系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制參考模板

1、自適應(yīng)控制應(yīng)用0引言自從上世紀(jì)50年代末期由美國麻省理工學(xué)院W hitaker等人提出第一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來，已先后出現(xiàn)許多形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，特別到70代在航天工業(yè)及計算機(jī)技術(shù)的推動下，自適應(yīng)控制理論與技術(shù)迅速發(fā)展，到90年代初自適應(yīng)控制理論設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)條件已日趨成熟，特別是與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的自適應(yīng)控制設(shè)計方法將使自適應(yīng)控制技術(shù)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程及航天技術(shù)上的一種高性能、高效率、高可靠的有效控制方法及手段1自適應(yīng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域自適應(yīng)控制在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用之處很多。像自動換刀報警技術(shù)，自動磨損補(bǔ)償加工技術(shù)，自動熱誤差補(bǔ)償加工技術(shù)等都有用到自適應(yīng)控制技術(shù)。數(shù)控機(jī)床的工作原理是通過

2、外界輸入控制指令的程序代碼，機(jī)床中的數(shù)控系統(tǒng)自動譯碼翻譯，將其轉(zhuǎn)化為各種控制指令，驅(qū)動機(jī)床對作用對象進(jìn)行加工。正是由于自適應(yīng)控制在機(jī)床加工中的應(yīng)用，使得機(jī)床輪廓銑削和銑槽用時都節(jié)省超過1/3;銑面和鉆孔省時也都超過20%以上。除此之外，應(yīng)用了自適應(yīng)控制技術(shù)的機(jī)床還具有許多保護(hù)功能加前面提到的自動換刀報警技術(shù)，可以危機(jī)報警并自動停止加工工作，以免壞的刀具破壞工件以及后續(xù)刀具的損毀，這種技術(shù)在銑刀加工和鉆刀打孔中都有應(yīng)用到，同時刀具磨損過大，主軸過載等情況系統(tǒng)也有相應(yīng)的檢測和自適應(yīng)控制的功能。自適應(yīng)策略在電力系統(tǒng)控制中的應(yīng)用主要包括:鍋爐蒸汽溫度和壓力控制、鍋爐燃燒效率的優(yōu)化控制、互連電力系統(tǒng)發(fā)電

3、量控制等方面。針對電廠主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的大時滯和不確定性，我國東北電力大學(xué)的顧俊杰等采用自適應(yīng)PSD控制方法，并結(jié)合運(yùn)用內(nèi)?？刂破鳌Ｅc傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)相比，自適應(yīng)PSD控制算法簡單、計算量小，并且能減少超調(diào)量、加快相應(yīng)速度、縮短穩(wěn)定時間!。東南大學(xué)的胡一倩等對PID模糊控制器的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，并將其用于鍋爐過熱蒸汽溫度的控制，取得了滿意的效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐立新等結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)得出燃?xì)廨啓C(jī)模糊PI控制規(guī)律，并據(jù)此設(shè)計了透平轉(zhuǎn)速和排氣溫度的模糊自適應(yīng)PI控制器，提高了燃?xì)廨啓C(jī)的性能且實(shí)先非常方便。在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用在水處理過程中，投藥單耗與原水的濁度和溫度密切相關(guān)，而原水水質(zhì)隨

4、季節(jié)改變，且每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會有所不同。深圳市清泉水系統(tǒng)工程設(shè)備有限公司葉昌明等研制了一種自適應(yīng)控制投藥設(shè)備。該設(shè)備可自動學(xué)習(xí)最佳投藥控制規(guī)律，并根據(jù)水質(zhì)及環(huán)境狀態(tài)選擇最佳投藥量。2 / 7新西蘭納皮爾大學(xué)管理學(xué)院數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)中心的皮爾森·邁克研究了當(dāng)需求不確定時，報刊批發(fā)商如何自適應(yīng)地確定最佳的報刊供應(yīng)量，以使成本最低、利潤最大。美國明尼蘇達(dá)大學(xué)武克強(qiáng)等通過靈敏度分析研究了將自適應(yīng)控制理論應(yīng)用于服務(wù)質(zhì)量設(shè)計和保證中所存在地問題，并提出了一種自適應(yīng)雙重控制結(jié)構(gòu)來減輕這種局限性。自適應(yīng)控制不僅在工業(yè)領(lǐng)域取得了較大的成功，而且在社會，經(jīng)濟(jì)，醫(yī)學(xué)，管理，環(huán)境生物等非工業(yè)領(lǐng)域也進(jìn)行了

