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1、自适应控制系统理论及其发展综述摘 要: 文章对自适应控制的发展进行简要的概述，总结了可变增益的自适应控制、模型参考自适应控制、自校正自适应控制等控制方法，阐述了收敛性、稳定性、鲁棒性等是目前自适应控制研究的主要问题，并分别介绍了自适应控制的应用，最后简述了自适应控制针对目前存在的问题的发展方向。关键词: 自适应控制，模型参考 An Overview of Adaptive Control Systems Theory and Its Development（SHANXI UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY Xian 710021,China）Abstact：T
2、his paper gives a brief overview of the development of adaptive control, summarizes the model reference adaptive control,self-tuning adaptive control and fuzzy adaptive control methods.The main problems of adaptive control are convergence,stability, robustness and introduced the application of adapt
3、ive control field,Then briefly introduced the existing problems and forcast the future development of adaptive control.Key words：Adaptive control, model reference,0 引言所谓控制就是一个有组织的系统根据内部外部的各种变化进行调整，不断克服系统的不确定性，使系统保持某种特点的状态。最恰当的例子比如说一个人要在复杂的环境中生存下去就必须根据身体内部的特点与外部环境的变化不断进行调整和控制。所以，自适应的概念最初也来源于生物系统。韦氏字典
4、中指出：“适应指去改变自身，使得其行为适合于新的或者已经改变了的环境”1。因此，所谓自适应控制器就是它能修正自己的特性以响应过程和扰动的动力学特性的变化。在系统运行中，依靠不断采集控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，优化性能准则，产生自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态。对于参数未知或不完全知道、扰动的统计特性未知、在对象和扰动的数学模型不完全确定的条件下，设计控制序列，使得指定的性能指标尽可能地接近和保持最优，也是一种基于数学模型的控制方法，但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
5、有关模型的信息，使模型逐渐完善。可见，对于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，采用自适应控制是合适的。自适应控制最初(20世纪50年代末期)主要应用于航天航空领域,此时相应的理论和方法还不成熟,应用上遇到一些失败,但部分人仍然坚持研究,并将其应用推广至其他工业部门;到七十年代随着控制理论和计算机技术的发展,自适应控制取得重大进展,在光学跟踪望远镜、化工、冶金、机加工和核电中的成功应用也充分证明了其有效性;此后,自适应控制技术的应用更得到大幅度扩展2。一般来说，自适应控制系统必须有三个功能：过程信息的在线积累、可调控制器、性能指标的控制。1 自适应控制系统
