自適應(yīng)控制課程總結(jié)及實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上自 適 應(yīng) 控 制一、課程綜述1. 引言傳統(tǒng)的控制理論中，當(dāng)對象是線性定常、并且完全已知的時候，才能進(jìn)行分析和控制器設(shè)計。無論是采用頻域方法還是狀態(tài)空間方法對象一定是已知的。這類方法稱為基于完全模型的方法。在模型能夠精確的描述實(shí)際對象時，基于完全模型的控制方法可以進(jìn)行各種分析、綜合，并得到可靠、精確和滿意的控制效果。因此，在工程中，要成功設(shè)計一個良好的控制系統(tǒng)，不論是通常的反饋控制系統(tǒng)或是最優(yōu)控制系統(tǒng)，都需要掌握好被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。然而，有一些實(shí)際被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是很難事先通過機(jī)理建?；螂x線系統(tǒng)辨識來確知的，或者它們的數(shù)學(xué)模型的某些參數(shù)或結(jié)構(gòu)是處于變化之中的。對于

2、這些事先難以確定數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，通過事先鑒定好控制器參數(shù)的常規(guī)控制難以應(yīng)付。面對這些系統(tǒng)特性未知或經(jīng)常處于變化之中而無法完全事先確定的情況，如何設(shè)計一個滿意的控制系統(tǒng)，使得能主動適應(yīng)這些特性未知或變化的情況，這就是自適應(yīng)控制所要解決的問題。2. 自適應(yīng)控制的原理自適應(yīng)控制的定義：(1)不論外界發(fā)生巨大變化或系統(tǒng)產(chǎn)生不確定性，控制系統(tǒng)能自行調(diào)整參數(shù)或產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)仍能按某一性能指標(biāo)運(yùn)行在最佳狀態(tài)的一種控制方法。(2)采用自動方法改變或影響控制參數(shù)，以改善控制系統(tǒng)性能的控制。自適應(yīng)控制的基本思想是：在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，系統(tǒng)本身不斷的測量被控系統(tǒng)的狀態(tài)、性能和參數(shù)，從而“認(rèn)識”或“掌握”系

3、統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行指標(biāo)并與期望的指標(biāo)相比較，進(jìn)而做出決策，來改變控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或根據(jù)自適應(yīng)規(guī)律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在某種意義下的最優(yōu)或次優(yōu)狀態(tài)。按這種思想建立起來的控制系統(tǒng)就稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制是主動去適應(yīng)這些系統(tǒng)或環(huán)境的變化，而其他控制方法是被動地、以不變應(yīng)萬變地靠系統(tǒng)本身設(shè)計時所考慮的穩(wěn)定裕度或魯棒性克服或降低這些變化所帶來的對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能指標(biāo)的影響。好的自適應(yīng)控制方法能在一定程度上適應(yīng)被控系統(tǒng)的參數(shù)大范圍的變化，使控制系統(tǒng)不僅能穩(wěn)定運(yùn)行，而且保持某種意義下的最優(yōu)或接近最優(yōu)。自適應(yīng)控制也是一種基于模型的方法，與基于完全模型的控制方法相比，它所以來的關(guān)于模型和擾動的先驗(yàn)

4、知識比較少，自適應(yīng)控制策略可以在運(yùn)行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，自動地使模型逐漸完善。3. 自適應(yīng)控制的現(xiàn)狀因設(shè)計的原理和結(jié)構(gòu)的不同,自適應(yīng)控制系統(tǒng)大致可分為如下幾種主要形式:變增益控制、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自校正控制系統(tǒng)。(1)變增益控制：結(jié)構(gòu)和原理比較直觀,調(diào)節(jié)器按被控系統(tǒng)的參數(shù)已知變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)參數(shù)因工作情況和環(huán)境等變化而變化時,通過能測量到反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)變量,比照對系統(tǒng)的運(yùn)行的要求(或性能指標(biāo)),經(jīng)過計算并按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)雖然僅僅是對增益的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié),難以完全克服系統(tǒng)模型未知或模型參數(shù)變化帶來的影響以實(shí)現(xiàn)完善的自適應(yīng)控制,但是由于

