自适应控制

自适应控制理论综述

郭金虎

【摘要】论述了自适应控制理论的发展现状，总结了它的主要内容，提出了两种自适应控制的主要形式，并对其应用及发展做了全面的讨论。 【关键词】自适应控制；自动控制；现代控制理论

1概述

自适应控制是近年来在自动控制理论和工程的实践中都十分活跃的一门学科，设计具有真正自适应能力的控制系统是控制系统设计者追求的一个目标。因为在控制工程的实践中已经遇到了许多困难，诸如被控对象的动态未知或部分未知；动态特性随时间有未知漂移（时变性）；环境有噪声干扰；还有一种常见的情形，即被控对象的特性过于复杂（如非线性、分布参数、大滞后等），难以准确的描述被控对象，或者即使能描述被控对象，其数学模型也是十分复杂。在这些场合要想利用现有的控制理论（包括经典控制理论或现代控制理论）设计一个理想的控制系统是很困难的，有时甚至是不可能。所以能否设计出一种高性能的控制系统要求是，它能自动适应各种变化而不断修正自身的控制动作，已达到较满意的控制品质。

一个实际系统总存在某种不确定性，这种不确定性表征为描述系统本身的数学模型包含有未知或随机的因素。另外，系统在运行过程中，还会受到各种干扰因素的影响，这些影响也会使系统的动态特性发生变化，因此，对于一个比较复杂的实际系统，先建立精确的数学模型，在进行控制系统的设计，在许多情况下是行不通的。尤其是随着控制技术在各个领域的广泛应用，控制质量的不断提高，许多实际系统仅使用常规的控制手段以达不到理想的控制效果了。这就给人们提出了一个问题；对动态参数变化很大，控制质量又要求较高的系统，如何实现理想的控制呢？很明显，这样的控制系统应该具有这样的能力：它能适应实际被控对象的参数所发生的各种变化，及时地调整控制动作，保证被控对象达到理想的控制效果。具有这种能力的控制系统就称为自适应控制系统，设计和分析这类控制系统正是本书索要讨论的问题。

近年来，由于闭环系统的全局稳定性的理论有了较大发展，计算机的性能有了很大提高，且使用成本也大大降低，因此，近十几年来，自适应控制从理论上和实践上都有了很大的进展，成为引人注目的一个学科方向。

2自适应控制的主要内容

在控制系统的运动过程中，系统本身不断的识别被控系统的状态、性能或参数，从而“认识”或“掌握”系统当前的运行指标并与期望的指标相比较，进而做出决策，来改变控制器的结构、参数或根据适应性的规律来改变控制系统，称为自适应控制系统。

随着对复杂系统的高性能、高精度的要求日益提高，系统中那些具有较大不确定性的参数越来越具有本质的意义，如何处理这些不确定性对设计“一个能够保证具有较好性能的系统”是十分重要的。粗略的说，自适应控制就是对系统的变化进行连续的监测，并自行的校正自身的控制参数，以保证系统的良好性能。为了达到这一要求，用常规校正系统显然是不行的。

直观的讲，自适应控制器是这样一种控制器，它能够修正自己的特性以响应过程和扰动的动力学特性的变化。事实上，要从自适应这个词的意义上去定义自适应控制是相当困难的。如果从自适应控制所解决的问题以及它与一般反馈控制系统的比较来看，就可以在一定程度上弄清和体会其本质所在。

自适应控制系统主要由控制器、被控对象、自适应器及反馈控制回路和自适应回路组成。图2-1是自适应控制系统原理框图。

干扰v控制量u设定值rt （参考输入）控制器???t??t?被控对象被控量yt （输出）??自适应器

图2-1 自适应控制系统原理框图

3两种主要的自适应控制形式

因设计原理和结构的不同，自适应控制可以分为多种形式，目前应用最为广泛的维如下两种：

（1）模型参考自适应控制

它是自适应发展历史上最早出现的自适应控制系统。

这类自适应控制系统的突出特点是它本身附加一个参考模型，这个模型体现了人们对被控对象的要求，也就是说，参考模型的特性就是被控对象的理想特性。模型参考自适应控制系统总是根据被控对象的状态（或输出）与参考模型的状态（或输出）之间的偏差，实时的