6、的主要类型自适应控制系统设计方法因设计的原理和结构的不同分为：可变增益控制。模型参考自适应控制和自校正自适应控制。1.1可变增益控制当参数因工作情况和环境等变化而变化时，通过能测量到反映系统当前状态的系统变量，比照对系统的运行的要求(或性能指标)，经过计算并按规定的程序来改变调节器的增益结构。这种系统虽然仅仅是对增益的变化进行自适应调节，难以完全克服系统模型未知或模型参数变化带来的影响以实现完善的自适应控制，但是由于系统结构简单，可使反馈系统迅速响应过程的变化，所以在许多实际系统中得到应用。1.2 模型参考自适应控制模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Cont
7、rol，即MRAC）技术是美国麻省理工学院的Whitaker教授为解决飞行器自动驾驶仪的问题而提出来的。它将对控制系统的要求用一个模型来体现。这个模型给出了对指令信号的希望响应性能，模型的输出（或状态）就是理想的响应（或状态），这个模型称为参考模型。比较参考模型和实际过程的输出或状态，并通过自适应控制器去调整线性控制器的某些参数，或产生一个辅助输入，以使在某种意义下实际输出（或状态）与参考模型（或状态）之间的偏差尽可能地小。其组成为：参考模型，被控对象，反馈控制器，自适应机构五部分，这类控制系统包括内回路和外回路两个回路。内环是由被控对象和控制器组成的普通反馈回路，而控制器的参数则由外回路调整
8、。模型参考自适应设计方法：局部参数最优化方法（利用梯度或其它参数优化的递推算法，求一组控制器参数，使某个指定性能指标最优；缺点是不能保证参数调整过程中系统的稳定性。）基于稳定性理论的设计方法（基于Lyapunov稳定性理论的设计方法和基于Popov超稳定性理论的设计方法）3。1.3自校正自适应控制自校正控制技术是由Kalman于1958年提出，20世纪80年代，基于神经网络的自校正控制器的设计迅速发展，并显示出其在高度非线性和严重不确定系统控制方面的巨大潜力。自校正自适应控制需引入一个对被控对象的在线递推参数估计器；该系统有两个环路，一个环路由参数可调的调节器和被控系统所组成，称为内环，它类似
9、于通常的反馈控制系统；另一个环路由递推参数估计器与调节器参数计算环节所组成，称为外环。调节是通过对被控过程进行在线辨识，用过程参数估计值和事先规定的性能指标，在线综合调节器的控制参数，并实施控制作用，以使性能指标渐近地趋于最优4。自校正适应控制基本问题包括调节器的控制律设计（如PID调节、最小方差调节等）和参数估计方法设计（如最小二乘法、极大似然估计法）。2 研究的主要问题2.1稳定性问题稳定性问题是一切控制系统的核心问题，设计自适应控制系统应以保证系统全局稳定为原则现已发现现有的稳定性理论还不能处理已提出的一些自适应控制问题尚需建立一种新的稳定性理论体系5。自适应控制系统本质上是一个非线性时
10、变系，当系统存在未建模动态或随机干扰时，其稳定性分析与综合问题将非常复杂；基于Lyapunov稳定性理论与Popov 超稳定性理论的设计方法主要是针对线性定常（慢、时变）系统能够保证其全局稳定性。2.2收敛性问题自校正控制通常采用在线递推算法估计对象参数，算法的收敛性则是其首要问题，自校正控制系统也是非线性、时变、随机的。现有的收敛性结果的局限性太大，假设条件限制太严，不便于实际应用，即便是保证参数估计收敛的最基本要求，对于实际系统也不一定总能满足，现在的收敛性分析和结论都是在对被控系统和扰动的模型等加了非常强的限制性条件的情况下得到的。这些条件若改变，则结论很可能不成立。2.3鲁棒性问题实际
11、系统可能存在扰动和未建模动态，由于系统本身是非线性时变的，从而可能引起系统的不稳定，系统能保证其稳定性和一定动态性能的能力称之为自适应控制系统的鲁棒性 扰动能使系统参数产生严重漂移 导致系统的不稳定 特别是在存在未建模的高频动态特性的条件下 若指令信号过大或含有高频成分 或存在高频噪声 或自适应增益过大 都可能使自适应控制系统丧失稳定性现有MRAS一般是在假定系统结构已知而参数未知情况下进行设计的6。2.4性能和稳定性问题一个自适应控制系统的很好工作，不仅要求所设计的系统稳定，而且要满足一定的性能指标要求。由于自适应控制系统是非线性时变系统，初始条件的变化或未建模 其动态存在都势必要改变系统的
