自适应控制器概述

来源:用户上传      作者: 赵　英　刘　鹏　刘　荣

　　摘要：文章介绍了自适应控制的发展历程、设计要求、特性及目前需要解决的问题等，并说明了自适应控制器的重要性。
　　关键词：自适应控制器；不确定性；自适应控制系统
　　
　　一、引言
　　
　　自适应控制器能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究并解决的问题。
　　自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入、输出数据，不断辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断地改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。
　　常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只有在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。
　　
　　二、自适应控制器的发展历程
　　
　　自从系统的设计控制器以来，在对各种控制系统的研制与实践的基础上，人们就意识到控制器的设计问题及寻找适当的控制器结构与获得控制器参数。另外，人们也认识到在研究一个控制系统时，不仅仅要建立受控对象的模型，还需要考虑环境因素对对象的影响，所以要求控制器不仅仅对一个工作点进行调节而且要求能对所有工作点的范围进行调节，即具有自适应能力。20世纪40年代“控制论”问世至今，控制器的参数调节一直是研究讨论的主要内容。从20世纪50年代开始，人们就已经注意到控制器运行时对其静态和动态参数的在线自动调节体现了系统对环境变化的自适应。50年代明确提出的自适应控制在航天技术中得到成功应用。因此对自适应控制器的设计研究工作产生了强有力的影响。但是由于模拟器件的限制和缺乏完整的理论依据，也就限制了自适应控制器的实现，从而减弱了人们对这一领域的兴趣。60年代后，控制理论在许多方向上得到迅速发展。非线形系统理论、最优控制理论、最佳估计理论、系统辨识方法和递推方法都对自适应控制器的设计提供了有效地依据，人们对自适应控制有了更深刻的认识，并产生了更多的设计实例。
　　另一方面，自从1962年第一次将计算机用于控制系统以来，随着控制技术和计算机技术的进步，工业控制系统已从直接数字控制（DDC）系统、监督控制（SSC）系统发展到集散控制系统（DCS）、递阶控制系统（HCSA）和现场总线控制系统（FCS），在大量生产过程自动化系统中，工业计算机已经变成标准设备，这样就可以在实际应用中设计和实现更为复杂的自适应控制器。1982年第一个工业数字自适应控制器投入市场，紧接着一批数字自校正和自适应控制器应用到工业过程中。硬件资源越来越丰富且价格也越来越便宜，为研究人员和工程技术人员开发和实现各种自适应控制器提供了方便。
　　由于计算机系统已成为生产设备及过程控制系统的重要组成部分，它既可以在一定程度上代替人的思维进行复杂运算，又可以直接与现场各种装置（如变送器、执行器）相连，对所连接的装置实施自适应控制。由于自适应控制是在常规的控制环之外增加了非线形的自适应环节，自适应控制器面向的对象常常是非确定性的时变过程，所以大大增加了控制器的复杂性、计算量和操作执行时间。
　　
　　三、自适应的控制方法
　　
　　自从系统的设计自动控制器以来，就产生了对给定的过程和对象寻求适当的控制器结构和控制参数的问题。另一个困难是要求控制器不仅能对一个工作点进行调节，而且要能对所有工作点的范围进行调节。控制参数的自动调节首先于20世纪40年代末被提出来讨论，同时自适应控制的名称被首先用来定义控制器对过程的静态和动态参数的调节能力。自适应控制是一种具有一定适应能力的系统，它能认识环境的变化，并能自动改变控制器的参数和结构，自动调整控制作用，以保证系统达到满意的控制品质。
　　任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统外部。系统内部的不确定性主要指过程数学模型的结构和参数事前可能是未知的；系统外部的不确定性主要指外部环境对系统的影响，这可以等效地用扰动来描述。扰动通常指不可测因素，它们可能是确定的。此外，还有一些量测噪声也是不确定的。面对这些客观存在的不确定性，如何在线的调整控制作用，使被控过程的指定性能指标达到并保持最优或次优，这就是自适应控制器的设计要求。
　　控制器能够变更或改进一个未知对象的行为和响应，使其满足一定的性能要求，所以在控制工程中，控制器得到了十分广泛的应用。对受控对象或受控过程施加输入u就可产生输出y,这个y代表了对象或过程的实测输出响应。控制设计的任务就是选择输入u，以便使输出响应y满足某个给定的性能要求。大多数控制工程师在选择u时通常遵循的控制设计步骤大致如下：步骤1，建模。这一步的任务是为了了解对象的过程机理，为此需要加入一个给定的输入信号u（t）来产生一个输出响应y（t），以便能以一些数学方程来描述对象。这些方程构成了对象的数学模型。实际上，一个对象的数学模型可利用物理规律来建立，也可以通过处理由各种试验得到的对象的输入-输出数据来得出，还可以把两者结合起来建立对象的数学模型。这些就是控制工程中常常采用的建模方法。当加到模型上的输入和初始条件与加到对象上的输入和初始条件完全相同时，一个精确的对象模型就应当产生与对象完全一样的输出响应。但是，大多数实际对象都很复杂，要建立这样精确的模型是没有保证的，甚至是不可能的。即使得到了精确的模型，其维数很可能是无穷维的，这样的模型所描述的非线性特性或时变特性对控制设计的作用也是微乎其微甚至是完全无益的。从实用目的来看，最好的模型应当是有效的，还应当是简单的。通过建模得到了对象的模型后，往往还要利用在工作点附近线性化和减少模型阶次等方法来进一步简化模型。一般地讲，建模涉及到对对象过程和性能要求的良好理解，因此还可能需要有关控制工程师的某些实际经验，才能圆满地完成建模任务。
　　步骤2，控制器的设计。在建立了可用的对象模型之后就可着手控制器的设计了。控制器的设计是为了满足对象模型对性能的要求。如果模型能良好地逼近对象，那么当把设计好的同一控制器用于对象时，对象所能达到的性能就可能十分接近对象模型所达到的性能。所以，还需要分析所设计的控制器用于具有不确定性的对象时的性能，即进行鲁棒性分析。如果影响很大，以至性能已下降到无法接受的程度，就必须改进或重新设计控制器，以降低控制器对不确定性的灵敏度，即增加对不确定性的鲁棒性。这种鲁棒性分析和控制器的重新设计将提高在步骤3中实现控制器时的成功几率。

