南航自动化自适应控制与应用复习

自适应控制与应用本课程在控制学科中的地位古典控制理论现代控制理论自适应控制线性系统理论最优控制理论智能控制第1章-第8章第9章第10章控制专业理论知识结构40年代60年代末60年代初80年代初60年代60年代《自动控制原理》教材《自动控制原理》课程第一章自适应控制基本概念第二章模型参考自适应系统设计初步第三章用李亚普诺夫稳定性理论设计MRAC自适应控制与应用第四章用波波夫超稳定性理论设计MRAC第五章自校正技术及自校正控制器调节器的设计第六章极点配置的自校正技术第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生1-2自适应控制的定义1-3自适应控制的基本原理1-4自适应控制系统的主要类型1-5自适应控制的应用传统的控制系统设计方法，通常是首先建立被控对象的数学模型，然后根据所建数学模型的特性设计控制器（控制律），实施控制。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生为了要成功的设计一个控制系统，无论是常规的反馈控制系统还是最优控制系统，都必须要设计者事先知道被控对象的所有特征，及其结构和参数。设计都要求事先掌握被控对象或被控过程的数学模型。然而有些数学模型是很难事先确知的，或者由于种种原因,一些系统的数学模型会在运行过程中发生较大范围的变化,这就是说，设计者对系统的特性并不是完全掌控的，或者说系统的特性是不肯定的。在这些情况下，常规控制就往往达不到预定的控制要求。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生引起被控对象特性发生变化的主要原因有:（1）由于系统所处环境的变化而引起的被控对象的参数值的变化。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生许多控制对象的数学模型随着时间或工作环境的改变而发生变化，而变化规律往往事先不知道。例如：引起被控对象特性发生变化的主要原因有:（1）由于系统所处环境的变化而引起的被控对象的参数值的变化。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生许多控制对象的数学模型随着时间或工作环境的改变而发生变化，而变化规律往往事先不知道。（2）系统本身由于工作情况的变化而引起自身参数值的改变.当被控对象的数学模型参数在小范围内变化时，可用一般的反馈控制、最优控制或补偿控制等方法使得系统对外部的扰动或内部参数的小范围变动不很敏感，以达到预期性能。而当被控对象的数学模型参数在大范围内变化时，上述方法就不能圆满解决问题了，为了使控制对象的参数在大范围变化时，系统仍能自动的工作于最优或次优状态，因而提出了自适应控制的问题。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生自适应控制也是一种反馈控制，但它不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈，而是一种比较复杂的反馈控制，所以，自适应控制的设计比一般的反馈控制要复杂很多。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生1-2自适应控制的定义1-3自适应控制的基本原理1-4自适应控制系统的主要类型1-5自适应控制的应用自适应的主要思路：随机应变，以变制变直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。第一章自适应控制的基本概念1-2自适应控制的定义第一章自适应控制的基本概念1-2自适应控制的定义目前，关于自适应控制有许多不同的定义，不同的学者根据各自的观点，提出了自己的有关自适应控制的定义，其定义仍然是一个有很大争议的问题，下面列举一些比较流行的自适应控制系统的定义：1.其中含义最广泛的，是1961年特鲁克萨而Truxal所提出的定义：即“任何按自适应观点设计的物理系统均为自适应系统”。按照这个定义，许多控制系统都可包括在自适应系统这一范畴内。比如：喷气式飞机的燃料控制是采用温度补偿的，那么它也可以算是自适应系统，然而，实际上它属于常规反馈控制。因为它对系统的参数改变不是根据当时的特性、性能和参数变动的实际情况做出决策的，而是实现确定下来的，不符合测量辨识，决策改造的过程。第一章自适应控制的基本概念1-2自适应控制的定义1962年Gibson提出了一个比较具体的自适应控制的定义：一个自适应控制系统必须提供出被控对象的当前状态的连续信息，也就是要辨识对象，它必须将当前的系统性能与期望的或者最优的性能相比较，并作出使系统趋向期望或最优性能的决策，最后，它必须对控制器进行适当的修正以驱使系统走向最优状态。这三方面的功能使自适应控制系统所必须具有的功能。第一章自适应控制的基本概念1-2自适应控制的定义第一章自适应控制的基本概念1-2自适应控制的定义定义：自适应系统在工作过程中，利用可调系统的输入量、输出量及状态测量某种性能指标，根据测得的指标与给定的指标进行比较，修改可调系统的参数或者辅助输入量，以保持测得的性能指标接近于给定的性能指标。还有一类定义给包含了更具体的自适应控制思想的内容：第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生1-2自适应控制的定义1-3自适应控制的基本原理1-4自适应控制系统的主要类型1-5自适应控制的应用第一章自适应控制的基本概念1-3自适应控制的基本原理根据Gibson的定义，我们可以获取自适应控制的基本原理。在自适应控制系统中,根据被控对象的输入输出信号对对象的参数或性能指标连续地或周期地进行在线辨识,被控对象控制器输入量输出量辨识机构环境条件等第一章自适应控制的基本概念1-3自适应控制的基本原理然后根据所获得的信息并按照一定的评价系统优劣的性能准则,判断决定所需的控制器参数或所需的控制信号,被控对象控制器输入量输出量辨识机构决策机构期望的性能指标环境条件等第一章自适应控制的基本概念1-3自适应控制的基本原理最后通过修正装置实现这项控制决策,使系统趋向所期望的性能。