自適應控制的優缺點_自適應控制存在的問題及發展

自適應控制的現狀

近年來，自校正控制技術如雨后春筍般地迅速發展。關于離散時間隨機自適應控制的穩定性和收斂性，澳大刊亞紐卡斯爾大學的Goodwin作出了有益的貢獻。自尋優自適應控制系統、變結構白適應控制系統也得到了相應的發展。特別是最近幾年來才興起的模糊自適應控制系統，智能自適應控制系統和基于神經元網絡的自適應控制系統得到了迅速的發展，引起了人們的普遍關注。

模型參考自適應控制系統發展現在主要是向實際應用靠攏階段，主要目標是減少假定條件，去掉增廣誤差信號，減少可調參數，提高系統的魯棒性，克服系統干擾等，目的是使方法更為簡單。ＭＲＡＣ系統過去應用最成功的領域之一是電力拖動 領域。最早應用的是對晶閘管供電直流電力拖動系統進行的自適應控制器控制。由于使用常規的PI調節器進行速度反饋控制不能保證要求的高性能指標，而采用自適應控制方案可將對象近似為二階系統，且只調兩個參數就能保證對象參數變化時性能指標不變，并能克服電機速度過零時，ＰＩ調節器不能解決的死區問題。MRAC技術在自動機上應用也很活躍，

目前基于神經網絡的自校正控制器的設計迅速發展，并顯示出其在高度非線性和嚴重不確定系統控制方面的巨大潛力。目前自校正控制應用要比 MRAC多得多，除造紙、化工、二氧化鈦窯、水泥工業、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干擾，如風、浪、潮流、速度、負載及水深等方面效果也很好。同時，在原子能工業、機器人和人工心臟等部門中的應用也不乏成功的例子。

自適應控制的概念

在反饋控制和最優控制中，都假定被控對象或過程的數學模型是已知的，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學模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數學模型，在工況和條件改變了以后，其動態參數乃至于模型的結構仍然經常發生變化。

在發生這些問題時，常規控制器不可能得到很好的控制品質。為此，需要設計一種特殊的控制系統，它能夠自動地補償在模型階次、參數和輸入信號方面非預知的變化，這就是自適應控制。

自適應控制的特點

1、控制器可調

相對于常規反饋控制器固定的結構和參數，自適應控制系統的控制器在控制的過程中一般是根據一定的自適應規則，不斷更改或變動的；

2、增加了自適應回路

自適應控制系統在常規反饋控制系統基礎上增加了自適應回路（或稱自適應外環），它的主要作用就是根據系統運行情況，自動調整控制器，以適應被控對象特性的變化；

3、適用對象

自適應控制適用于被控對象特性未知或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經常保持高性能指標的一類系統，設計時不需要完全知道被控對象的數學模型。

自適應控制的分類

1、增益自適應控制

2、模型參考自適應控制（MRAC）

3、自校正控制（STC）

4、直接優化目標函數自適應控制

5、模糊自適應控制

6、多模型自適應控制

7、自適應逆控制

自適應控制的優缺點

自適應控制一般是通過對工藝系統的自主學習完成控制的。其優缺點和模糊控制類似。

優點

1、使用語言方便，可不需要過程的精確數學模型（不需要精確的數學模型）

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

3、有較強的容錯能力。具有適應受控對象動力學特征變化、環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行人機界面聯系，這些模糊條件語句容易加到過程的控制環節上。

缺點

1、信息簡單的模糊處理將導致系統的控制精度降低和動態品質變差;

2、設計尚缺乏系統性，無法定義控制目標。

自適應控制存在的理論問題

無論是時不變線性系統，還是時變非線性系統，它們與自適應機構所構成的自適應控制系統都是非線性時變系統，分析這類系統的性能是很困難的。

1、穩定性

穩定性問題是一切控制系統的核心問題。因此，設計自適應控制系統應以保證系統全局穩定為原則。如今，隨著模型參考自適應控制的發展，各種各樣的自適應控制律會不斷誕生，要保證系統全局穩定也很困難，特別是因為系統是本質非線性時變的，故當系統存在未建模動態或隨機干擾時，要證明自適應控制系統的穩定性就更困難了。

2、收斂性

對于一些自適應系統收斂性的結論都是在一些相當強的假設條件下獲得的，并且與具體的算法密切相關。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雜的系統模型上。

3、魯棒性

目前，參考模型自適應控制系統一般都是針對被控對象結構已知而參數未知的情況進行設計的，而實際被控對象結構往往難以確切知道，所獲得的對象特性中常常未能包括系統的難以描述的寄生高頻成分，即未建模動態。計算機仿真表明，這種未建模型動態可能引起自適應控制系統的不穩定，關鍵原因是自適應控制系統是非線性時變的，，而對于線性反饋控制系統，只有設計的系統有足夠的穩定裕量，這種未建模動態是不致于破壞系統穩定性的。這就提出了自適應控制的魯棒性問題。

4、性能指標

一個自適應控制系統能很好地工作，不僅要求所設計的系統穩定，而且還有滿足一定的性能指標要求。由于自適應控制系統是非線性時變的，初始條件的變化或未建模動態的存在都勢必要改變系統的運動軌跡，因此，分析自適應控制系統的動態品質是極其困難的。目前，這方面的成果還很少見。

自適應控制存在的問題

自適應控制雖然具有很大優越性，可是經過了五十多年的發展，到目前為止其應用仍不夠廣，究其原因，主要是因為存在以下幾方面的問題：適應控制理論上很難得到一般解，給推廣應用帶來了困難；

1、目前的參數估計方法都是在理想情況下隨時間趨于無窮而漸近收斂，而實際工程應用需要在有限時間內快速收斂的參數估計方法；

2、有些自適應控制器啟動過程或過渡過程的動態性能不滿足實際要求；

3、控制精度與參數估計的矛盾；

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，進而影響系統性能。

自適應控制的發展

對應上述存在的問題，自適應控制研究在今后一段時期內的發展方向將包括以下幾個方面：

1、在保證自適應控制精度的前提下，研究快速收斂的參數估計算法；

2、研究魯棒自適應控制方法，解決高頻未建模問題；

3、解決自適應控制系統啟動階段和過渡過程的參數收斂和動態性能問題；

4、自適應控制方案的規范化，即提高其通用性和開放性；

5、研究組合自適應控制策略，主要有自適應PID控制和智能自適應控制