什么是自適應控制

　　自適應控制

　　自適應控制包括模型參考自適應控制和自校正控制兩個分支。前者是20世紀50年代建立起來的，它是通過自適應機構來克服系統模型參數的不確定性；后者是瑞典學者Astrom1973年提出的，它是通過在線估計系統模型參數，進而修改控制器的參數，以使系統適應環境的變化。到70年代末和80年代初，李推普諾夫穩定性理論和軼收斂定理在自適應控制中的成功應用，使得基于穩定性分析的模型參考自適應控制系統的設計得到了蓬勃發展，形成模型參考自適應控制的完整理論體系和設計方法；秋收斂定理由于在研究自校正控制系統的穩定性有獨到之處，使得基于參數估計的自校正控制系統研究取得了突破性進展。

　　自適應控制的概念

　　在反饋控制和最優控制中，都假定被控對象或過程的數學模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實際上在許多工程中，被控對象或過程的數學模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數學模型，在工況和條件改變了以后，其動態參數乃至于模型的結構仍然經常發生變化。 在發生這些問題時，常規控制器不可能得到很好的控制品質。為此，需要設計一種特殊的控制系統，它能夠自動地補償在模型階次、參數和輸入信號方面非預知的變化，這就是自適應控制。

　　自適應控制簡介

　　自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環境的數學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。

　　任何一個實際系統都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現在系統內部，有時表現在系統的外部。從系統內部來講，描述被控對象的數學模型的結構和參數，設計者事先并不一定能準確知道。作為外部環境對系統的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產生的不確定因素進入系統。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設計適當的控制作用，使得某一指定的性能指標達到并保持最優或者近似最優，這就是自適應控制所要研究解決的問題。

　　自適應控制和常規的反饋控制和最優控制一樣，也是一種基于數學模型的控制方法，所不同的只是自適應控制所依據的關于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統的運行過程中去不斷提取有關模型的信息，使模型逐步完善。具體地說，可以依據對象的輸入輸出數據，不斷地辨識模型參數，這個過程稱為系統的在線辯識。隨著生產過程的不斷進行，通過在線辯識，模型會變得越來越準確，越來越接近于實際。

　　既然模型在不斷的改進，顯然，基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷的改進。在這個意義下，控制系統具有一定的適應能力。比如說，當系統在設計階段，由于對象特性的初始信息比較缺乏，系統在剛開始投入運行時可能性能不理想，但是只要經過一段時間的運行，通過在線辯識和控制以后，控制系統逐漸適應，最終將自身調整到一個滿意的工作狀態。再比如某些控制對象，其特性可能在運行過程中要發生較大的變化，但通過在線辯識和改變控制器參數，系統也能逐漸適應。

　　常規的反饋控制系統對于系統內部特性的變化和外部擾動的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數是固定的，所以當系統內部特性變化或者外部擾動的變化幅度很大時，系統的性能常常會大幅度下降，甚至是不穩定。所以對那些對象特性或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經常保持高性能指標的一類系統，采取自適應控制是合適的。但是同時也應當指出，自適應控制比常規反饋控制要復雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規反饋達不到所期望的性能時，才會考慮采用。

　　自適應控制基本原理

　　一、控制過程

　　1、信息采集

　　獲取被控系統（或可調系統） 的輸入輸出及相關狀態信息等。

　　2、在線辨識或性能計算

　　對系統相關參數或狀態進行連續或周期性估計（辨識）；對系統的性能指標進行計算。

　　3、控制決策

　　根據辨識結果與指標要求，確定當前控制（調整）策略，通過與給定性能指標比較，確定相應的控制決策。

　　4、修正實現

　　通過修正裝置對被控系統的控制器（或可調系統）的相關參叛或狀太進行修正或調 節。

　　二、關于在線辨識與性能計算

　　1）并非所有的自適應控制系統都要求直接辨識被控對象的特性或參數，對某些自適應控制系統，只要測量與計算出性能指標的數值，就可以確定控制策略應如何修正。

　　2）通常，自適應控制系統需要選擇一個合適的系統性能指標，并將該性能指標的優劣與修正機構對應的修正信號聯系起來，而與性能指標極值點對應的修正信號變化規律即為自適應規律。

　　三、參數修正法

　　直接調整被控系統的相關參數;通過修正控制器或補償網絡的參數到達調整可調系統參數的目的。

　　信號綜合法根據性能指標要求，綜合出加到對象上去的控制信。

　　自適應控制系統的原理

　　自適應控制系統需要不斷的測量本身的狀態、性能、參數，對系統當前數據和期望數據進行比較，再做出最優的改變控制器結構、參數或控制方法等決策。系統不斷地測量輸入和擾動對比IP 的參考輸入，根據需要不斷的調節自適應機構，保證系統輸出滿足要求，還要保證系統的穩定。自適應控制基本原理圖如圖1.5所示。

　　自適應控制的主要理論問題

　　目前，自適應控制理論研究還存在如下問題：

　　1、穩定性

　　穩定性是一個控制系統最核心的要求，也是設計控制系統的核心問題。任何設計的 自適應控制系統都應該保證全局穩定，目前常常借助于 Liapunov 穩定性理論和波波夫 超穩定理論設計自適應系統。這種方法對于時不變線性系統的設計是比較成熟的，但對 于非線性或隨機系統的研究正在緩慢進行。隨著 MRAC 的發展，各種各樣的自適應系 統將誕生，全局穩定將更難保證。

　　2、收斂性

　　由于自適應算法的非線性特性給建立收斂理論帶來困難，目前只有有限的幾類自適應算法，在穩定性的證明上比較成熟。一些簡單的自適應系統可以應用 Liapunov穩定性理論來判斷?，F有的收斂性結果的局限性太大，假定條件過于苛刻，不便于實際應用。收斂性理論問題還有待進一步深入。

　　3、性能指標

　　由于系統的非線性，時變及初始條件的不確定等原因，分析自適應系統的動態品質 是很困難的，目前這方面的成果有限。

　　自適應控制的發展概況

　　自適應控制系統首先是由Draper和Li在1951年提出的，他們介紹了一種能使性能特性不確定的內燃機達到最佳性能的控制系統，這種類型的控制能力能自動的達到最優的操作點，所以叫做最優控制或極值控制。而自適應這一專業名詞是1954年由Tsien在《工程控制論》一書中提出的。其后，在1955年Benner和Drenick也提出一個控制系統具有“自適應”的概念。自適應控制發展的重要標志是在1958年Whitaker及同事設計的一種自適應飛機控制系統。

　　1960年Li和Van Der Velde提出的自適應控制系統，它的控制回路中用一個極限環使參數不確定性得到自動補償，這樣的系統稱為自振蕩的自適應系統。 Petror等人在1963年介紹一種自適應系統，它的控制輸入由開關函數或繼電器產生，并以與參數值有關的系統軌線不變性原理為基礎來設計系統。這種系統稱為變結構系統。 而幾年來許多學者在自適應控制系統的穩定性、收斂性和設計方法上做了大量的有益工作，其中有美國的Narendar，Morse和澳大利亞的Goodwin。我國學者陳翰馥在收斂性分析方面也作出很大貢獻。