自適應(yīng)控制論文綜述

1、自適應(yīng)控制系統(tǒng)綜述摘要：本文首先介紹了自動(dòng)控制的基本理論及其發(fā)展階段，然后提出自適應(yīng) 控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。最后描述的是自適應(yīng)控在 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和存在的問(wèn)題。關(guān)鍵字 ：自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一、引言控制系統(tǒng)的定義自動(dòng)控制原理是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝 置，使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī) 律運(yùn)行。在不同的控制系統(tǒng)中，可能具有各種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、被控對(duì)象，并 且其復(fù)雜程度和環(huán)境條件也會(huì)各不相同，但他們都具有同樣的控制目地： 都是為了使系統(tǒng)的狀態(tài)或者運(yùn)動(dòng)軌跡符合某一個(gè)預(yù)定的功能性能要求。其 中，被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者運(yùn)動(dòng)軌跡稱為被

2、控過(guò)程。被控過(guò)程不僅與被 控系統(tǒng)本身有關(guān)，還與對(duì)象所處的環(huán)境有關(guān)?？刂评碚撝袑⒖刂葡到y(tǒng)定義 為由被控系統(tǒng)及其控制器組成的整體成為控制系統(tǒng)。控制理論的發(fā)展階段控制理論發(fā)展主要分為三個(gè)階段：一：20 世紀(jì) 40 年代末 -50 年代的經(jīng)典控制理論時(shí)期， 著重解決單輸入 單輸出系統(tǒng)的控制問(wèn)題， 主要數(shù)學(xué)工具是微分方程、 拉氏變換、 傳遞函數(shù)； 主要方法是時(shí)域法、頻域法、根軌跡法；主要問(wèn)題是系統(tǒng)的穩(wěn)、準(zhǔn)、快。二： 20世紀(jì) 60 年代的現(xiàn)代控制理論時(shí)期，著重解決多輸入多輸出系 統(tǒng)的控制問(wèn)題，主要數(shù)學(xué)工具是以此為峰方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法主 要方法是變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論；重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨

3、即控 制、自適應(yīng)控制；核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)。三： 20世紀(jì) 70 年代之后的先進(jìn)控制理時(shí)期，先進(jìn)控制理論是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和延伸。先進(jìn)控制理論內(nèi)容豐富、涵蓋面最廣，包括自適應(yīng) 控制、魯棒控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。二、自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制的簡(jiǎn)介在反饋控制和最優(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

4、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)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的 不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中 包含一些未知因素和隨機(jī)因素。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng) 內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模 型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng) 的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。此 外，還有一些測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。面對(duì)這些客觀存在的各 式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)

5、適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo) 達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問(wèn)題。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制 方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)比較 少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完 善。具體地說(shuō)，可以依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)，這 個(gè)過(guò)程稱為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。隨著生產(chǎn)過(guò)程的不斷進(jìn)行，通過(guò)在線辯識(shí)， 模型會(huì)變得越來(lái)越準(zhǔn)確，越來(lái)越接近于實(shí)際。既然模型在不斷的改進(jìn)，顯 然，基于這種模型綜合出來(lái)的控制作用也將隨之不斷的改進(jìn)。在這個(gè)意義 下，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。比如說(shuō)

6、，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對(duì) 象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開(kāi)始投入運(yùn)行時(shí)可能性能不理想， 但是只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，通過(guò)在線辯識(shí)和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸 適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對(duì)象，其 特性可能在運(yùn)行過(guò)程中要發(fā)生較大的變化，但通過(guò)在線辯識(shí)和改變控制器 參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應(yīng)。常規(guī)的對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑 制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外 部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會(huì)大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。 所以對(duì)那些對(duì)象特性或擾動(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)的一類系統(tǒng)，采取自

7、適應(yīng)控制是合適的。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自 適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī) 反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。自適應(yīng)控制的特征一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)必然具有三個(gè)基本特征：(a) 過(guò)程信息的在線積累在線積累過(guò)程信息的目的，是為了降低受控系統(tǒng)原有的不定性。為此 可用系統(tǒng)辨識(shí)的方法在線辨識(shí)受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過(guò)程信息； 也可通過(guò)量測(cè)能反映過(guò)程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過(guò)程信息。在系 統(tǒng)辨識(shí)中，結(jié)構(gòu)辨識(shí)比參數(shù)估計(jì)困難得多。(b) 可調(diào)控制器可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號(hào)可以根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行自 動(dòng)調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就