5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)迅速,所以在許多實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。(2)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng) ：模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)源于確定性伺服問題，它由兩個環(huán)路所組成。內(nèi)環(huán)由調(diào)節(jié)器與被控系統(tǒng)組成可調(diào)系統(tǒng),外環(huán)由參考模型與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。(3)自校正控制系統(tǒng):自校正控制系統(tǒng)又稱為參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng),它源于隨機(jī)調(diào)節(jié)問題，該系統(tǒng)有兩個環(huán)路,一個環(huán)路由參數(shù)可調(diào)的調(diào)節(jié)器和被控系統(tǒng)所組成,稱為內(nèi)環(huán),它類似于通常的反饋控制系統(tǒng)；另一個環(huán)路由遞推參數(shù)估計器與調(diào)節(jié)器參數(shù)計算環(huán)節(jié)所組成,稱為外環(huán)。自校正控制系統(tǒng)與其它自適應(yīng)控制系統(tǒng)的區(qū)別為其有一顯性進(jìn)行系統(tǒng)辨識和控制器參數(shù)計算(或設(shè)計)的環(huán)節(jié)這一顯著特征。自校正控制的思想是將在線參數(shù)估計

6、與調(diào)節(jié)器的設(shè)計有機(jī)的結(jié)合在一起。自適應(yīng)控制常常兼有隨機(jī)性、非線性和時變等特征,內(nèi)部機(jī)理也相當(dāng)復(fù)雜,所以分析這類系統(tǒng)十分困難。目前,已被廣泛研究的理論課題有穩(wěn)定性、收斂性和魯棒性等,但取得的成果與人們所期望的還相差甚遠(yuǎn)。自適應(yīng)控制也在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用：(1)智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)控制 (2)工業(yè)過程控制(3)航天航空、航海和特種汽車無人駕駛(4)柔性結(jié)構(gòu)與振動和噪聲的控制(5)電力系統(tǒng)的控制此外，自適應(yīng)控制還在在社會、經(jīng)濟(jì)和管理和環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行了應(yīng)用。自適應(yīng)控制常常兼有隨機(jī)性、非線性和時變等特征，內(nèi)部機(jī)理也相當(dāng)復(fù)雜，所以分析這類系統(tǒng)十分困難。目前，已被廣泛研究的理論課題有

7、穩(wěn)定性、收斂性和魯棒性等，但取得的成果與人們所期望的還相差甚遠(yuǎn)。(1)穩(wěn)定性穩(wěn)定性是一個控制系統(tǒng)設(shè)計中的首要目標(biāo)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計亦如此。(2)收斂性自適應(yīng)控制系統(tǒng)的收斂性是指其自適應(yīng)規(guī)律是否收斂于參數(shù)已知時的最優(yōu)化控制規(guī)律。Anderson在80年代初曾提出，缺乏系統(tǒng)持續(xù)激勵的自適應(yīng)系統(tǒng)，由于其自適應(yīng)規(guī)律未能一致性收斂，則被控系統(tǒng)的輸出將發(fā)生間歇性“噴發(fā)（bursting）”現(xiàn)象。因此，自適應(yīng)系統(tǒng)的收斂性問題是一個相當(dāng)重要的問題，它將關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的性能。(3)魯棒性粗略地說，系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)的某種性能指標(biāo)對系統(tǒng)內(nèi)部和環(huán)境變化擾動或未建模動力學(xué)特性的不敏感性。所討論的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性

8、的不敏感性，則稱為魯棒穩(wěn)定性。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的魯棒性主要是指：在存在擾動和未建模動力學(xué)特性的條件下，系統(tǒng)保持其穩(wěn)定性和性能的能力。自適應(yīng)控制雖然具有很大的優(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，究其原因，主要是因?yàn)榇嬖谝韵聨追矫娴膯栴}：(1)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(2)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逐漸收斂，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(3)有些自適應(yīng)控制器啟動過程或過渡過程的動態(tài)性能不能滿足實(shí)際要求(4)控制精度與參數(shù)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(shù)，進(jìn)而影

