自適應(yīng)控制的現(xiàn)狀

近年來(lái)，自校正控制技術(shù)如雨后春筍般地迅速發(fā)展。關(guān)于離散時(shí)間隨機(jī)自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性和收斂性，澳大刊亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Goodwin作出了有益的貢獻(xiàn)。自尋優(yōu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)白適應(yīng)控制系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。特別是最近幾年來(lái)才興起的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，引起了人們的普遍關(guān)注。

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)在主要是向?qū)嶋H應(yīng)用靠攏階段，主要目標(biāo)是減少假定條件，去掉增廣誤差信號(hào)，減少可調(diào)參數(shù)，提高系統(tǒng)的魯棒性，克服系統(tǒng)干擾等，目的是使方法更為簡(jiǎn)單。ＭＲＡＣ系統(tǒng)過(guò)去應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一是電力拖動(dòng) 領(lǐng)域。最早應(yīng)用的是對(duì)晶閘管供電直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行的自適應(yīng)控制器控制。由于使用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行速度反饋控制不能保證要求的高性能指標(biāo)，而采用自適應(yīng)控制方案可將對(duì)象近似為二階系統(tǒng)，且只調(diào)兩個(gè)參數(shù)就能保證對(duì)象參數(shù)變化時(shí)性能指標(biāo)不變，并能克服電機(jī)速度過(guò)零時(shí)，ＰＩ調(diào)節(jié)器不能解決的死區(qū)問(wèn)題。MRAC技術(shù)在自動(dòng)機(jī)上應(yīng)用也很活躍，

目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制器的設(shè)計(jì)迅速發(fā)展，并顯示出其在高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)控制方面的巨大潛力。目前自校正控制應(yīng)用要比 MRAC多得多，除造紙、化工、二氧化鈦窯、水泥工業(yè)、礦石粉碎、單晶爐圓筒鍋爐等外，在超級(jí)游輪自動(dòng)駕駛和船舶自動(dòng)駕駛克服隨機(jī)干擾，如風(fēng)、浪、潮流、速度、負(fù)載及水深等方面效果也很好。同時(shí)，在原子能工業(yè)、機(jī)器人和人工心臟等部門(mén)中的應(yīng)用也不乏成功的例子。

自適應(yīng)控制的概念

在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對(duì)象或過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實(shí)際上在許多工程中，被控對(duì)象或過(guò)程的數(shù)學(xué)模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和條件改變了以后，其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。

在發(fā)生這些問(wèn)題時(shí)，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，這就是自適應(yīng)控制。

自適應(yīng)控制的特點(diǎn)

1、控制器可調(diào)

相對(duì)于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過(guò)程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動(dòng)的；

2、增加了自適應(yīng)回路

自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路（或稱(chēng)自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，自動(dòng)調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化；

3、適用對(duì)象

自適應(yīng)控制適用于被控對(duì)象特性未知或擾動(dòng)特性變化范圍很大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類(lèi)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)不需要完全知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

自適應(yīng)控制的分類(lèi)

1、增益自適應(yīng)控制

2、模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）

3、自校正控制（STC）

4、直接優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)自適應(yīng)控制

5、模糊自適應(yīng)控制

6、多模型自適應(yīng)控制

7、自適應(yīng)逆控制

自適應(yīng)控制的優(yōu)缺點(diǎn)

自適應(yīng)控制一般是通過(guò)對(duì)工藝系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)完成控制的。其優(yōu)缺點(diǎn)和模糊控制類(lèi)似。

優(yōu)點(diǎn)

1、使用語(yǔ)言方便，可不需要過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型（不需要精確的數(shù)學(xué)模型）

2、魯棒性強(qiáng)，適于解決過(guò)程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時(shí)變、滯后等問(wèn)題魯棒性即系統(tǒng)的健壯性。

3、有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力;

4、操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句容易加到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。

缺點(diǎn)

1、信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差;

