自適應(yīng)控制的現(xiàn)狀

近年來，自校正控制技術(shù)如雨后春筍般地迅速發(fā)展。關(guān)于離散時間隨機(jī)自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性和收斂性，澳大刊亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Goodwin作出了有益的貢獻(xiàn)。自尋優(yōu)自適應(yīng)控制系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)白適應(yīng)控制系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。特別是最近幾年來才興起的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，引起了人們的普遍關(guān)注。

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)在主要是向?qū)嶋H應(yīng)用靠攏階段，主要目標(biāo)是減少假定條件，去掉增廣誤差信號，減少可調(diào)參數(shù)，提高系統(tǒng)的魯棒性，克服系統(tǒng)干擾等，目的是使方法更為簡單。ＭＲＡＣ系統(tǒng)過去應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一是電力拖動 領(lǐng)域。最早應(yīng)用的是對晶閘管供電直流電力拖動系統(tǒng)進(jìn)行的自適應(yīng)控制器控制。由于使用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行速度反饋控制不能保證要求的高性能指標(biāo)，而采用自適應(yīng)控制方案可將對象近似為二階系統(tǒng)，且只調(diào)兩個參數(shù)就能保證對象參數(shù)變化時性能指標(biāo)不變，并能克服電機(jī)速度過零時，ＰＩ調(diào)節(jié)器不能解決的死區(qū)問題。MRAC技術(shù)在自動機(jī)上應(yīng)用也很活躍，

目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制器的設(shè)計迅速發(fā)展，并顯示出其在高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)控制方面的巨大潛力。目前自校正控制應(yīng)用要比 MRAC多得多，除造紙、化工、二氧化鈦窯、水泥工業(yè)、礦石粉碎、單晶爐圓筒鍋爐等外，在超級游輪自動駕駛和船舶自動駕駛克服隨機(jī)干擾，如風(fēng)、浪、潮流、速度、負(fù)載及水深等方面效果也很好。同時，在原子能工業(yè)、機(jī)器人和人工心臟等部門中的應(yīng)用也不乏成功的例子。

自適應(yīng)控制的概念

在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實際上在許多工程中，被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和條件改變了以后，其動態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。

在發(fā)生這些問題時，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動地補(bǔ)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。

自適應(yīng)控制的特點

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；

3、適用對象

自適應(yīng)控制適用于被控對象特性未知或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，設(shè)計時不需要完全知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。

自適應(yīng)控制的分類

1、增益自適應(yīng)控制

2、模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）

3、自校正控制（STC）

4、直接優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)自適應(yīng)控制

5、模糊自適應(yīng)控制

6、多模型自適應(yīng)控制

7、自適應(yīng)逆控制

自適應(yīng)控制的優(yōu)缺點

自適應(yīng)控制一般是通過對工藝系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)完成控制的。其優(yōu)缺點和模糊控制類似。

優(yōu)點

1、使用語言方便，可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型（不需要精確的數(shù)學(xué)模型）

2、魯棒性強(qiáng)，適于解決過程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時變、滯后等問題魯棒性即系統(tǒng)的健壯性。

3、有較強(qiáng)的容錯能力。具有適應(yīng)受控對象動力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動行條件變化的能力;

4、操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語句容易加到過程的控制環(huán)節(jié)上。

缺點

1、信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差;

2、設(shè)計尚缺乏系統(tǒng)性，無法定義控制目標(biāo)。

自適應(yīng)控制存在的理論問題

無論是時不變線性系統(tǒng)，還是時變非線性系統(tǒng)，它們與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的自適應(yīng)控制系統(tǒng)都是非線性時變系統(tǒng)，分析這類系統(tǒng)的性能是很困難的。

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性問題是一切控制系統(tǒng)的核心問題。因此，設(shè)計自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)以保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定為原則。如今，隨著模型參考自適應(yīng)控制的發(fā)展，各種各樣的自適應(yīng)控制律會不斷誕生，要保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定也很困難，特別是因為系統(tǒng)是本質(zhì)非線性時變的，故當(dāng)系統(tǒng)存在未建模動態(tài)或隨機(jī)干擾時，要證明自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就更困難了。

2、收斂性

對于一些自適應(yīng)系統(tǒng)收斂性的結(jié)論都是在一些相當(dāng)強(qiáng)的假設(shè)條件下獲得的，并且與具體的算法密切相關(guān)。因所使用的收斂性分析方法缺乏普適性，因而不能推廣到稍微復(fù)雜的系統(tǒng)模型上。

3、魯棒性

目前，參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)一般都是針對被控對象結(jié)構(gòu)已知而參數(shù)未知的情況進(jìn)行設(shè)計的，而實際被控對象結(jié)構(gòu)往往難以確切知道，所獲得的對象特性中常常未能包括系統(tǒng)的難以描述的寄生高頻成分，即未建模動態(tài)。計算機(jī)仿真表明，這種未建模型動態(tài)可能引起自適應(yīng)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，關(guān)鍵原因是自適應(yīng)控制系統(tǒng)是非線性時變的，，而對于線性反饋控制系統(tǒng)，只有設(shè)計的系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量，這種未建模動態(tài)是不致于破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的。這就提出了自適應(yīng)控制的魯棒性問題。

4、性能指標(biāo)

一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)能很好地工作，不僅要求所設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定，而且還有滿足一定的性能指標(biāo)要求。由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)是非線性時變的，初始條件的變化或未建模動態(tài)的存在都勢必要改變系統(tǒng)的運動軌跡，因此，分析自適應(yīng)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)是極其困難的。目前，這方面的成果還很少見。

自適應(yīng)控制存在的問題

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，主要是因為存在以下幾方面的問題：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；

1、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；

2、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；

3、控制精度與參數(shù)估計的矛盾；

4、低階控制器中存在高頻未建模；

5、測量精度直接影響控制器參數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。

自適應(yīng)控制的發(fā)展

對應(yīng)上述存在的問題，自適應(yīng)控制研究在今后一段時期內(nèi)的發(fā)展方向?qū)ㄒ韵聨讉€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