进行调整，使得在某种指标下，被控对象的动态特性与参考模型特性尽量接近。这样，不管实际被控对象的不确定因素如何影响，总能保证它具有较理想的特性。

（2）自校正控制系统

自校正控制是实际中应用较广的、与系统辨识技术联系最为密切的一类自适应控制系统，它是将在线辨识技术和最优设计方法相结合而产生的一种控制方法。整个控制系统有两个环构成，内环是有被控对象和通常的反馈控制器组成，控制器的参数通过外环来调整。调整的方法是通过在线递推估计参数（即系统辨识）和控制器在线设计来实现。

4自适应控制系统的应用于发展

自适应控制的概念很早就提出来了，但由于当时的控制理论和计算机技术的限制未能取得大的进展。后来，随着计算机技术的发展才使得自适应控制获得了新的生命。近年来，无论在理论上还是应用上，自适应控制系统取得了较大的进步，目前已是控制理论中引人注目的活跃的领域之一，同时在相当广泛的范围内获得了成功的应用。

自适应控制的特点在于它冲破了其它设计方法要求事先准确知道被控过程的数学模型这一严格的约束，而这一点正是许多设计方法难以奏效的主要原因。由于过程的动态总是带有或多或少的不确定性，而自适应控制系统恰恰是针对这一点而提出的，因此它就可能在实际过程的控制中获得比通常的控制系统更好的品质。迄今为止，自适应控制在许多方面得到了成功的应用。例如，飞行器的控制是最早应用自适应控制技术的领域，由于在飞行过程中，其动态气压、飞行高度、飞机质量、飞机机翼角度、阻尼板位置等飞行参数，在不同的环境下，可能会发生很大的范围的变化。因此对于这种工作环境复杂、参数变化大的控制对象，采用自适应控制是十分合适的；而在大海中航行的大型油轮自动驾驶是自适应控制应用的另一个例子，按照事先设定的路线控制（设定模型）自动驾驶油轮可使之航行既平稳又迅速。在工业过程控制中也有很多这类问题。例如，加热反应炉的升温自适应控制，可使升温图曲线尽量接近试验所确定的理想曲线等等。

其他如造纸机、矿石破碎机、热交换器、乙烯合成反应器、醋酸蒸发器、蒸馏塔、水泥生料混合、混凝土搅拌的控制等等。

自适应控制系统目前在理论上尚有较多的不完善的地方，且涉及方法也不是尽善尽美的。由于设计思想和理论工具的局限，现有的自适应控制系统在设计时有两个主要远则，其一，一般只假定系统是线性定常的，阶次已知（这一点有时也可以去掉）；其二，设计是从系统的稳定性出发的（有的方法并不直接从稳定性理论出发，系统的闭环稳定性也是考察系

统的一个最基本、最重要的指标）。此外，保证系统的闭环稳定性无疑也是最重要的。但是，由于实际系统往往具有各种复杂性，例如最常见的非线性、分散性、快时变性等。对于具有这些特性的系统，用现有的设计方法就难以得到理想的控制效果。

此外，稳定性只是保证如果系统的初始偏差在一定范围内，随着系统运行时间的增大偏差逐渐趋于零。这一点当然是最基本的，但是一个实际的系统仅这一点还不够的。它还要求一定的稳定速度，太慢了实际上是没有意义的。设计理论嘉定了系统的自适应速度（即使系统的偏差趋于零）比系统动态（或环境）的变化要快。也就是说，在两次自适应过程之间，系统可以看做是定常的。但是，如果系统的稳定速度太慢，这一要求就不一定能保证。所以保证所设计的系统不仅是稳定的，而且具有所要求的稳定速度也是十分重要的。

自适应控制所着力追求的是具有真正适应能力的系统。它是一种拟人化的设计思想，自适应是生命系统的一种基本能力。它的表现从简单的昆虫变色到人类对自然界和社会的适应，有着不同层次的丰富内容。控制系统哪怕只是具有最初等的生命系统的那种自适应能力就可能大大的提高它的品质，而自适应能力的提高关键在于系统学习能力和智能水平。因此，自适应控制的进一步发展是借鉴于生命系统的自学习、自组织等功能，充分结合人工智能的深入研究肯定会对设计更高级的自适应控制系统产生很大的推动力。

在非工程应用方面，目前，如何应用自适应控制方法来研究具有不确定性大系统的特性，已有了大量的应用实例。如应用自适应滤波理论研究油田产量的船舶动态定位；应用随机自适应研究随机资源分配和宏观经济系统的随机最优化问题；应用自校正平滑理论研究语言声学等，目前已有大量的研究成果发表。

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