2、設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，無(wú)法定義控制目標(biāo)。

自適應(yīng)控制存在的理論問(wèn)題

無(wú)論是時(shí)不變線性系統(tǒng)，還是時(shí)變非線性系統(tǒng)，它們與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的自適應(yīng)控制系統(tǒng)都是非線性時(shí)變系統(tǒng)，分析這類(lèi)系統(tǒng)的性能是很困難的。

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性問(wèn)題是一切控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)以保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定為原則。如今，隨著模型參考自適應(yīng)控制的發(fā)展，各種各樣的自適應(yīng)控制律會(huì)不斷誕生，要保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定也很困難，特別是因?yàn)橄到y(tǒng)是本質(zhì)非線性時(shí)變的，故當(dāng)系統(tǒng)存在未建模動(dòng)態(tài)或隨機(jī)干擾時(shí)，要證明自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就更困難了。

2、收斂性

對(duì)于一些自適應(yīng)系統(tǒng)收斂性的結(jié)論都是在一些相當(dāng)強(qiáng)的假設(shè)條件下獲得的，并且與具體的算法密切相關(guān)。因所使用的收斂性分析方法缺乏普適性，因而不能推廣到稍微復(fù)雜的系統(tǒng)模型上。

3、魯棒性

目前，參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)一般都是針對(duì)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)已知而參數(shù)未知的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而實(shí)際被控對(duì)象結(jié)構(gòu)往往難以確切知道，所獲得的對(duì)象特性中常常未能包括系統(tǒng)的難以描述的寄生高頻成分，即未建模動(dòng)態(tài)。計(jì)算機(jī)仿真表明，這種未建模型動(dòng)態(tài)可能引起自適應(yīng)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，關(guān)鍵原因是自適應(yīng)控制系統(tǒng)是非線性時(shí)變的，，而對(duì)于線性反饋控制系統(tǒng)，只有設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量，這種未建模動(dòng)態(tài)是不致于破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的。這就提出了自適應(yīng)控制的魯棒性問(wèn)題。

4、性能指標(biāo)

一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)能很好地工作，不僅要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定，而且還有滿足一定的性能指標(biāo)要求。由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)是非線性時(shí)變的，初始條件的變化或未建模動(dòng)態(tài)的存在都勢(shì)必要改變系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，分析自適應(yīng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)是極其困難的。目前，這方面的成果還很少見(jiàn)。

自適應(yīng)控制存在的問(wèn)題

自適應(yīng)控制雖然具有很大優(yōu)越性，可是經(jīng)過(guò)了五十多年的發(fā)展，到目前為止其應(yīng)用仍不夠廣，究其原因，主要是因?yàn)榇嬖谝韵聨追矫娴膯?wèn)題：適應(yīng)控制理論上很難得到一般解，給推廣應(yīng)用帶來(lái)了困難；

1、目前的參數(shù)估計(jì)方法都是在理想情況下隨時(shí)間趨于無(wú)窮而漸近收斂，而實(shí)際工程應(yīng)用需要在有限時(shí)間內(nèi)快速收斂的參數(shù)估計(jì)方法；

2、有些自適應(yīng)控制器啟動(dòng)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能不滿足實(shí)際要求；

3、控制精度與參數(shù)估計(jì)的矛盾；

4、低階控制器中存在高頻未建模；

5、測(cè)量精度直接影響控制器參數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。

自適應(yīng)控制的發(fā)展

對(duì)應(yīng)上述存在的問(wèn)題，自適應(yīng)控制研究在今后一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)展方向?qū)ㄒ韵聨讉€(gè)方面：

1、在保證自適應(yīng)控制精度的前提下，研究快速收斂的參數(shù)估計(jì)算法；

2、研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問(wèn)題；

3、解決自適應(yīng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)階段和過(guò)渡過(guò)程的參數(shù)收斂和動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題；

4、自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即提高其通用性和開(kāi)放性；

5、研究組合自適應(yīng)控制策略，主要有自適應(yīng)PID控制和智能自適應(yīng)控制