9、響系統(tǒng)性能4. 自適應(yīng)控制未來的發(fā)展(1)在保證自適應(yīng)控制精度的前提下，研究快速收斂的估計算法，探索工程實(shí)用方法以快速確定參數(shù)估計的初值與計算范圍，解決啟動與過度階段的動態(tài)性能問題(2)研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問題(3)今后階段應(yīng)發(fā)展快速高效的全系數(shù)自適應(yīng)控制方法，減少甚至取消現(xiàn)場調(diào)試(4)自適應(yīng)控制方案的規(guī)范化，即進(jìn)行有實(shí)際意義的分類研究，提出具有一定通用性的控制模型，同時對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成進(jìn)行規(guī)范化，從而增加系統(tǒng)的開放性與可移植性(5)研究組合自適應(yīng)控制策略，主要有自適應(yīng)PID控制和智能自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制的發(fā)展與控制理論的進(jìn)展密切相關(guān)，控制理論的許多成果逐步滲透到自適應(yīng)控制技

10、術(shù)中，自適應(yīng)的基本思想與控制理論的結(jié)合產(chǎn)生了許多新型的自適應(yīng)控制技術(shù)。這種自適應(yīng)的思想不僅應(yīng)用于工業(yè)控制中，且廣泛的應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、管理等各個方面。二、實(shí)驗(yàn)報告以下是一個關(guān)于PID調(diào)節(jié)參數(shù)自整定的實(shí)驗(yàn)，傳遞函數(shù)： ，實(shí)現(xiàn)繼電式自整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。其中：繼電器幅值d=1，設(shè)定R(s)=1/s。1. 實(shí)驗(yàn)步驟(1)離散化對象和調(diào)節(jié)器。(2)整定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。(3)連接繼電器，測量和獲取對象的臨界增益和臨界周期。(4)根據(jù)對象的臨界增益和臨界周期，確定PID參數(shù)。(5)根據(jù)調(diào)節(jié)效果，修正PID參數(shù)。2. 實(shí)驗(yàn)程序T=0.1; %采樣時間 y=zeros(1000,1); d=zeros(1

11、000,1); %差分法使對象離散A=100/(T3)+530/(T2)+152/T+10;B=-100*3/(T3)-530*2/(T2)-152/T;C=100*3/(T3)+530/(T2);D=-100/(T3); for k=4:1:1000 u(k)=0; %為系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，假定輸入u=0 y(k)=(d(k)-B*y(k-1)-C*y(k-2)-D*y(k-3)/A; er=u(k)-y(k); if er>0 %繼電輸出是周期性的對稱方波 d(k+1)=1;else d(k+1)=-1; endend i=1:1:300;plot(i,y(i);Kp=12.74;Ti=7

12、.75;Td=2.015;T=0.1; u=zeros(1,1000);y=zeros(1,1000);e=zeros(1,1000);%控制器離散a=Kp*Ti*Td/T2+Kp*Ti/T+Kp;b=-2*Kp*Ti*Td/T2-Kp*Ti/T;c=Kp*Ti*Td/T2;d=Ti/T; %對象離散A=100/(T3)+80/(T2)+17/T+1;B=-100*3/(T3)-80*2/(T2)-17/T;C=100*3/(T3)+80/(T2);D=-100/(T3); for k=4:1:1000 r(k)=1; u(k)=u(k-1)+(a*e(k)+b*e(k-1)+c*e(k-2)

13、/d; y(k)=(u(k)-B*y(k-1)-C*y(k-2)-D*y(k-3)/A; e(k+1)=r(k)-y(k);endi=1:1:1000;plot(i,y(i);3. 運(yùn)行結(jié)果：圖1 系統(tǒng)等幅振蕩圖圖2 PID參數(shù)整定圖4. 程序運(yùn)行結(jié)果分析 基于繼電反饋的整定方法，這種整定方法的基本思路是在繼電反饋下觀測對象的極限環(huán)震蕩，過程的基本性質(zhì)可由極限環(huán)的特征確定，然后算出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體方法如下：本次實(shí)驗(yàn)采用ZIEGLER-NICHOLS方法(臨界比例度法)：振蕩周期Tc - 臨界周期調(diào)節(jié)器的增益Kc - 臨界增益增益Kc的倒數(shù)×100：臨界比例度(%)ZIEGLER-NICHOLS 公式（4:1衰減比 ）調(diào)節(jié)規(guī)律(%)TiTdPID1.70.5Tc0.13Tc根據(jù)圖形和Z-N整定公式：Tc=(854-699)*T=155*0.1=15.5Kc=4*d/(3.14*a)=4*1/(3.14*0.1)=12.74PID：=1.7*1/Kc=1.7*1/K