自適應(yīng)控制的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自適應(yīng)控制的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

0自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用反饋控制用于更精確地控制大多數(shù)操作情況。在某些情況下，前反饋控制可以實(shí)現(xiàn)減少輸入擾動(dòng)的影響。但有些對(duì)象具有很大的不確定性、時(shí)變性和內(nèi)外擾動(dòng),簡單的反饋加前饋控制效果很不理想。長期以來,這是自動(dòng)控制領(lǐng)域所面臨的一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題,自適應(yīng)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(duì)象,根據(jù)其變化來調(diào)整控制參數(shù),從而使系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)或次優(yōu)狀態(tài)。自適應(yīng)控制最初(20世紀(jì)50年代末期)主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域,此時(shí)相應(yīng)的理論和方法還不成熟,應(yīng)用上遇到一些失敗,但部分人仍然堅(jiān)持研究,并將其應(yīng)用推廣至其他工業(yè)部門;到七十年代隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)控制取得重大進(jìn)展,在光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡、化工、冶金、機(jī)加工和核電中的成功應(yīng)用也充分證明了其有效性;此后,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用更得到大幅度擴(kuò)展;目前從美國新的登月計(jì)劃到臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用都方興未艾。本文總結(jié)自適應(yīng)控制在國內(nèi)外的應(yīng)用研究概況。1自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展自適應(yīng)控制引起人們廣泛的關(guān)注,主要是由于生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)自動(dòng)化提出了更高的要求。至今,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(huì)、經(jīng)濟(jì)和醫(yī)學(xué)等非工業(yè)領(lǐng)域也進(jìn)行了有益的探索,出現(xiàn)了一些成功的應(yīng)用實(shí)例。1.1典型應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域(1)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)力控制自適應(yīng)控制在智能化高精密機(jī)電或電液系統(tǒng)中應(yīng)用較多的有以下幾個(gè)領(lǐng)域:機(jī)器人、不間斷電源、電機(jī)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(fù)載單元的輸出力實(shí)現(xiàn)液壓缸輸出力自適應(yīng)控制的策略。輸出力誤差不僅用于反饋控制,而且用于動(dòng)態(tài)更新摩擦模型的參數(shù),這樣可保證缸內(nèi)壓力誤差和輸出力誤差的L2穩(wěn)定和L∞穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明缸內(nèi)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(yīng)摩擦補(bǔ)償比固定參數(shù)摩擦補(bǔ)償效果更好。液壓缸輸出力控制的優(yōu)異性能使其動(dòng)態(tài)性能在預(yù)定的帶寬內(nèi)與電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相當(dāng),從而可以用一個(gè)液壓機(jī)器人仿效電驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。圣瑪利亞聯(lián)合大學(xué)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(yīng)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(yīng)的RLC負(fù)載濾波器的控制,獲得了近似正弦的輸出電壓。同時(shí),他們還提出了一種自適應(yīng)方法用于對(duì)三相UPS的控制。對(duì)于一類同時(shí)具有可重復(fù)和不可重復(fù)不確定性的非線性系統(tǒng),普度大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的Xu,L.等將自適應(yīng)魯棒控制和迭代控制結(jié)合起來構(gòu)造了一種面向性能的控制律。在確定的已知邊界條件函數(shù)下,迭代控制算法用來學(xué)習(xí)和逐步接近未知的可重復(fù)非線性,魯棒性的構(gòu)造則用于削弱各種不確定性的影響,尤其是不可重復(fù)不確定性的影響,從而保證了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和最終的跟蹤精度。江蘇大學(xué)的孫宇新等基于單神經(jīng)元設(shè)計(jì)出用于感應(yīng)電機(jī)矢量控制的自適應(yīng)磁鏈和轉(zhuǎn)速控制器,利用神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能在線調(diào)節(jié)連接權(quán)重。該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好。單神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。(2)基于自適應(yīng)控制的快速響應(yīng)量控制模式的突破工業(yè)過程自20世紀(jì)30年代后期以來已越來越依賴自動(dòng)化裝置,反饋控制是通用的控制方法,經(jīng)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(yīng)策略在工業(yè)過程控制中獲得了廣泛的應(yīng)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(jī)械加工過程等應(yīng)用領(lǐng)域。大連理工大學(xué)的張志軍將兩個(gè)多層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別用于化工過程系統(tǒng)辨識(shí)和控制,通過不斷更新模糊成員函數(shù)來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。結(jié)合運(yùn)用BFGS和最小二乘算法在線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),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(shí)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(qiáng)的非線性、不確定性和大滯后特性,同時(shí)存在干擾和噪聲,運(yùn)用常規(guī)PID算法難以達(dá)到期望的控制效果。國內(nèi)的與合作,采用無模型自適應(yīng)控制器結(jié)合漸進(jìn)辨識(shí)方法對(duì)烘絲過程的煙絲含水率控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,降低了干頭干尾的數(shù)量,提高了卷煙生產(chǎn)質(zhì)量。寶鋼股份公司的羌菊興等將高速穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)控制技術(shù)拓展到帶鋼生產(chǎn)的頭尾控制上,進(jìn)一步減少了帶鋼頭尾厚度超差的長度,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。自動(dòng)調(diào)節(jié)切削用量以適應(yīng)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(yīng)切削原理。