高等過(guò)程控制-第7章自適應(yīng)

高等過(guò)程控制—第7章自適應(yīng)第一頁(yè)，共23頁(yè)。

自適應(yīng)控制

(AdaptiveControl)東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院孫靈芳第二頁(yè)，共23頁(yè)。1.1問題的提出控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中普遍存不確定性，主要表現(xiàn)在：①系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)間總是存在著差別，即所謂系統(tǒng)具有未建模的動(dòng)態(tài)特性；②系統(tǒng)本身，結(jié)構(gòu)和參數(shù)是未知的或時(shí)變的；③作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)往往是隨機(jī)的，且不可量測(cè)；④系統(tǒng)運(yùn)行中，控制對(duì)象的特性隨時(shí)間或工作環(huán)境改變而變化，且變化規(guī)律往往難以事先知曉。

第l節(jié)概述第三頁(yè)，共23頁(yè)。為了解決控制對(duì)象參數(shù)在大范圍變化時(shí)，一般反饋控制、最優(yōu)控制和采用經(jīng)典校正方法不能解決的控制問題，參照在日常生活中生物(包括人類)能夠通過(guò)自覺調(diào)整本身參數(shù)(如增益滯后時(shí)間，超前因素等)改變自己的習(xí)性，以適應(yīng)新的環(huán)境特性，

從而提出了構(gòu)思自適應(yīng)控制器的設(shè)想。

第四頁(yè)，共23頁(yè)。這種自適應(yīng)控制器應(yīng)能夠及時(shí)修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化，使整個(gè)控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。為此，所構(gòu)思的自適應(yīng)控制方法必須能夠辨識(shí)過(guò)程參數(shù)與環(huán)境條件變化，在此基礎(chǔ)上自動(dòng)地校正控制規(guī)律。第五頁(yè)，共23頁(yè)。至今尚無(wú)統(tǒng)一的定義。主要有如下幾種提法可在不同程度上反映它的內(nèi)涵：

提法1：自適應(yīng)控制就是根據(jù)控制條件自行調(diào)整的一種控制。提法2：一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠利用其中可調(diào)系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出來(lái)度量某一性能指標(biāo)，并能將該指標(biāo)與規(guī)定好的性能指標(biāo)相比較，然后由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)修正可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或產(chǎn)生一個(gè)輔助輸入信號(hào)，以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)接近規(guī)定的指標(biāo)。提法3：自適應(yīng)系統(tǒng)能在線地、實(shí)時(shí)地了解對(duì)象，根據(jù)不斷豐富的對(duì)象信息，通過(guò)一個(gè)可調(diào)環(huán)節(jié)的調(diào)整，使系統(tǒng)的性能達(dá)到技術(shù)要求或最優(yōu)。1.2自適應(yīng)控制的定義第六頁(yè)，共23頁(yè)。提法4：自適應(yīng)控制就是根據(jù)要求的性能指標(biāo)與實(shí)際系統(tǒng)的性能相比較所獲得的信息，修正控制規(guī)律或控制器參數(shù)，使系統(tǒng)能夠保持最優(yōu)或次最優(yōu)工作狀態(tài)。提法5；自適應(yīng)控制是在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)本身不斷地檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，并根據(jù)參數(shù)的改變或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或控制作用，使系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)或接近最優(yōu)工作狀態(tài)。第七頁(yè)，共23頁(yè)。1.3功能及特點(diǎn)

綜上所述各種提法，較完善的自適應(yīng)控制應(yīng)該具有以下三方面功能：

(1)系統(tǒng)本身可以不斷地檢測(cè)和處理信息；了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。

(2)進(jìn)行性能準(zhǔn)則優(yōu)化，產(chǎn)生自適應(yīng)控制規(guī)律。

(3)調(diào)整可調(diào)環(huán)節(jié)(控制器)，使整個(gè)系統(tǒng)始終自動(dòng)運(yùn)行在最優(yōu)或次最優(yōu)工作狀態(tài)。第八頁(yè)，共23頁(yè)。自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制的重要組成部分，它同一般反饋控制相比較有如下突出特點(diǎn)：

(1)一般反饋控制主要適用于確定性對(duì)象或事先確知的對(duì)象，而自適應(yīng)控制主要研究不確定對(duì)象或事先難以確知的對(duì)象。

(2)一般反饋控制具有強(qiáng)烈抗干擾能力，即它能夠消除狀態(tài)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差，而自適應(yīng)控制因?yàn)橛斜孀R(shí)對(duì)象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能消除狀態(tài)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差，而且還能消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差。

第九頁(yè)，共23頁(yè)。(3)一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須事先掌握描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型及其環(huán)境變化狀況，而自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則很少依賴數(shù)學(xué)模型全部，僅需要較少的驗(yàn)前知識(shí)，但必須設(shè)計(jì)出一套自適應(yīng)算法，因而將更多地依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(4)自適應(yīng)控制是更復(fù)雜的反饋控制，它在一般反饋控制的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu)或辨識(shí)器，還附加了一個(gè)可調(diào)系統(tǒng)。第十頁(yè)，共23頁(yè)。1.4自適應(yīng)控制的一般結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共23頁(yè)。第2節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與分類

