航天自適應(yīng)控制

航天自適應(yīng)控制能保持高性能指標(biāo)的控制理論與技術(shù)01發(fā)展概況特點系統(tǒng)定義組成主要特征功能系統(tǒng)類型目錄030502040607常用的控制器存在的問題應(yīng)用發(fā)展方向目錄0908010基本信息航天自適應(yīng)控制是一種能保持高性能指標(biāo)的控制理論與技術(shù)。它能夠自動地補償在模型階次、參數(shù)和輸入信號方面非預(yù)知的變化，這就是自適應(yīng)控制。而自適應(yīng)控制器的特點就是它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動的動力學(xué)特性變化。發(fā)展概況發(fā)展概況自適應(yīng)控制系統(tǒng)首先由Draper和Li在1951年提出，他們介紹了一種能使性能特性不確定的內(nèi)燃機達到最優(yōu)性能的控制系統(tǒng)。而自適應(yīng)這一專門名詞是1954年由Tsien在《工程控制論》一書中提出的，其后，1955年Benner和Drenick也提出一個控制系統(tǒng)具有“自適應(yīng)”的概念。自適應(yīng)控制發(fā)展的重要標(biāo)志是在1958午Whitaker“及共同事設(shè)計了一種自適應(yīng)飛機飛行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用參考模型期望特性和實際飛行特性之間的偏差去修改控制器的參數(shù)，使飛行達到最理想的特性，這種系統(tǒng)稱為模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(MRAC系統(tǒng))。此后，此類系統(tǒng)因英國皇家軍事科學(xué)院的Parks利用李稚普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定性理論和法國Landau利用Popov的超穩(wěn)定性理論等設(shè)計方法而得到很大的發(fā)展，使之成為—種最基本的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。1974年，為了避免出現(xiàn)輸出量的微分信號，美國的Monopli提出了一種增廣誤差信號法，因而使輸入輸出信號設(shè)汁的自適應(yīng)控制系統(tǒng)更加可靠地應(yīng)用與實際工程中。1960年Li和WanDerVelde提出的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，他的控制回路中用一個極限環(huán)使參數(shù)不確定性得到自動補償，這樣的系統(tǒng)成為自振蕩的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。Petrov等人在1963年介紹了一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，它的控制數(shù)如有一個開關(guān)函數(shù)或繼電器產(chǎn)生，并以與參數(shù)值有關(guān)的系統(tǒng)軌線不變性原理為基礎(chǔ)來設(shè)計系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。組成組成航天自適應(yīng)系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、自適應(yīng)器及反饋控制回路和自適應(yīng)回路組成。

特點特點自身特點自適應(yīng)控制必須首先要在工作過程中不斷地在線辨識系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)及參數(shù)）或性能，作為形成及修正最優(yōu)控制的依據(jù)，這就是所謂的自適應(yīng)能力，它是自適應(yīng)控制主要特點。就是說它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動的動力學(xué)特性變化。自適應(yīng)控制特點與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)比較，自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個顯著特點：(1)控制器可調(diào)相對于常規(guī)反饋控制器固定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器在控制的過程中一般是根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，不斷更改或變動的；(2)增加了自適應(yīng)回路自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路（或稱自適應(yīng)外環(huán)），它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運行情況，自動調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對象特性的變化；主要特征功能主要特征功能（1）過程信息的在線積累在線積累過程信息的目的i，是為了降低對被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值的原有的不確定性。為此，可用系統(tǒng)辨識的方法在線辨識被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過程信息；也可通過測量能反映過程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過程信息。（2）可調(diào)控制器可調(diào)控制器是指它的結(jié)果、參數(shù)或信號可以根據(jù)性能指標(biāo)要求和被控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進行自動調(diào)整。這種可調(diào)性要求是由被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的不定性決定的，否則就無法對過程實現(xiàn)有效的控制。（3）性能指標(biāo)的控制性能指標(biāo)可分為開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。自適應(yīng)控制主要經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：1）模型參考自適應(yīng)方法2）自校正控制方法3）自適應(yīng)系統(tǒng)的收斂性分析4）自適應(yīng)控制的魯棒性分析及魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義自適應(yīng)控制系統(tǒng)尚沒有公認的統(tǒng)一定義，一些學(xué)者針對比較具體的系統(tǒng)構(gòu)成方式提出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的定義。有些定義得到了自適應(yīng)控制研究領(lǐng)域廣大學(xué)者的認同。下面介紹兩個影響比較廣泛的定義。定義1（Gibson，1962年）一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)提供被控對象當(dāng)前狀態(tài)的連續(xù)信息，即辨識對象；將當(dāng)前系統(tǒng)性能與期望性能或某種最優(yōu)化指標(biāo)進行比較，在此基礎(chǔ)上做出決策，對控制器進行實時修正，使得系統(tǒng)趨向期望性能或趨于最優(yōu)化狀態(tài)。定義2（Landau，1974年）一個自適應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)利用可調(diào)系統(tǒng)的各種輸入-輸出信息來度量某個性能指標(biāo)，然后將測量得出的性能指標(biāo)與期望指標(biāo)進行比較，由自適應(yīng)機構(gòu)來修正控制器的參數(shù)或產(chǎn)生一個輔助信號，以使系統(tǒng)接近規(guī)定的性能指標(biāo)并保持。定義1和定義2實際上規(guī)定了兩類最重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)：自校正系統(tǒng)和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它們的區(qū)別在于：定義1所規(guī)定的系統(tǒng)需要對系統(tǒng)進行辨識，定義2所規(guī)定的系統(tǒng)不需要進行顯示的辨識；定義1要求自適應(yīng)系統(tǒng)按照某種最優(yōu)指標(biāo)做出決策，定義2不要求進行顯式的決策，而將其隱含在某種已知的（通過參考模型表示）性能指標(biāo)之中。不過兩者的基本思想都是一致的。系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型自從50年代末由美國麻省理工學(xué)院提出第一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來，先后出現(xiàn)過許多不同形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。比較成熟的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有下述幾大類。(1)可變增益自適應(yīng)控制系統(tǒng)這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)迅速，在許多方面都有應(yīng)用。調(diào)節(jié)器按被控過程的參數(shù)的變化規(guī)律進行設(shè)計，也就是當(dāng)被控對象（或控制過程）的參數(shù)因工作狀態(tài)或環(huán)境情況的變化而變化時，通過能夠測量到的某些變量，經(jīng)過計算而按規(guī)定的程序來改變調(diào)節(jié)器的增益，以使系統(tǒng)保持較好的運行性能。另外在某些具有非線性校正裝置和變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)器本身對系統(tǒng)參數(shù)變化不靈敏。采用此種自適應(yīng)控制方案往往能去的較滿意的效果。(2)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（ModelReferenceAdaptiveSystem，簡稱MRAS）模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機構(gòu)等部分組成設(shè)計這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的核心問題是如何綜合自適應(yīng)調(diào)整律，即自適應(yīng)機構(gòu)所應(yīng)遵循的算法。關(guān)于自適應(yīng)調(diào)整律的設(shè)計目前存在兩類不同的方法。其中一種稱為局部參數(shù)最優(yōu)化地方法，即利用梯度或其他參數(shù)優(yōu)化的第推算法，求得一組控制器的參數(shù)，使得某個預(yù)定的性能指標(biāo)，如J=∫e2(t)dt，達到最小。最早的MIT自適應(yīng)律就是利用這種方法求得的。這種方法的缺點是不能保證參數(shù)調(diào)整過程中，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。常用的控制器常用的控制器航天器智能自適應(yīng)控制是航天器智能自主控制的一個重要組成部分。

