自適應控制的應用研究現狀

自適應控制的應用研究現狀

0自適應控制技術的應用反饋控制用于更精確地控制大多數操作情況。在某些情況下，前反饋控制可以實現減少輸入擾動的影響。但有些對象具有很大的不確定性、時變性和內外擾動,簡單的反饋加前饋控制效果很不理想。長期以來,這是自動控制領域所面臨的一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題,自適應控制正是在這樣的背景下提出的。其基本思想是通過不斷地監(jiān)測被控對象,根據其變化來調整控制參數,從而使系統(tǒng)運行于最優(yōu)或次優(yōu)狀態(tài)。自適應控制最初(20世紀50年代末期)主要應用于航天航空領域,此時相應的理論和方法還不成熟,應用上遇到一些失敗,但部分人仍然堅持研究,并將其應用推廣至其他工業(yè)部門;到七十年代隨著控制理論和計算機技術的發(fā)展,自適應控制取得重大進展,在光學跟蹤望遠鏡、化工、冶金、機加工和核電中的成功應用也充分證明了其有效性;此后,自適應控制技術的應用更得到大幅度擴展;目前從美國新的登月計劃到臨床醫(yī)學領域,自適應控制技術的應用都方興未艾。本文總結自適應控制在國內外的應用研究概況。1自動化技術的發(fā)展自適應控制引起人們廣泛的關注,主要是由于生產實踐和科學技術的不斷發(fā)展對自動化提出了更高的要求。至今,自適應控制不僅在工業(yè)領域取得了較大的成功,而且在社會、經濟和醫(yī)學等非工業(yè)領域也進行了有益的探索,出現了一些成功的應用實例。1.1典型應用于工業(yè)領域(1)自適應動態(tài)力控制自適應控制在智能化高精密機電或電液系統(tǒng)中應用較多的有以下幾個領域:機器人、不間斷電源、電機或液壓伺服系統(tǒng)等的控制。加拿大宇航局的朱文紅等提出通過直接測量負載單元的輸出力實現液壓缸輸出力自適應控制的策略。輸出力誤差不僅用于反饋控制,而且用于動態(tài)更新摩擦模型的參數,這樣可保證缸內壓力誤差和輸出力誤差的L2穩(wěn)定和L∞穩(wěn)定。試驗結果表明缸內壓力的良好控制并不能保證輸出力的良好控制,并且自適應摩擦補償比固定參數摩擦補償效果更好。液壓缸輸出力控制的優(yōu)異性能使其動態(tài)性能在預定的帶寬內與電驅動馬達相當,從而可以用一個液壓機器人仿效電驅動機器人。圣瑪利亞聯(lián)合大學的Grundling,HiltonAbilio等提出了一種修正的全局穩(wěn)定的魯棒模型參考自適應迭代控制方法,并用于一種單相不間斷電源(UPS)的電壓源PWM反相器及其相應的RLC負載濾波器的控制,獲得了近似正弦的輸出電壓。同時,他們還提出了一種自適應方法用于對三相UPS的控制。對于一類同時具有可重復和不可重復不確定性的非線性系統(tǒng),普度大學機械工程學院的Xu,L.等將自適應魯棒控制和迭代控制結合起來構造了一種面向性能的控制律。在確定的已知邊界條件函數下,迭代控制算法用來學習和逐步接近未知的可重復非線性,魯棒性的構造則用于削弱各種不確定性的影響,尤其是不可重復不確定性的影響,從而保證了直線電機驅動系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和最終的跟蹤精度。江蘇大學的孫宇新等基于單神經元設計出用于感應電機矢量控制的自適應磁鏈和轉速控制器,利用神經元的自學習功能在線調節(jié)連接權重。該控制系統(tǒng)的動態(tài)性能良好。單神經元的數學模型如圖1所示。(2)基于自適應控制的快速響應量控制模式的突破工業(yè)過程自20世紀30年代后期以來已越來越依賴自動化裝置,反饋控制是通用的控制方法,經歷了從比例控制到智能控制的發(fā)展歷程。