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文档简介
自适应控制,AdaptiveControl,Cybernetics:ortheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine,EngineeringCybernetics,控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士四十年代提出了控制论的基本思想后,不少工程师和数学博士曾寻找通往这座理论顶峰的道路,但均半途而废。工程师偏重于实践,解决具体问题,不善于上升到理论高度、数学家则擅长理论分析,却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两个优势于一身,高超地将两只轮子装到一辆战车上,碾出了工程控制论研究的一条新途径。,我们可以毫不含糊地说,从科学理论地角度来看,20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论,也许可以称它们为三项科学革命,是人类认识客观世界的三大飞越。,“勇气”号在火星工作的英姿,“勇气”号火星探测器前景动画,火星探测器登陆火星示意图,“嫦娥一号”卫星模拟图,“深度撞击”撞击器,人类首次“炮轰”彗星-坦普尔1号彗星,自动控制理论的研究内容,经典控制理论(传递函数,SISO,LTI),现代控制理论(状态空间,MIMO,时变),H控制、最优控制、非线性系统控制、自适应控制、分布参数控制、离散事件动态系统等等,ASME1985RufusOldenburgerIFAC1987GiorgioQuazza,(AmericanSocietyofMechanicalEngineers),(InternationalFederationofAutomaticControl),讲授内容,第一章自适应控制以及其应用背景概述,第二章实时估计(real-timeestimation),第三章自校正调节器(self-tuningregulators,STR),第四章模型参考自适应系统(model-referenceadaptivesystems,MRAS),第五章自适应系统的特性稳定性stability收敛性convergence鲁棒性robustness,第六章自动整定(auto-tuning),第七章增益调度(gain-scheduling),第八章鲁棒高增益(robusthigh-gain)控制自振荡(self-oscillating)控制器,第九章实现问题(implementation),第十章应用概况及展望,MATLAB系统仿真软件,例1:线性代数问题的计算机求解金庸作品中经常提到的一个“数学问题”:如何生成一个33矩阵,并将19分别置成这个矩阵的9个元素,使得每一行,每一列,主、反对角线元素相加都相同。,魔方矩阵,magic(3)ans=816357492,九宫之义,法以灵龟,二四为肩,六八为足,左三右七,戴九履一,五居中央492357816,magic(9)ans=475869801122334455768799112233444667788102132435456777182031425355666171930415263657616272940516264755262839506172744153638496071733142537485970812132435,例2:常微分方程的解,求解常微分方程是一般连续系统仿真的基础,Lorenz方程是一个著名的混沌问题,其数学描述如下:,若令初始条件,functionexamp1t,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、分形系统仿真Mandelbrot图,第一章自适应控制概述(IntroductionofAdaptiveControl),1.1引言,自适应控制器:能修正自己的特性以响应过程和扰动的动力学特性的变化。,自适应:改变行为或习性以适应新的环境。,自适应控制与常规反馈控制的区别?,1973基于自组织控制(self-organizingcontrol,SOC)系统,参数自适应SOC,性能自适应SOC以及学习控制系统,1961自适应系统是按照某种自适应观点设计的任何一种物理系统。,一个有意义的自适应控制的定义应能着眼于控制器的硬件和软件,并且能判断它是否是自适应的。,自适应控制器是具有可调参数以及调整参数机理的控制器。,自适应控制发展简史,50年代高性能飞机的自动驾驶仪60年代状态空间理论、稳定性理论、随机控制理论(stochasticcontroltheory)、动态规划(dynamicprogramming)、系统辨识(systemidentification)Tsypkin70年代末80年代初稳定性证明80年代商业用途的自适应控制器,自适应控制的研究对象:具有某种不确定性,系统外部:扰动,系统内部:模型的结构和参数,自适应控制所要解决的问题:,面对客观存在的各式各样的不确定性,如何设计适当的控制作用,使得某一指定的性能指标达到并且保持或接近最优。,1、确定性最优控制问题,三个矩阵中的参数相量是已知的;,是时间k的确定性函数;,系统的初始条件也是已知的。,在已知对象模型和扰动模型的条件下,设计一个控制序列,使某一指定的性能指标函数达到最小;,2、随机最优控制问题,三个矩阵中的参数相量是已知的;,是统计特性已知的随机序列;,系统的初始条件是统计特性已知的随机相量。,在已知对象模型和扰动模型的条件下,设计一个控制序列,使得总代价的数学期望最小;,3、自适应控制问题,三个矩阵中的参数相量是未知的;,是统计特性未知的随机序列;,系统的初始条件是统计特性未知的随机相量。,在对象模型和扰动模型不完全确定的条件下,设计一个控制序列,使得指定的性能指标尽可能地接近和保持最优;,4、智能控制问题,不借助基于数学模型的方法,而是借助人工智能学科,如专家系统;,1.2线性反馈,1、鲁棒高增益控制,例1.1不同的开环响应,例1.2相同的开环响应,例1.3具有未知符号的积分器,1.3过程变化的机理及对系统性能的影响,非线性执行器(nonlinearactuator),例1.4非线性阀(nonlinearvalve),流量和速度变化(flowandspeedvariations),例1.5浓度控制(concentrationcontrol),若令,飞行控制(flightcontrol),例1.6飞机的短期动力学特性(short-periodaircraftdynamics),扰动特性的变化(variationindisturbancecharacteristics),例1.7船舶驾驶(shipsteering),1.4自适应方案(adaptiveschemes),1、增益调度(gain-scheduling),2、模型参考自适应系统MRAS(model-referenceadaptivesystem),3、自校正调节器STR(self-tuningregulators),确定性等价原理(certaintyequivalenceprinciple),4、对偶控制(dualcontrol),随机自适应控制,非线性随机控制理论,1.5自适应控制问题,过程描述(processdescriptions),微分算子(differentialoperator),前移算子(forwardshiftoperator),控制器结构(controllerstructure),例1.9状态反馈增益的调整,例1.10一般的控制器,例1.11摩擦补偿器(frictioncompensator)的调整,设计自适应控制器的步骤,描述闭环系统的期望特性,确定具有可调参数的合适控制律,找到调整参数的机理(机制),实施控制律,1.6应用,60年代初70年代初探索试验阶段,70年代初80年代初工业试验阶段,80年代以后产品商业化阶段,哈勃望远镜指向控制,哈勃望远镜捕捉到“黑眼”星系照片,哈勃望远镜观察到神秘星体,工业自适应控制器,1981美国Leeds和Northrup自校正方案的PID控制器,1982瑞典AseaBrownBoveri通用自适应调节器,1984瑞典SattContro小型DDC包含PID自动整定,1986瑞典SattContro具有自动整定技术的单回路控制器,自适应控制的理论,稳定性,自适应控制系统的稳定性是指系统的状态、输入、输出和参数等变量,在干扰的作用下,应当总是有界的。,BIBO(boundedinputboundedoutput),稳定性理论是研究MRAS的主要理论基础,大多数MRAS在分析其稳定性时,都可以归结为研究一个误差模型。这个误差模型由一个线性系统和一个非线性反馈环节所组成。,如果误差模型的线性部分的传递函数是严格正实的
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