8、無(wú)法對(duì)過(guò) 程實(shí)現(xiàn)有效的控制。(c) 性能指標(biāo)的控制性能指標(biāo)的控制可分為開(kāi)環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。若與過(guò)程 動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測(cè)，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān) 系又可根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，這時(shí)就可通過(guò)此輔助變量直接調(diào)整 可調(diào)控制器，以期達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。這就是性能指標(biāo)的開(kāi)環(huán)控制，它 的特點(diǎn)是沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)再作進(jìn)一步的調(diào)整。與開(kāi)環(huán)控 制方式不同，在性能指標(biāo)的閉環(huán)控制中，還要獲取實(shí)際性能與預(yù)定性能之 間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實(shí)際性能達(dá)到或接近預(yù) 定性能為止。如何提高控制系統(tǒng)的自適應(yīng)速度，如何優(yōu)化自適應(yīng)控制的過(guò)程以及如 何既能保證性能而又

9、簡(jiǎn)化算法是自適應(yīng)控制的一個(gè)重要問(wèn)題。在其算法的 研究中主要是控制策略的參數(shù)化問(wèn)題；它通常研究的問(wèn)題是如下三個(gè)方面： 如何使控制結(jié)構(gòu)盡可能的簡(jiǎn)單；怎樣減少對(duì)系統(tǒng)所要求的先驗(yàn)知識(shí)以及盡 可能的使系統(tǒng)所要求的先驗(yàn)知識(shí)有其物理意義；如何減少要辨識(shí)的參數(shù)的 個(gè)數(shù)。從參數(shù)估計(jì)的角度，自適應(yīng)控制分為間接自適應(yīng)控制和直接自適應(yīng)控制。在間接自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象的參數(shù)被實(shí)時(shí)估計(jì)，并通過(guò)解 Diophantine 方程計(jì)算出控制器的參數(shù)應(yīng)用于下一時(shí)刻的控制規(guī)律中。 直接 自適應(yīng)控制的核心思想是將估計(jì)模型按控制器的參數(shù)重新參數(shù)化，它不需 要解 Diophantine 方程而直接在線估計(jì)控制器參數(shù)以及其它附加參數(shù)

10、。相 比較而言，間接自適應(yīng)控制雖然估計(jì)參數(shù)較少，但是需要在線解 Diophantine 方程； 而直接自適應(yīng)控制器的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單， 可以提供更快的 自適應(yīng)調(diào)節(jié)。因此更加適合實(shí)時(shí)地控制對(duì)象。由于本課題的被控對(duì)象傳遞 函數(shù)的特點(diǎn)，重新參數(shù)化比較簡(jiǎn)單。所以擬定選用直接自適應(yīng)控制方法設(shè) 計(jì)給予確定性等價(jià)準(zhǔn)則的傳統(tǒng)自適應(yīng)極點(diǎn)配置控制器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 謹(jǐn)慎和雙重特性的修正三、自適應(yīng)控制的應(yīng)用及存在的 問(wèn)題自適應(yīng)控制在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中，任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定 性，這些不確定性表現(xiàn)在被控過(guò)程或?qū)ο蟮奶匦詴r(shí)刻發(fā)生變化， 變化規(guī)律難以掌握，同時(shí)還有各種各樣的隨機(jī)干擾作用在系統(tǒng)上， 這

11、些影響通常是不可預(yù)測(cè)的。如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，通過(guò)輸 入、輸出信息，實(shí)時(shí)的掌握被控對(duì)象和系統(tǒng)誤差的動(dòng)態(tài)特性，并 根據(jù)其變化情況及時(shí)掌握調(diào)節(jié)控制量，使系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到并保 持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問(wèn)題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人們?cè)谀７氯四X處理問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展起 來(lái)的一種新型智能信息處理理論，它通過(guò)大量神經(jīng)元的簡(jiǎn)單處理 單元構(gòu)成非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)人腦的形象思維、聯(lián)想記憶等進(jìn) 行模擬和抽象，實(shí)現(xiàn)與人腦相似的學(xué)習(xí)、識(shí)別、記憶等信息處理 能力，其特點(diǎn)包括具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)性、自組織性、容錯(cuò)性、高 度非線性、高度魯棒性、聯(lián)想記憶功能推理意識(shí)功能等。自適應(yīng) 控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)非線性隨機(jī)

