自適應(yīng)控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用
引言
自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器,它能夠修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動特性的變化。這種自適應(yīng)控制方法應(yīng)該做到:在系統(tǒng)運(yùn)行中,依靠不斷釆集控制過程信息,確定被控對象的當(dāng)前實際工作狀態(tài),優(yōu)化性能準(zhǔn)則,產(chǎn)生自適應(yīng)控制規(guī)律,從而實時地調(diào)整控制器結(jié)構(gòu)或參數(shù),使系統(tǒng)始終自動地工作在最優(yōu)或次最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。
自從50年代末期由美國麻省理工學(xué)院提出第一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來,先后出現(xiàn)過許多不同形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。模型參考自適應(yīng)控制和自校正調(diào)節(jié)器是目前比較成熟的兩類自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(MRAC)
1.1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本原理
模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由參考模型、被控對象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分組成,其基本原理如圖1所示。這類控制系統(tǒng)包括內(nèi)回路和外回路兩個回路。內(nèi)環(huán)是由被控對象和控制器組成的普通反饋回路,而控制器的參數(shù)則由外回路調(diào)整。參考模型的輸出ym直接表示了對象輸出應(yīng)當(dāng)怎樣理想地響應(yīng)參考輸入信號r。控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整過程如下:
當(dāng)參考輸入r(t)同時加到系統(tǒng)和模型的入口時,由于對象的初始參數(shù)未知,控制器的初始參數(shù)不可能整定得很好。故一開始,運(yùn)行系統(tǒng)的輸出響應(yīng)y(t)與模型的輸出響應(yīng)ym(t)是不可能完全一致,結(jié)果將產(chǎn)生偏差信號e(t),故可由e(t)驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生適當(dāng)調(diào)節(jié)作用,直接改變控制器的參數(shù),從而使系統(tǒng)的輸出y(t)逐步與模型輸出ym(t)接近,直到y(t)=ym(t)為止,當(dāng)e(t)=0后,自適應(yīng)調(diào)整過程就自動停止,控制器參數(shù)也就自動整定完畢。
1.2 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展概述
模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展的第一階段(1958年?1966年)是基于局部參數(shù)最優(yōu)化的設(shè)計方法。最初是使用性能指標(biāo)極小化的方法設(shè)計MRAC,這個方法是由Whitaker等人于1958年在麻省理工學(xué)院首先提出來的,命名為MIT規(guī)則。接著Dressber,Price,Pearson等人也提出了不同的設(shè)計方法。這個方法的主要確點是不能確保所設(shè)計的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的全局漸進(jìn)穩(wěn)定;第二階段(1966?1974年)是基于穩(wěn)定性理論的設(shè)計方法。Butchart和Shachcloth、Parks、Phillipson等人首先提出用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計MRAC系統(tǒng)的方法。在選擇最佳的李亞普諾夫函數(shù)時,Laudau采用了波波夫超穩(wěn)定理論設(shè)計MRAC系統(tǒng)E;第三階段(1974?1980年)是理想情況(即滿足假定條件)下MRAC系統(tǒng)趨于完善的過程。美國馬薩諸塞大學(xué)的Monopoli提出一種增廣誤差信號法,當(dāng)按雅可比穩(wěn)定性理論設(shè)計自適應(yīng)律時,利用這種方法就可以避免出現(xiàn)輸出量的微分信號,而僅由系統(tǒng)的輸入輸出便可調(diào)整控制器參數(shù);第四階段(1980年至今)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,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單。
2 自校正調(diào)節(jié)器(STR)
2.1 自校正調(diào)節(jié)器的基本原理
自校正調(diào)節(jié)器可以設(shè)想由兩個環(huán)路組成,其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)包括被控對象和一個普通的線性反饋調(diào)節(jié)器,外環(huán)則由一個遞推參數(shù)估計器和一個設(shè)計機(jī)構(gòu)所組成,其任務(wù)是辨識過程參數(shù),再按選定的設(shè)計方法綜合出控制器參數(shù),用以修改內(nèi)環(huán)的控制器。這類系統(tǒng)的特點是必須對過程或者被控對象進(jìn)行在線辨識(估計器),然后用對象參數(shù)估計值和事先規(guī)定的性能指標(biāo)在線綜合出調(diào)節(jié)器的控制參數(shù),并根據(jù)此控制參數(shù)產(chǎn)生的控制作用對被控對象進(jìn)行控制。經(jīng)過多次地辨識和綜合調(diào)節(jié)參數(shù),可以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)趨于最優(yōu)。在目前的自校正控制系統(tǒng)中,用來綜合自校正控制律的性能指標(biāo)有兩類:優(yōu)化性能指標(biāo)和常規(guī)性能指標(biāo)。前者如最小方差、LQG和廣義預(yù)測控制;后者如極點配置和PID控制;用來進(jìn)行參數(shù)估計的方法有最小二乘法、增廣矩陣法、輔助變量法和最大似然法。
2.2 自校正調(diào)節(jié)器的發(fā)展
