扰能力 大范围对象变化和噪声干扰下 保证闭环系统稳定经济性 考虑经济性和系统性能的折中 24 3 4自适应控制的设计和理论问题 3 4 2自适应控制器设计的主要内容明确性能指标 闭环响应特性或设计规范的描述 例MRAS 性能描述表达为参考模型的具体结构和参数 选择具有可调参数的控制律选择基于测量的参数更新方法 系统辨识算法控制律的实现方法 硬件 软件 结合 25 线性最优控制系统 1 最优控制对象与环境确定 精确的数学模型控制要求 性能指标描述控制作用 对性能指标求极值 最优控制律 这是一种系统而精确的设计方法 3 4 3对自适应控制的理解及主要理论问题 26 线性最优控制系统 2 例 典型的线性系统初始条件 性能指标泛函为二次型 其中Q与R连续 对称 Q半正定 R正定 则该问题的解析解 P t 为Riccati方程的解 27 实际系统中的不确定性 实际的动态过程常存在 不确定性 1 随机扰动输入 2 量测噪声 3 系统模型结构与参数的不确定性随机最优控制考虑了 1 2 对系统的影响 却对 3 无能为力 确定性控制与随机控制的重要区别之一 开环与闭环的等价问题 前者是等价的 28 随机最优控制系统 1 设系统的状态方程和量测方程为噪声w k v k 和状态初值x 0 的统计性质已知 29 随机最优控制系统 2 性能指标函数为其中的y k x k 均为向量 Q1 k 0 Q2 k 0 Q0 k 0 30 随机最优控制系统 3 随机最优问题满足状态方程和关于 w k v k x 0 的统计特性的条件下 找出使性能指标成立的控制律u k u y k k 一般情况下 某些状态不能直接量测到 需要先对状态进行状态估计 再求出相应的控制律 31 随机最优控制系统 4 如果系统是线性的 指标是二次型的 w k 与 v k 是高斯分布的情况 则称之为LQG问题 此时其中 S k 是相应的Riccati方程的解 Q2 k 为权矩阵 32 最优控制与自适应控制 1 最优控制在对象模型 干扰统计特性已知情况下 设计最优控制律 一旦设计完成 在实际控制过程中不再改变 33 最优控制与自适应控制 2 自适应控制 研究对象是不确定的系统 模型结构与参数未知或时变 干扰随机与突发 统计特性未知设计最优控制律 需要根据系统运行的信息 应用在线辨识 使模型逐步完善 控制律亦不断得到改进 最优控制与自适应控制的相同点 基于模型和性能指标 综合出最优控制律 34 自适应控制系统基本特点 在线辨识对象模型 结构与参数 综合最优控制律 以达到期望性能指标 自动修正控制器参数即通过在线辨识获得自适应能力 35 2 对自适应控制的理解根据上述讨论 对自适应控制可以有如下的基本认识 3 自适应控制的理论问题 稳定性 对控制系统的基本要求 稳定性理论是研究设计模型参考自适应系统的主要理论基础 自适应控制本质上是一类非线性系统 局部稳定即可 参数收敛性 自校正控制依赖于参数在线辨识 参数递推估计的收敛需系统持续激励