第5章 自适应控制概论

1、第5章 自适应控制概论 5.1 什么是自适应控制系统 5.1.1 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）最优化原则第2部分 自适应控制图5.1.1 常规反馈控制系统原理框图 5.1.2 常规反馈控制系统 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 5.1.3 什么是“自适应控制”图5.1.2 自适应控制系统原理框图 1)控制器可调 2)增加了自适应回路 3)适用对象 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(8.1.1

2、6)和(8.1.17)式； (b)解(8.1.16)和(8.1.17)式,得 和 ,进而由 (8.1.18)和(8.1.19)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。 5.2 为什么需要自适应控制 5.2.1 常规控制不能满足某些问题的要求图5.2.1 具有非线性阀的常规反馈系统原理框图程序程序ex5_2_1.mdlex5_2_1.mdl图5.2.2 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 5.2.2 什么时候用自适应控制程序程序ex5_2_3.mdlex5_2_3.mdl程序程序ex5_2_4.mdlex5_2_4.mdl研究对象：具有不确定性

3、的系统研究对象：具有不确定性的系统 被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的 自适应控制器自适应控制器：通过：通过及时修正自己的特性以适应对象和扰及时修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性变化动的动态特性变化，使整个控制系统始终获得满意的性能。，使整个控制系统始终获得满意的性能。 生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性，例如：变色龙以适应新的环境特性，例如：变色龙 自适应控制的特点：自适应控制的特点： 研究具有不确定性的对象或难以确知的对象研究具有不确定性的对象或难以确知的对象 能消除

4、系统结构扰动引起的系统误差能消除系统结构扰动引起的系统误差 对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识 自适应控制是较为复杂的反馈控制自适应控制是较为复杂的反馈控制 5.3 自适应控制的方案 5.3.1 增益程序(调度)控制(Gain Scheduling)图5.3.1 增益程序（调度）控制原理框图 5.3.2 模型参考自适应控制系统MRACS (Model Reference Adaptive Control System)图5.3.2 模型参考自适应控制系统MRACS原理框图在参考模型始终具有期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过在参考模型始终具有

5、期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过程中，力求保持被控过程的响应特性与参考模型的动态性能一致。程中，力求保持被控过程的响应特性与参考模型的动态性能一致。 模型参考自适应控制系统MRACS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。 模型参考自适应控制系统MRACS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。5.3.3 自校正控制STC (Self

6、-Tuning Control)图5.3.3 自校正控制系统STC原理框图通过采集的过程输入、输出信息，实现过程模型的在线辨识和参通过采集的过程输入、输出信息，实现过程模型的在线辨识和参数估计。在获得的过程模型或估计参数的基础上，按照一定的性数估计。在获得的过程模型或估计参数的基础上，按照一定的性能优化准则，计算控制参数，使得闭环系统能够达到最优的控制能优化准则，计算控制参数，使得闭环系统能够达到最优的控制品质。品质。 值得注意的是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

7、希望的闭环系统性能。 自校正控制STC与模型参考自适应控制MRACS的关系表现在： 都有两个回路：内回路常规控制；外回路自适应； MRACS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MRACS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。 5.3.4 自整定PID (PID Auto-tuner) 5.4 自适应控制的设计和理论问题 5.4.1 对控制器设计的基本要求 5.4.2 自适应控制器设计的主要内容 5.4.3 对自适应控制的理解及主要理论问题 （1）随机最优控制 设被控过程的数学模型用随机离散-时间方程表示为： 根据随机最优控制理论，要求出一个控制律使得它最小化下列损失函数：J=EJ (8.4.3) 当前的研究结果仅能对特定的控制系统求解，即(8.4.1)，(8.4.2)满足条件： G1,G2都是线性函数； I是二次型目标函数； v,都是高斯分布的随机向量序列。 （2）对自适应控制的理解 根据上述