12、运动轨迹。因此，分析自适应控制系统的动态品质是极其困难的。目前，这方面成果还很少见。3自适应控制的应用自适应控制引起人们广泛的关注,主要是由于生产实践和科学技术的不断发展对自动化提出了更高的要求。自适应控制不仅在工业领域取得了较大的成功，而且在社会、经济和医学等非工业领域也进行了有益的探索，出现了一些成功的应用实例。3.1工业领域的典型应用3.1.1智能化高精密机电或电液系统控制自适应控制在智能化高精密机电或电液系统中应用较多的有以下几个领域:机器人、不间断电源、电机或液压伺服系统等的控制。加拿大宇航局的朱文红等提出通过直接测量负载单元的输出力实现液压缸输出力自适应控制的策略。输出力误差不仅用
13、于反馈控制,而且用于动态更新摩擦模型的参数,这样可保证缸内压力误差和输出力误差的L2稳定和L稳定7。试验结果表明缸内压力的良好控制并不能保证输出力的良好控制,并且自适应摩擦补偿比固定参数摩擦补偿效果更好。液压缸输出力控制的优异性能使其动态性能在预定的带宽内与电驱动马达相当,从而可以用一个液压机器人仿效电驱动机器人。圣玛利亚联合大学的Grundling, Hilton Abilio等提出了一种修正的全局稳定的鲁棒模型参考自适应迭代控制方法,并用于一种单相不间断电源(UPS)的电压源PWM反相器及其相应的RLC负载滤波器的控制,获得了近似正弦的输出电压。同时,他们还提出了一种自适应方法用于对三相U
14、PS的控制8。3.1.2航天航空、航海和特种汽车、船舶自动无人驾驶飞行体控制表面的偏转所产生的力矩是速度、高度和功角的函数,因此,飞行过程中其传递函数始终在发生很大的变化,线性控制系统无法获得满意的结果。随着飞机性能的不断提升,尤其是宇宙飞船的出现,航天航空领域对自适应控制的兴趣日益增加。美国宇航局(NASA)的Gupta Pramod等经过研究认为必须对基于神经网络的自适应控制器性能进行适当的监测和评估以后,才能将其安全可靠地用于现代巡航导弹控制,并给出了利用贝叶斯方法的查证和确认方法及其在NASA的智能飞行控制系统中的模拟结果9。辛辛那提大学的SlaterG. L.利用自适应方法大大改善飞
15、机在起飞阶段的爬升性能预测,即根据测试和计算的能量比率自适应调整飞行器推力依赖度,这样有利于飞机在爬升过程中与空中的其他飞行器合流。由于海况变化较大,在大型船舶自动驾驶仪中采用自适应控制取代传统的PID控制,可提高经济性和精确度和自动化程度。到20世纪80年代,除了航向,船舶的侧摆也可通过对方向舵液压伺服系统的自适应调节加以控制。在装备RTK GPS传感器的农用车的精确导航中，传统的控制率在不打滑的情况下能获得满意的控制精度，但是在有斜坡的湿地,打滑不可避免。Lenain, R.等设计了一种非线性自适应控制律，根据对打滑的实时评估来修正车辆的运动,使控制精度在存在打滑时仍得以保持10。MRAC
16、技术在船舶自动驾驶方面的应用也获得了成功。已经报导了的将一阶线性过程模型简化为一阶线性模型，当外界环境（风力、波浪、水流等）变化，船舶的动特性随吃水差、负载和水深改变时，采用自适应控制的自动驾驶仪达到了要求的性能，操作安全可靠，与常规PID控制器相比可节省油耗5%11。3.1.3电力系统领域的应用MRAC最成功的应用领域之一就是电力传动。原因是电力传动系统的模型较易获得，时间常数小，系统的大多数物理变量容易测量，且描述系统动态特性的模型阶数较低。例如，最典型的应用是对可控硅供电的直流电机进行自适应控制。这种系统由于存在不可预估、不可测量的惯性矩和励磁电流的变化。而且低速时具有非线性，使用常规的
17、PI调节器进行速度反馈控制不能保证要求的高性能指标，采用自适应控制方案，将被控过程近似为二阶系统，且只调两个参数，就能保证在过程参数变化时性能指标不变，并能克服电机速度过零时，PI调节器不能解决的死区问题12。此外，自适应策略在电力系统控制中的应用还包括:锅炉蒸汽温度和压力控制、锅炉燃烧效率的优化控制、互连电力系统发电量控制等方面。针对电厂主蒸汽温度调节的大时滞和不确定性,我国东北电力大学的顾俊杰等采用自适应PSD控制方法,并结合运用内模控制器。与传统的PID控制系统相比,自适应PSD控制算法简单、计算量小,并且能减少超调量、加快相应速度、缩短稳定时间13。东南大学的胡一倩等对PID模糊控制器