自校正調(diào)節(jié)器發(fā)展的第一階段是1958年?1975年。1958年,Kalman發(fā)表的一篇文章——自最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計,首先提出自校正控制思想。在1970年,Peterka把這一原理推廣到參數(shù)未知但恒定的線性離散時間單輸入一輸出系統(tǒng)"。由于當(dāng)時在理論和技術(shù)上的限制,上述原理沒有得到成功應(yīng)用。直到1973年由瑞典學(xué)者Astrom和Wiittenmark提出最小方差自校正調(diào)節(jié)器。該方法的突出優(yōu)點是實現(xiàn)簡易,僅用一臺微處理機(jī)甚至單板機(jī)便可實現(xiàn),它的缺點是不能用于逆不穩(wěn)系統(tǒng),沒有工程約束,且結(jié)構(gòu)單一。針對這一問題,1975年Clarke提出廣義最小方差控制,它把自校正調(diào)節(jié)器的主要缺點都一一克服了,因而得到普遍重視。不過這種算法在處理逆不穩(wěn)定系統(tǒng)時,需選擇目標(biāo)函數(shù)中的控制權(quán)。由于存在不定性,這個控制權(quán)的選擇常常要依靠試湊法空;第二階段(1976年?1980年)。在1976年,英國劍橋大學(xué)的Edmunds提出極點配置自校正技術(shù),Wellstead、Prager、Zanker和Sanoff,以及Edmunds作了卓有成效的工作。除最優(yōu)性以外,其他方面均超過上述自校正控制器,但自校正結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。第三階段(1980年至今)。也就是80年代,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制器的設(shè)計迅速發(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。
3 自適應(yīng)控制的應(yīng)用
3.1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用
MRAC系統(tǒng)過去應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一是電力拖動領(lǐng)域。例如,最早應(yīng)用的是Courtial和Lan-dau逍對晶閘管供電直流電力拖動系統(tǒng)進(jìn)行的自適應(yīng)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)控制方案可將對象近似為二階系統(tǒng),且只調(diào)兩個參數(shù)就能保證對象參數(shù)變化時性能指標(biāo)不變,并能克服電機(jī)速度過零時,PI調(diào)節(jié)器不能解決的死區(qū)問題。
MRAC技術(shù)在自動機(jī)上應(yīng)用也很活躍,如文獻(xiàn)基于李雅普諾夫穩(wěn)定設(shè)計MRAC系統(tǒng)并將其用到自動機(jī)上。文獻(xiàn)中基于超穩(wěn)定理論設(shè)計的MRAC系統(tǒng)也用到了自動機(jī)上。這些應(yīng)用基本上解決了自動機(jī)的非線性和自由度間的干擾問題。
MRAC技術(shù)在船舶自動駕駛方面應(yīng)用也很成功。如文獻(xiàn)報道了MRAC技術(shù)在船舶自動駕駛中的應(yīng)用,它可將非線性模型簡化為二階線性模型,這樣,當(dāng)外界環(huán)境(風(fēng)力,波浪,水流等)變化,使船的動力特性隨吃水差、負(fù)載和水深而改變時,采用自適應(yīng)控制的自動駕駛儀就可達(dá)到要求的性能,操作安全可靠。另外,MRAC技術(shù)在其他領(lǐng)域也有應(yīng)用,諸如內(nèi)燃機(jī),吹氧煉鋼爐,液壓伺服系統(tǒng)等。
3.2 自校正調(diào)節(jié)器的應(yīng)用
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,在超級游輪自動駕駛和船舶自動駕駛克服隨機(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,在原子能工業(yè)、機(jī)器人和人工心臟等部門中的應(yīng)用也不乏成功的例子。
4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)存在的問題
4.1 穩(wěn)定性問題
穩(wěn)定性問題是一切控制系統(tǒng)的核心問題。設(shè)計自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)以保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定為原則?,F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的穩(wěn)定性理論還不能處理已提出的一些自適應(yīng)控制問題,尚需建立一種新的穩(wěn)定性理論體系「以。
4.2 收斂性問題
當(dāng)一個自適應(yīng)控制算法被證明是收斂時,它可以提高這個算法在實際應(yīng)用中的可信度。由于自適應(yīng)算法的非線性特性對建立收斂理論帶來較大的困難,目前只在有限的幾類簡單的自適應(yīng)控制算法中取得了一定的結(jié)果。而且現(xiàn)有的收斂性結(jié)果的局限性太大,假設(shè)條件限制太嚴(yán),不便于實際應(yīng)用,即便是保證參數(shù)估計收斂的最基本要求,對于實際系統(tǒng)也不一定總能滿足。收斂性的理論研究還有待進(jìn)一步深入。
4.3 魯棒性問題
在存在擾動和未建模動態(tài)特性的條件下,系統(tǒng)能保證其穩(wěn)定性和一定動態(tài)性能的能力稱之為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的魯棒性。擾動能使系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重漂移,導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,特別是在存在未建模的高頻動態(tài)特性的條件下,若指令信號過大或含有高頻成分,或存在高頻噪聲,或自適應(yīng)增益過大,都可能使自適應(yīng)控制系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性。目前,已提出若干不同方案來克服上述原因?qū)е碌牟环€(wěn)定,但還遠(yuǎn)不能令人滿意。今后一個重要的理論研究課題就是要設(shè)計一個魯棒性強(qiáng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
4.4 性能和穩(wěn)定性問題
一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)的很好工作,不僅要求所設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定,而且要滿足一定的性能指標(biāo)要求。由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)是非線性時變系統(tǒng),初始條件的變化或未建模,其動態(tài)存在都勢必要改變系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡。因此,分析自適應(yīng)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)是極其困難的。目前,這方面成果還很少見。
5 結(jié)語
自適應(yīng)控制理論及技術(shù)的實際應(yīng)用已約有半個世紀(jì)的歷史,近20多年來,其應(yīng)用開發(fā)尤其迅速,它使自適應(yīng)控制系統(tǒng)得到廣泛和成功的應(yīng)用。本文介紹的就是兩大類比較成熟的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的理論,并提出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)存在的問題和今后的研究方向。