　　步骤3，实现。将步骤2中设计的控制器加到未知对象上，该控制器已满足对象模型的性能要求，而且相对于可能出现在对象模型中的不确定性是鲁棒的。虽然在某些应用中，还可能用模拟计算机来实现控制器，但这里认定是用数字计算机来实现的。因此，有关可用的计算机类型、计算机和对象之间的接口部件的类型、软件工具等都必须事先考虑好。计算机速度和精度会对控制器的复杂性有所限制，这时可能需要返回步骤2，甚至返回步骤1，以便在不降低性能要求的情况下，得到更为简单的控制器。实现中的另一个重要方面是进行控制器的最后调整，即进行通常所说的控制器的整定，其目的是要通过补偿在设计过程中未考虑到的对象的不确定性来改善控制器的性能。整定通常是依靠尝试法来完成，这完全取决于控制工程师的经验和直观知识。针对这类问题，经过多年的努力，人们已建立和发展了一种新的控制方法，即自适应控制方法。与传统的调节原理和最优控制不同，自适应控制能在受控对象的模型知识和环境知识知之不全甚至知之甚少的情况下，给出高质量的控制品质。大量工程实践表明，对于复杂的受控对象或受控过程，采用自适应控制往往能提高现有的生产率、降低成本、改进产品质量和开发新的产品。所以当受控对象特性尚未完全掌握，受控对象本身又存在不可忽视的不确定性时，采用自适应控制方案就成了控制工程师的一种合乎逻辑的选择。
　　
　　四、自适应控制器的设计要素
　　
　　自适应控制器的特征由两方面描述：一方面是在操作运行中如何获取未知过程或闭环的信息；另一方面是如何标记控制律的变化。有很多实现自适应控制系统的方法，然而还没有描述自适应或自校正的一般定义，按照普遍采纳的描述是“自适应控制系统按照控制过程和信号的变化调整它们的行为”。自适应控制器主要划分为两种形式――前馈自适应控制器和反馈自适应控制器。
　　
　　五、在线参数估计器的设计
　　
　　如上所述，自适应控制器可视为是一种在线参数估计器与由参数已知时得出的控制律的一种组合。这种组合方法加上估计器和控制律的类型就提出了各种不同性质、不同类型的自适应控制器，其中，线参数估计器起着关键性的作用。在自适应控制文献中，在线参数估计器有时又称为自适应律、更新律或调整机构。自适应律的设计对自适应控制器的稳定性起着关键性的作用。不难看出，自适应律加重了非线性性质，它使闭环对象成为非线性的，而且常常是时变的。因此，分析和理解自适应控制方案的稳定性和鲁棒性就成了十分复杂的问题。设计自适应律的基本方法是灵敏度方法、正性和Lyapunov（李亚普诺夫）设计方法以及基于估计误差代价准则的梯度法和各种最小二乘法等。灵敏度方法是设计自适应律的最早的方法之一，理论证明，与基于其他设计的自适应律相
　　比，其稳定性较差。
　　
　　六、自适应控制技术的应用概况
　　
　　自适应控制系统理论和设计方法的发展，简便廉价的微型计算机的普及，特别是自适应控制在工业生产中的成功应用，正促进人们在自己的工作中采用自适应控制技术。据不完全统计，已采用自适应控制技术的部门有航天航空、航海、电力、化工、钢铁冶金、热力、机械、林业、通信、电子、原子能等。可以预料，随着控制理论和计算机技术的不断发展和完善，自适应控制技术的应用会越来越广，效益会越来越高。
　　
　　七、结束语
　　
　　综上所述，对于参数未知但定常或慢变的受控过程，自适应控制技术是十分有效的，它常常可以取代常规的PID控制而获得更好的控制品质。但是，要真正普及和推广自适应控制技术仍任重道远，需要人们付出艰苦的努力并持之以恒才能达到预定目标。
　　
　　参考文献：
　　1、张云生,祝晓红.自适应控制器设计及应用(精)[M].国防工业出版社,2005.
　　2、谢新民,丁锋.自适应控制系统[M].清华大学出版社,2004.
　　（作者单位：赵英，重庆通信学院研究生管理大队；刘鹏，重庆通信学院研究生管理大队；刘荣，重庆大学ICT中心）

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