12、控制系統(tǒng)，很難為其找到合適 的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的方法難以對(duì)其進(jìn)行控制。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被 證明具有很強(qiáng)適應(yīng)能力和逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)的能力， 它在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的控制方面顯示出它強(qiáng) 大的優(yōu)越性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制是基于自適應(yīng)的基本原理，利 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和理論設(shè)計(jì)而成的，發(fā)揮了自適應(yīng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的各自長(zhǎng)處，為非線性控制的研究提供了一種新方法。它與自適 應(yīng)控制的完美結(jié)合，使控制領(lǐng)域的發(fā)展邁向了一個(gè)新的臺(tái)階。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制從本質(zhì)上講，實(shí)際上是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理 論的自校正控制或模型參考自適應(yīng)控制。自校正控制根據(jù)對(duì)系統(tǒng) 正向和 (或)逆模型辨識(shí)結(jié)果，直接按自適應(yīng)規(guī)律調(diào)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)

13、 參數(shù)，使系統(tǒng)滿足既定的性能指標(biāo)。 而在模型參考自適應(yīng)控制中， 閉環(huán)控制系統(tǒng)的期望性能則有一個(gè)穩(wěn)定而優(yōu)良的參考模型來(lái)描 述，其控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的輸出響應(yīng)y(t)致漸近地趨于參考模型的輸出響應(yīng)dy(t)，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于自適應(yīng)控制主要有兩種 方式：一種是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，描述被控對(duì)象的數(shù) 學(xué)模型；二是充當(dāng)控制器，其控制作用的調(diào)整依賴于網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù) 的改變，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，完成將信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)輸入端到輸出端的映 射，為被控對(duì)象提供適當(dāng)?shù)目刂屏俊Ｉ窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制與一般 自適應(yīng)方法的區(qū)別在于： (1)在模型參考控制中，參考模型由神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替。與常規(guī)自適應(yīng)控制比較自適應(yīng)控制理論的目標(biāo)是設(shè) 計(jì)一個(gè)

14、靈活的控制器，它能夠考慮未知參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)控 制器的增益。而常規(guī)的自適應(yīng)控制器為了獲得良好的控制效果， 需要在系統(tǒng)中加入白噪聲信號(hào)，辨識(shí)過(guò)程往往會(huì)出現(xiàn)飽和麻痹現(xiàn) 象，影響辨識(shí)效果和跟蹤速度。利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可解決這一問(wèn) 題。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、受訓(xùn)練的特點(diǎn)，它可以正確地提 取受控對(duì)象的模型參數(shù)，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和容錯(cuò)能力， 提高控制器的性能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制存在的問(wèn)題1. 穩(wěn)定性問(wèn)題穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，但是神經(jīng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 性分析難度極大。這是因?yàn)橐幚淼姆蔷€性對(duì)象的模型一般是具有嚴(yán)重非 線性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身又是一個(gè)大規(guī)模非線性系統(tǒng)，

15、由它們按一定方式組織起來(lái)的神經(jīng)控制系統(tǒng)具有更為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性。 目前已有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制研究的主要問(wèn)題是： 基于 lyapunov 函數(shù)來(lái) 證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法，已經(jīng)被應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的 非線性系統(tǒng)，即仿射非線性系統(tǒng)之中，但是，在工程中遇到的非線性系統(tǒng) 大多是非仿射的。2. 魯棒性問(wèn)題在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)魯棒性要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比單純按 收斂性和穩(wěn)定性指標(biāo)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更好的控制效果。目前，對(duì)于非線 性控制系統(tǒng)的魯棒性已有許多研究結(jié)果，一般是針對(duì)一類仿射非線性系統(tǒng) 進(jìn)行的，對(duì)于系統(tǒng)的條件限制較嚴(yán)，目前的研究成果很難應(yīng)用于實(shí)際的非 線性控制系統(tǒng)中去，故其魯棒性研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。3. 控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制是采用先離線辨識(shí)，再在線控制的方式，這樣比 在線建模方式控制效果好，但實(shí)時(shí)性較差。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度一 般都比較慢，為滿足實(shí)時(shí)控制需要，必須研究快速的學(xué)習(xí)算法，使其能同 時(shí)保證實(shí)時(shí)性與控制效果,這仍是一個(gè)難題。三、 總結(jié)自適應(yīng)控制已經(jīng)提出半個(gè)多世紀(jì)了，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 本文提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，就是其中的一個(gè)應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 袁震東 .自適應(yīng)