圖2為一種機(jī)床切削自適應(yīng)控制系統(tǒng),通過檢測主軸切削力信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào),經(jīng)處理可得到主軸實(shí)際有效功率、切削速度修正系數(shù)、刀具破損信息或損壞報(bào)警信息。美國密西根大學(xué)的UlsoyA.G.通過調(diào)整進(jìn)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(yīng)控制系統(tǒng)。他還將自適應(yīng)控制應(yīng)用于加工過程的誤差補(bǔ)償和由切削力引起的刀具磨損在線監(jiān)測。(3)自適應(yīng)控制器的應(yīng)用飛行體控制表面的偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力矩是速度、高度和功角的函數(shù),因此,飛行過程中其傳遞函數(shù)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(jié)果。隨著飛機(jī)性能的不斷提升,尤其是宇宙飛船的出現(xiàn),航天航空領(lǐng)域?qū)ψ赃m應(yīng)控制的興趣日益增加。美國宇航局(NASA)的GuptaPramod等經(jīng)過研究認(rèn)為必須對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制器性能進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測和評(píng)估以后,才能將其安全可靠地用于現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈控制,并給出了利用貝葉斯方法的查證和確認(rèn)方法及其在NASA的智能飛行控制系統(tǒng)中的模擬結(jié)果。辛辛那提大學(xué)的SlaterG.L.利用自適應(yīng)方法大大改善飛機(jī)在起飛階段的爬升性能預(yù)測,即根據(jù)測試和計(jì)算的能量比率自適應(yīng)調(diào)整飛行器推力依賴度,這樣有利于飛機(jī)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(dòng)駕駛儀中采用自適應(yīng)控制取代傳統(tǒng)的PID控制,可提高經(jīng)濟(jì)性和精確度和自動(dòng)化程度。到20世紀(jì)80年代,除了航向,船舶的側(cè)擺也可通過對(duì)方向舵液壓伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)加以控制。在裝備RTKGPS傳感器的農(nóng)用車的精確導(dǎo)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(shè)計(jì)了一種非線性自適應(yīng)控制律,根據(jù)對(duì)打滑的實(shí)時(shí)評(píng)估來修正車輛的運(yùn)動(dòng),使控制精度在存在打滑時(shí)仍得以保持。(4)自適應(yīng)模態(tài)空間控制邁切斯特大學(xué)的顧志強(qiáng)等結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器和PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制系統(tǒng),具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于受外部擾動(dòng)(不同的地震載荷)的線性單自由度建筑結(jié)構(gòu),該控制方法能有效地抑制其振動(dòng)。密西根科技大學(xué)的SchultzeJohnF.等對(duì)一種類似機(jī)翼的懸臂梁柔性結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)模態(tài)空間控制。對(duì)于時(shí)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(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)電量控制等方面。針對(duì)電廠主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的大時(shí)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?。與傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)相比,自適應(yīng)PSD控制算法簡單、計(jì)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(shí)間。東南大學(xué)的胡一倩等對(duì)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(jì)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)現(xiàn)非常方便。1.2非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用自適應(yīng)控制在非工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用目前雖不廣泛,但已有成功應(yīng)用的實(shí)例,顯示出一定的前景。(1)自適應(yīng)的報(bào)業(yè)供應(yīng)新西蘭納皮爾大學(xué)管理學(xué)院數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中心的皮爾森·邁克研究了當(dāng)需求不確定時(shí),報(bào)刊批發(fā)商如何自適應(yīng)地確定最佳的報(bào)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(jì)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。(2)自適應(yīng)控制技術(shù)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)隨季節(jié)改變,且每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)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(dòng)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。自適應(yīng)控制在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。南加利佛尼亞大學(xué)的Jelliffe,RogerW.利用自適應(yīng)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?zhàn)赃m應(yīng)藥物代謝控制系統(tǒng),并仔細(xì)對(duì)照病人的臨床表現(xiàn)與適用模型的輸出(生理表現(xiàn)),醫(yī)生就可以確定最適合該病人的治療目標(biāo)。清華大學(xué)的郝智秀和申永勝發(fā)明了一種假手握力自適應(yīng)控制裝置,以實(shí)現(xiàn)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(shí)有真肢感。2自適應(yīng)控制研究自適應(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(jì)方法都是在理想情況下隨時(shí)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(shí)間內(nèi)快速收斂的參數(shù)估計(jì)方法;③有些自適應(yīng)控制器啟動(dòng)過程或過渡過程的動(dòng)態(tài)性能不滿足實(shí)際要求;④控制精度與參數(shù)估計(jì)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)而影響系統(tǒng)性能。對(duì)應(yīng)上述存在的問題,自適應(yīng)控制研究在今后一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)展方向?qū)ㄒ韵聨讉€(gè)方面: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(jì)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(dòng)階段和過渡過程的參數(shù)收斂和動(dòng)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。3將進(jìn)一步推動(dòng)日本的自適應(yīng)控制技術(shù)攻關(guān)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(shí)間內(nèi),相對(duì)簡單的反饋、前饋和其他成熟的