2.1自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通常，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)有兩種形式，即前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制和反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制。

1、前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)亦稱開環(huán)自適應(yīng)控制。它借助對(duì)作用于過(guò)程信號(hào)的測(cè)量，并通過(guò)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按照這些測(cè)量信號(hào)改變控制器的狀態(tài)，從而達(dá)到改變系統(tǒng)特性的目的。沒有“內(nèi)”閉環(huán)反饋信號(hào)而實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)是前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制的突出特點(diǎn)(見下頁(yè)圖)。

第十二頁(yè)，共23頁(yè)。圖7-2前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖優(yōu)點(diǎn)：前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制由于可預(yù)先知其過(guò)程狀態(tài)和無(wú)須對(duì)可觀測(cè)過(guò)程的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，因此

能夠快速反應(yīng)過(guò)程變化。缺點(diǎn)：忽略了不可觀測(cè)信號(hào)、干擾和意料之外的過(guò)程狀態(tài)變化，且大量參數(shù)存儲(chǔ)必須有許多操作，從而限制了該方案的應(yīng)用。第十三頁(yè)，共23頁(yè)。2、反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)

如果過(guò)程品質(zhì)變化不能直接由外過(guò)程信號(hào)測(cè)量確定，則可采用圖7-3所示的反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方案。這是應(yīng)用最廣泛的自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)。圖7-3反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖第十四頁(yè)，共23頁(yè)。特點(diǎn)如下：

(1)過(guò)程特性或信號(hào)變化可借助測(cè)量各內(nèi)控制回路信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。

(2)除基本回路反饋外，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)還將形成附加反饋級(jí)。

(3)閉環(huán)信號(hào)流通道能產(chǎn)生非線性第二反饋級(jí)。第十五頁(yè)，共23頁(yè)。2．2自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方案分類

自適應(yīng)控制系統(tǒng)可按照不同角度進(jìn)行分類。按被控對(duì)象的性質(zhì)可以分為：①確定性自適應(yīng)控制系統(tǒng)，②隨機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。按照功能分為：①參數(shù)或非參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，②性能自適應(yīng)控制系統(tǒng)，③結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：①前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)，②反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)。第十六頁(yè)，共23頁(yè)。

人們的習(xí)慣分類多是按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行，且主要指反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)的更詳細(xì)分類(見右圖)第十七頁(yè)，共23頁(yè)。除此之外，從實(shí)用角度講自適應(yīng)控制系統(tǒng)一般可分三大類，即模型參考自適應(yīng)控制、自校正控制和其他自適應(yīng)控制。1．模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRACs

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

第十八頁(yè)，共23頁(yè)。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是：使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中力求保持被控過(guò)程的響應(yīng)特性與參考模型的動(dòng)態(tài)性能的一致性，而參考模型始終具有所期望的閉環(huán)性能。主要技術(shù)問題是：實(shí)現(xiàn)性能比較和自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)。其實(shí)際運(yùn)行可分3個(gè)階段：①比較閉環(huán)性能，產(chǎn)生廣義誤差e(t)；②按照自適應(yīng)規(guī)律計(jì)算控制器參數(shù)；③調(diào)整可調(diào)控制器。第十九頁(yè)，共23頁(yè)。2、自校正控制系統(tǒng)STCS

又稱自優(yōu)化控制或模型辨識(shí)自適應(yīng)控制。典型的自校正控制系統(tǒng)如圖所示第二十頁(yè)，共23頁(yè)。自校正控制系統(tǒng)具有三大要素：①過(guò)程信息采集；②控制性能準(zhǔn)則優(yōu)化③調(diào)整控制器。

過(guò)程信息采集是指在測(cè)量過(guò)程輸入、輸出或狀態(tài)信號(hào)基礎(chǔ)上，連續(xù)確定被控過(guò)程的實(shí)際狀態(tài)。過(guò)程模型辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)及不可測(cè)量信號(hào)(如隨機(jī)噪聲信號(hào))估計(jì)，是信息采集的相應(yīng)方法。根據(jù)信息采噪和估計(jì)方法的不同，形成各類-自校正控制系統(tǒng)。辨識(shí)完全建立在對(duì)控制過(guò)程輸入和輸出信號(hào)測(cè)量的基礎(chǔ)上?？刂破鲄?shù)的計(jì)算則來(lái)自于被辨識(shí)的過(guò)程模型或估計(jì)參數(shù)，而且辨識(shí)和控制器設(shè)計(jì)算法都是在閉環(huán)實(shí)時(shí)在線下實(shí)現(xiàn)的。

第二十一頁(yè)，共23頁(yè)。性能準(zhǔn)則優(yōu)化是指回路性能計(jì)算和決策如何調(diào)整自適應(yīng)控制器。