5、有益的探索，并取得了成就。2自適應(yīng)控制在太陽能電池陣列模擬器中的工程應(yīng)用太陽能電池陣列模擬器的工作原理是以太陽能電池模型為基礎(chǔ)，以電力電子變換器為硬件平臺，在控制器的控制下使電力電子變換器的輸出能夠準(zhǔn)確模擬太陽能陣列在各個環(huán)境條件下的輸出外特性。有利于光伏工作人員對光伏系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，以使光伏系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。模擬器的設(shè)計其實(shí)包含了兩個部分，主電路的設(shè)計和控制部分設(shè)計。其中主電路是在前人研究的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行的，只是對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了一些必要的仿真實(shí)驗(yàn)。然后接DC/DC全橋變換電路，它的目的就是對電壓和電流大小進(jìn)行控制，最后接負(fù)載或是逆變器。在系統(tǒng)輸出端接入電壓采集點(diǎn)和電流采集點(diǎn)來對輸出的電

6、壓大小進(jìn)行實(shí)時采集，然后將采集信號傳送控制器，通過控制器的控制算法作用，產(chǎn)生驅(qū)動工GBT的控制信號，從而是主電路信號得以控制。圖2.1太陽能電池的工作原理和等效電路設(shè)計原理：在電路負(fù)載輸出的地方添加電壓傳感器和電流傳感器，當(dāng)外接負(fù)載變化時，傳感器會傳回不同的輸出電壓和電流值，它們通過PID調(diào)節(jié)器跟蹤目標(biāo)電壓和電流，發(fā)出指令信號來改變PWM波的占空比或觸發(fā)延遲時間，完成對主電路中的信號的控制，從而使輸出電壓電流穩(wěn)定在太陽能電池的I-V特性曲線上。系統(tǒng)控制框圖2.2圖所示:圖2.2 控制結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)控制框:容易看出系統(tǒng)由內(nèi)外兩環(huán)，而且它們可以分別其對控制作用。這是一種改進(jìn)的自適應(yīng)控制形式。兩個控制

7、環(huán)在結(jié)構(gòu)上是串行連接，外環(huán)的輸作為內(nèi)環(huán)的輸入，然后再用內(nèi)環(huán)電流環(huán)的輸出去產(chǎn)生控制信號完成對工GBT的制。雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如2.3圖所示:圖2.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 在電流模塊：電流濾波時間常數(shù)每個波頭時間T1=0.0025s。電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，根據(jù)調(diào)節(jié)Kp值得到的輸出電壓的波形分析得到電流調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp=40;電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)K=0.5。當(dāng)Kp取過大時系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩，而且超調(diào)量大，當(dāng)Kp過小是系統(tǒng)行動緩慢，響應(yīng)時間太長。在電壓模塊：按小時間常數(shù)近似處理T2=0.006s，電流環(huán)的等效時間常數(shù)為T=0.06s，電壓濾波時間常數(shù)Ton = 0.01 s。電壓環(huán)調(diào)節(jié)

8、器也采用PI調(diào)節(jié)，根據(jù)分析輸出電壓的波形如圖2.4所示，得到調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp=4.5，電壓調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)Ki= 0.3。當(dāng)Kp取過大時系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩，而且超調(diào)量大，當(dāng)Kp值過小時系統(tǒng)行動緩慢，響應(yīng)時間太長。設(shè)定Voc=900W，Isc=20A，Im=18A ，Vm=700V，仿真得到得到其I-V曲線圖2.4 實(shí)驗(yàn)仿真曲線由圖我們可以看出由簡化模型數(shù)學(xué)表達(dá)式生成的曲線和真實(shí)太陽能電池陣列的輸出特性曲線基本一致，因此我們推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型能夠較好的模擬太陽能電池陣列的輸出特性。3存在的問題與發(fā)展方向自適應(yīng)控制雖然具有很大優(yōu)越性，可是經(jīng)過了五十多年的發(fā)展，到目前為止其應(yīng)用仍不夠廣，究其原

9、因，主要是因?yàn)榇嬖谝韵聨追矫娴膯栴}: 自適應(yīng)控制理論上很難得到一般解，給推廣應(yīng)用帶來了困難;目前的參數(shù)估計方法都是在理想情況下隨時間趨于無窮而漸近收斂，而實(shí)際工程應(yīng)用需要在有限時間內(nèi)快速收斂的參數(shù)估計方法;有些自適應(yīng)控制器啟動過程或過渡過程的動態(tài)性能不滿足實(shí)際要求;控制精度與參數(shù)估計的矛盾;低階控制器中存在高頻未建模;測量精度直接影響控制器參數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。對應(yīng)上述存在的問題，自適應(yīng)控制研究在今后一段時期內(nèi)的發(fā)展方向?qū)ㄒ韵聨讉€方面: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)估計算法;研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問題;解決自適應(yīng)控制系統(tǒng)啟動階段和過渡過程的參數(shù)收斂和動態(tài)性能問題;自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即提高其通用性和開放性;研究組合自適應(yīng)控制策。4總結(jié)和展望自適應(yīng)控制技術(shù)在20世紀(jì)80年代即開始向產(chǎn)品過渡，但至今推廣應(yīng)用還很有限，主要是由于其通用性和開放性嚴(yán)重不足。 在今后一段時間內(nèi)，相對簡單的反饋、前饋