控制器是自適應(yīng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，是實現(xiàn)既定控制策略和保障控制性能的重要環(huán)節(jié)。以下介紹幾種控制器基于線性理論下的控制方法。一般的線性控制器一般的控制器可描述為:PID控制器PID控制器是一種具有固定結(jié)構(gòu)形式的線性控制器傳遞函數(shù)：對消控制器控制器傳遞函數(shù)為：非周期控制器應(yīng)用應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的自校正控制戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在整個飛行過程中，由于飛行速度和高度的變化，使彈體參數(shù)劇烈變化，嚴(yán)重地影響了控制性能。當(dāng)用經(jīng)典控制理論設(shè)計自動駕駛儀時，一般采用舵回路、阻尼回路和加速度回路來減弱參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，但用這種方法不能完全消除參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。為了進一步提高導(dǎo)彈的控制性能，有必要采用自適應(yīng)控制。自校正控制是自適應(yīng)控制的一種，它適用于結(jié)構(gòu)已知，但參數(shù)未知而恒定或參數(shù)緩慢變化的系統(tǒng)。采用自校正控制需要辨識被控系統(tǒng)的參數(shù)，并自動校正控制作用，達到預(yù)期的控制效果。用自校正控制技術(shù)設(shè)計自動駕駛儀，能夠使被控系統(tǒng)適應(yīng)參數(shù)變化，保持較好的性能?？臻g環(huán)境模擬器自適應(yīng)控制隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對航天器零部件的可靠性要求越來越高。為了確保航天器在太空可靠遠行，航天器零部件必須在地面進行真空冷熱浸試驗、真空交變試驗等各種空間環(huán)境模擬試驗?？臻g環(huán)境模擬器就是提供這種條件的一套試驗設(shè)備。由于控制過程的復(fù)雜性和不能對被控對象進行事先測定以及在控制過程中希望不要人工干預(yù)等，用PID調(diào)節(jié)器，每做一次環(huán)境模擬試驗，都要調(diào)試Kp、Ki、Kd等參數(shù)，非常麻煩，且保證不了過渡過程中超調(diào)調(diào)小于2℃的要求。用一般最佳控制，其狀態(tài)方程的參數(shù)無法確定。存在的問題存在的問題①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；其通用性和開放性嚴(yán)重不足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漸近收斂，而實際工程應(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)性能不滿足實際要求；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)，進而影響系統(tǒng)性能。發(fā)展方向發(fā)展方向總述①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；②研究魯棒自適應(yīng)控制方法，解決高頻未建模問題；③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；④自適應(yīng)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(yīng)控制策略，主要有自適應(yīng)PID控制和智能自適應(yīng)控制航天自適應(yīng)控制未來發(fā)展的方向：結(jié)合神經(jīng)絡(luò)、模糊控制、知識庫和專家系統(tǒng)