被控对象控制器输入量输出量辨识机构决策机构期望的性能指标修正机构环境条件等第一章自适应控制的基本概念1-3自适应控制的基本原理必须指出,在自适应控制系统的设计过程中最重要的决策之一是选择一个合适的系统性能指标.用这个指标将系统性能的优劣用单独一个量综合地表示出来,并以这个量的极值(极大或极小)作为设计系统的依据.。决策机构修正机构期望的性能指标被控对象控制器输入量输出量辨识机构环境条件等性能指标tt20d)(eJ选择合适的性能指标后,系统的自适应控制过程将由下列三方面的作用在描述.a辨识被控对象的特性b在辨识的基础上作出控制决策c按照决策对可调系统实行修正决策机构修正机构期望的性能指标被控对象控制器输入量输出量辨识机构环境条件等Bytheway自适应控制系统比常规反馈控制系统要复杂得多，因而成本也较高，并且常常需要借助计算机才能够实现。所以自适应控制方案只是在常规反馈控制达不到期望的性能指标使才考虑使用。第一章自适应控制的基本概念1-3自适应控制的基本原理V自适应V对象特性变化第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生1-2自适应控制的定义1-3自适应控制的基本原理1-4自适应控制系统的主要类型1-5自适应控制的应用第一章自适应控制的基本概念1-4自适应控制系统的主要类型有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。1.按照所用性能指标分为：（1）静态性能指标（2）动态性能指标（3）参数性能指标（4）状态变量和输入量的泛函由于性能指标的类型将决定性能指标测量方块的特点，所以可从性能指标对自适应系统进行分类。第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类2.按照比较－判定方块的特点分类：（1）减法器（2）决定一个规定性能指标变量的极大值化或极小值化（3）属于某个数域有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。3.按照自适应机构对可调系统的作用分类：（1）参数自适应：主要是修正控制器中有关参数。（2）信号综合自适应：根据需要综合出控制信号，直接加到被控对象上。)t(u参考模型自适应机构前馈调节器被控对象反馈调节器)t(e)t(y)t(ym（1）参数自适应第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类信号综合计算机被控对象辨识装置正常输入期望的性能指标输出(1)由辨识装置所提供的当前被控对象的特性；(2)所期望的性能指标；(3)系统实际输出响应；(4)给定的正常输入信号（2）信号综合自适应参考模型自适应机构前馈调节器被控对象反馈调节器)t(e)t(y)t(u)t(ym（2）信号综合自适应第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。4.按照自适应技巧，即按照各个部分的工作模式分类：（1）确定性的（2）随机性的（3）学习性的第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。4.按照自适应环的运行环境来分：（1）有测试信号的测试信号加到系统输入的测试信号作用于可调参数的（2）无测试信号的第一章自适应控制的基本概念1-4自适应的分类有许多准则可以用来对自适应系统进行分类。5.除上述分类方法外，有的文献将自适应控制系统分为三大类：（1）模型参考自适应控制系统（2）自校正控制系统（3）其他类型的自适应控制系统变结构控制混和自适应非线性控制对象的自适应控制模糊自适应。。。第一章自适应控制的基本概念1-1自适应控制的产生1-2自适应控制的定义1-3自适应控制的基本原理1-4自适应控制系统的主要类型1-5自适应控制的应用第一章自适应控制的基本概念1-5自适应控制的应用自适应控制经过近50年的发展，无论在理论上还是应用上都取得了很大的发展。近20多年来，随着计算机技术特别是大规模集成电路和芯片的广泛普及，为自适应控制开辟了广阔的领域。目前，自适应控制在：飞行器控制、深空探测器控制、卫星跟踪系统、大型油轮控制、电子拖动、造纸过程控制、冶金过程控制、化工过程控制、水泥配料控制、大型加热炉温控制等方面得到了应用。自适应控制大约在上世纪五十年代即已开始发展，当时大都是针对具体对象的设计的讨论，尚未形成理论体系。六十年代现代控制理论蓬勃发展所取得的一些成果，诸如状态空间法、稳定性理论、最优控制、随机控制、参数估计、对偶控制等等，为自适应控制理论的形成和发展准备了条件。第一章自适应控制的基本概念1-6自适应控制的发展上世纪七十年代以来自适应控制理论有了显著的进展，一些学者分别在确定性和随机的、连续的和离散的系统的自适应控制理论方面，作出了贡献。对于这类系统的控制方案、结构、稳定性、收敛性等方面都有一定的突破性的进展，从而把自适应控制理论推向一个新的发展阶段，与此同时，开始出现较多实际应用的例子，并取得了良好的效果。第一章自适应控制的基本概念1-6自适应控制的发展目前自适应控制理论正在迅速发展，这反映了现代控制系统向智能化、精确化方向发展这一总的趋势。另一方面，微处理器的迅猛发展为采用自适应控制创造了条件，反过来也促进了自适应理论的发展，总之，自适应控制理论已日益被人们重视的理论领域，其实际应用也日益广泛。第一章自适应控制的基本概念1-6自适应控制的发展第二章模型参考自适应系统(MRAC)设计初步2-2MRAC的数学描述2-3MRAC的假定条件2-4用局部参数最优化理论设计MRAC2-1MRAC概述第二章模型参考自适应系统设计初步2-1MRAC概述为了使控制系统能够“自适应”，也就是当系统的动态性能发生较大变化时，使系统仍然具有良好的性能，曾提出过许多的解决方法，其中一类－－模型参考自适应控制就是在50年代发展起来的。目前比较流行的自适应控制方式之一是模型参考自适应(MODELREFERENCEADAPTINGCONTROL)。第二章模型参考自适应系统设计初步2-1MRAC概述所谓MRAC，就是在系统中设置一个动态品质优良的参考模型，在系统运行过程中，要求被控对象的动态特性与参考模型的动态特性相一致。参考模型自适应机构前馈调节器被控对象反馈调节器)t(e)t(y)t(u)t(ym参考模型自适应机构