18、的参数进行自适应调整,并将其用于锅炉过热蒸汽温度的控制,取得了满意的效果。哈尔滨工大学的徐立新等结合专家经验得出燃气轮机模糊PI控制规律,并据此设计了透平转速和排气温度的模糊自适应PI控制器,提高了燃气轮机的性能且实现非常方便14。3.1.4 化工、冶金、轻工(造纸、发酵等)工业许多工艺过程是非线性、非平稳的复杂过程，原材料成分改变、催化剂的老化和设备的磨损等等，都可能使工艺参数发生复杂而且幅度较大的变化。对于这类生产过程，采用常规的PID调节器往往不能很好地适应工艺参数的变化，而使产品的产量和质量不稳定。采用自适应控制后，由于调节器的参数可以随工艺参数的变化而按某种最优性能进行自动镇定，从而
19、保证联产品的质量不随工艺参数的变化而变化。如我国清华大学韩曾晋教授的高炉含硅量的自适应预报。北京机械工业学院曹荣敏将基于紧格式线性化的单人单出非线性离散时间系统的无模型学习自适应控制方法应用于带有时滞的pH值中和反应过程控制中，其性能好于传统的PID控制15。卷烟工艺烘丝过程中烟丝含水率的变化具有较强 的非线性、不确定性和大滞后特性，同时存在干扰和噪声，运用常规PID算法难以达到期望的控制效果。国内的与合作，采用无模型 自适应控制器结合渐进辨 识方法对烘丝过程的烟丝含水率控制系统进行改造，降低了干头干尾的数量， 提高了卷烟生产质量。宝钢股份公司的羌菊兴等将高速稳态自适应控制技术拓展到带钢生产的
20、头尾控制上，进一步减少了带钢头尾厚度超差的长度，提高了产品的质量和产量16。目前，自适应控制技术已经广泛进入商品化的控制设备和系统中。如目前流行的工业控制软件，以及集散控制系统中，都必定包含有自整定PID、自校正调节与控制等控制算法模块。3.2在非工业领域中的应用新西兰纳皮尔大学管理学院数学和统计学中心的皮尔森#迈克研究了当需求不确定时,报刊批发商如何自适应地确定最佳的报刊供应量,以使成本最低、利润最大。美国明尼苏达大学武克强等通过灵敏度分析研究了将自适应控制理论应用于服务质量设计和保证中所存在地问题,并提出了一种自适应双重控制结构来减轻这种局限性17。自适应控制在临床医学中的应用发展非常迅速
21、。南加利佛尼亚大学的Jelliffe, RogerW.利用自适应方法来控制后续的庆大霉素血清药物浓度。采用基于贝叶斯方法的开环反馈自适应药物代谢控制系统,并仔细对照病人的临床表现与适用模型的输出(生理表现),医生就可以确定最适合该病人的治疗目标18。4自适应控制的发展方向 经过了五十多年的发展，自适应控制虽然有很大的发展以及自身的优越性，可是仍然存在一些问题：知识的获取和表达；目前的参数估计方法都是在理想情况下随时间趋于无穷而渐近收敛，而实际工程应用需要在有限时间内快速收敛的参数估计方法；有些自适应控制器启动过程或过渡过程的动态性能不满足实际要求；控制精度与参数估计的矛盾；低阶控制器中存在高频
22、未建模；测量精度直接影响控制器参数，进而影响系统性能19。对应上述存在的问题,自适应控制研究在今后一段时期内的发展方向将包括以下几个方面:在保证自适应控制精度的前提下,研究快速收敛的参数估计算法;研究鲁棒自适应控制方法,解决高频未建模问题;解决自适应控制系统启动阶段和过渡过程的参数收敛和动态性能问题;自适应控制方案的规范化,即提高其通用性和开放性;研究组合自适应控制策略,主要有自适应PID控制和智能自适应控制。参考文献1杨承志，孙棣华系统辨识与自适应控制M重庆：重庆大学出版社，2003：138-1392K.J.Astrom,B.Wittenmark.AdaptiveControl.Addisi
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