最近30多年,自適應策略在工業(yè)過程控制中獲得了廣泛的應用,主要包括化工過程、造紙過程、食品加工過程、冶金過程、鋼鐵制造過程、機械加工過程等應用領域。大連理工大學的張志軍將兩個多層模糊神經網絡分別用于化工過程系統(tǒng)辨識和控制,通過不斷更新模糊成員函數來實現自適應控制。結合運用BFGS和最小二乘算法在線訓練神經網絡,使模型的精度提高從而控制性能大大提高,克服了模型不匹配和時變的影響。卷煙工藝烘絲過程中煙絲含水率的變化具有較強的非線性、不確定性和大滯后特性,同時存在干擾和噪聲,運用常規(guī)PID算法難以達到期望的控制效果。國內的與合作,采用無模型自適應控制器結合漸進辨識方法對烘絲過程的煙絲含水率控制系統(tǒng)進行改造,降低了干頭干尾的數量,提高了卷煙生產質量。寶鋼股份公司的羌菊興等將高速穩(wěn)態(tài)自適應控制技術拓展到帶鋼生產的頭尾控制上,進一步減少了帶鋼頭尾厚度超差的長度,提高了產品的質量和產量。自動調節(jié)切削用量以適應切削過程中不斷變化的加工條件,保證切削效果最優(yōu),這是自適應切削原理。圖2為一種機床切削自適應控制系統(tǒng),通過檢測主軸切削力信號和聲發(fā)射信號,經處理可得到主軸實際有效功率、切削速度修正系數、刀具破損信息或損壞報警信息。美國密西根大學的UlsoyA.G.通過調整進給率來控制金屬切削過程中的切削力,給出了分別用于切削和磨削的兩種自適應控制系統(tǒng)。他還將自適應控制應用于加工過程的誤差補償和由切削力引起的刀具磨損在線監(jiān)測。(3)自適應控制器的應用飛行體控制表面的偏轉所產生的力矩是速度、高度和功角的函數,因此,飛行過程中其傳遞函數始終在發(fā)生很大的變化,線性控制系統(tǒng)無法獲得滿意的結果。隨著飛機性能的不斷提升,尤其是宇宙飛船的出現,航天航空領域對自適應控制的興趣日益增加。美國宇航局(NASA)的GuptaPramod等經過研究認為必須對基于神經網絡的自適應控制器性能進行適當的監(jiān)測和評估以后,才能將其安全可靠地用于現代巡航導彈控制,并給出了利用貝葉斯方法的查證和確認方法及其在NASA的智能飛行控制系統(tǒng)中的模擬結果。辛辛那提大學的SlaterG.L.利用自適應方法大大改善飛機在起飛階段的爬升性能預測,即根據測試和計算的能量比率自適應調整飛行器推力依賴度,這樣有利于飛機在爬升過程中與空中的其他飛行器合流。由于海況變化較大,在大型船舶自動駕駛儀中采用自適應控制取代傳統(tǒng)的PID控制,可提高經濟性和精確度和自動化程度。到20世紀80年代,除了航向,船舶的側擺也可通過對方向舵液壓伺服系統(tǒng)的自適應調節(jié)加以控制。在裝備RTKGPS傳感器的農用車的精確導航中,傳統(tǒng)的控制率在不打滑的情況下能獲得滿意的控制精度。但是在有斜坡的濕地,打滑不可避免。Lenain,R.等設計了一種非線性自適應控制律,根據對打滑的實時評估來修正車輛的運動,使控制精度在存在打滑時仍得以保持。(4)自適應模態(tài)空間控制邁切斯特大學的顧志強等結合RBF神經網絡辨識器和PID神經網絡控制器構成建筑結構自適應控制系統(tǒng),具體結構如圖3所示。對于受外部擾動(不同的地震載荷)的線性單自由度建筑結構,該控制方法能有效地抑制其振動。密西根科技大學的SchultzeJohnF.等對一種類似機翼的懸臂梁柔性結構采用自適應模態(tài)空間控制。對于時變系統(tǒng),該控制器的頻帶較寬,且具有很好的解耦性能。(5)psd控制器自適應策略在電力系統(tǒng)控制中的應用主要包括: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)電量控制等方面。針對電廠主蒸汽溫度調節(jié)的大時滯和不確定性,我國東北電力大學的顧俊杰等采用自適應PSD控制方法,并結合運用內?？刂破?。與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)相比,自適應PSD控制算法簡單、計算量小,并且能減少超調量、加快相應速度、縮短穩(wěn)定時間。東南大學的胡一倩等對PID模糊控制器的參數進行自適應調整,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)大學的徐立新等結合專家經驗得出燃氣輪機模糊PI控制規(guī)律,并據此設計了透平轉速和排氣溫度的模糊自適應PI控制器,提高了燃氣輪機的性能且實現非常方便。1.2非工業(yè)領域的應用自適應控制在非工業(yè)領域中的應用目前雖不廣泛,但已有成功應用的實例,顯示出一定的前景。(1)自適應的報業(yè)供應新西蘭納皮爾大學管理學院數學和統(tǒng)計學中心的皮爾森·邁克研究了當需求不確定時,報刊批發(fā)商如何自適應地確定最佳的報刊供應量,以使成本最低、利潤最大。美國明尼蘇達大學武克強等通過靈敏度分析研究了將自適應控制理論應用于服務質量設計和保證中所存在地問題,并提出了一種自適應雙重控制結構來減輕這種局限性。(2)自適應控制技術在水處理過程中,投藥單耗與原水的濁度和溫度密切相關,而原水水質隨季節(jié)改變,且每年相同季節(jié)的原水水質也會有所不同。深圳市清泉水系統(tǒng)工程設備有限公司葉昌明等研制了一種自適應控制投藥設備。該設備可自動學習最佳投藥控制規(guī)律,并根據水質及環(huán)境狀態(tài)選擇最佳投藥量。自適應控制在臨床醫(yī)學中的應用發(fā)展非常迅速。南加利佛尼亞大學的Jelliffe,RogerW.利用自適應方法來控制后續(xù)的慶大霉素血清藥物濃度。采用基于貝葉斯方法的開環(huán)反饋自適應藥物代謝控制系統(tǒng),并仔細對照病人的臨床表現與適用模型的輸出(生理表現),醫(yī)生就可以確定最適合該病人的治療目標。清華大學的郝智秀和申永勝發(fā)明了一種假手握力自適應控制裝置,以實現假手握物感覺的反饋。該控制裝置使截肢者使用肌電假手時有真肢感。2自適應控制研究自適應控制雖然具有很大優(yōu)越性,可是經過了五十多年的發(fā)展,到目前為止其應用仍不夠廣,究其原因,主要是因為存在以下幾方面的問題:①自適應控制理論上很難得到一般解,給推廣應用帶來了困難;②目前的參數估計方法都是在理想情況下隨時間趨于無窮而漸近收斂,而實際工程應用需要在有限時間內快速收斂的參數估計方法;③有些自適應控制器啟動過程或過渡過程的動態(tài)性能不滿足實際要求;④控制精度與參數估計的矛盾;⑤低階控制器中存在高頻未建模;⑥測量精度直接影響控制器參數,進而影響系統(tǒng)性能。對應上述存在的問題,自適應控制研究在今后一段時期內的發(fā)展方向將包括以下幾個方面:①在保證自適應控制精度的前提下,研究快速收斂的參數估計算法;②研究魯棒自適應控制方法,解決高頻未建模問題;③解決自適應控制系統(tǒng)啟動階段和過渡過程的參數收斂和動態(tài)性能問題;④自適應控制方案的規(guī)范化,即提高其通用性和開放性;⑤研究組合自適應控制策略,主要有自適應PID控制和智能自適應控制。3將進一步推動日本的自適應控制技術攻關自適應控制技術在20世紀80年代即開始向產品過渡,但至今推廣應用還很有限,主要是由于其通用性和開放性嚴重不足。在今后一段時間內,相對簡單的反饋、前饋和其他成熟的