自適應(yīng)控制器概述自適應(yīng)控制器能修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化。自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。面對(duì)這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔茫沟媚骋恢付ǖ男阅苤笜?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究并解決的問(wèn)題。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。具體地說(shuō)，可以依據(jù)對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，不斷辨識(shí)模型參數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。隨著生產(chǎn)過(guò)程的不斷進(jìn)行，通過(guò)在線辯識(shí)，模型會(huì)變得越來(lái)越準(zhǔn)確，越來(lái)越接近于實(shí)際。既然模型在不斷地改進(jìn)，顯然，基于這種模型綜合出來(lái)的控制作用也將隨之不斷改進(jìn)。在這個(gè)意義下，控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)能力。比如說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對(duì)象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開(kāi)始投入運(yùn)行時(shí)可能不理想，但是只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，通過(guò)在線辯識(shí)和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿意的工作狀態(tài)。再比如某些控制對(duì)象，其特性可能在運(yùn)行過(guò)程中要發(fā)生較大的變化，但通過(guò)在線辯識(shí)和改變控制器參數(shù)，系統(tǒng)也能逐漸適應(yīng)。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會(huì)大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。所以對(duì)那些對(duì)象特性或擾動(dòng)特性變化范圍很大，同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，采取自適應(yīng)控制是合適的。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只有在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。二、自適應(yīng)控制器的發(fā)展歷程自從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制器以來(lái)，在對(duì)各種控制系統(tǒng)的研制與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，人們就意識(shí)到控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題及尋找適當(dāng)?shù)目刂破鹘Y(jié)構(gòu)與獲得控制器參數(shù)。另外，人們也認(rèn)識(shí)到在研究一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，不僅僅要建立受控對(duì)象的模型，還需要考慮環(huán)境因素對(duì)對(duì)象的影響，所以要求控制器不僅僅對(duì)一個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)而且要求能對(duì)所有工作點(diǎn)的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，即具有自適應(yīng)能力。20世紀(jì)40年代“控制論”問(wèn)世至今，控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)一直是研究討論的主要內(nèi)容。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，人們就已經(jīng)注意到控制器運(yùn)行時(shí)對(duì)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的在線自動(dòng)調(diào)節(jié)體現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)。50年代明確提出的自適應(yīng)控制在航天技術(shù)中得到成功應(yīng)用。因此對(duì)自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)研究工作產(chǎn)生了強(qiáng)有力的影響。但是由于模擬器件的限制和缺乏完整的理論依據(jù)，也就限制了自適應(yīng)控制器的實(shí)現(xiàn)，從而減弱了人們對(duì)這一領(lǐng)域的興趣。60年代后，控制理論在許多方向上得到迅速發(fā)展。非線形系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、最佳估計(jì)理論、系統(tǒng)辨識(shí)方法和遞推方法都對(duì)自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)提供了有效地依據(jù)，人們對(duì)自適應(yīng)控制有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并產(chǎn)生了更多的設(shè)計(jì)實(shí)例。另一方面，自從1962年第一次將計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)以來(lái)，隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)控制系統(tǒng)已從直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)、監(jiān)督控制（SSC）系統(tǒng)發(fā)展到集散控制系統(tǒng)（DCS）、遞階控制系統(tǒng)（HCSA）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS），在大量生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，工業(yè)計(jì)算機(jī)已經(jīng)變成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，這樣就可以在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的自適應(yīng)控制器。1982年第一個(gè)工業(yè)數(shù)字自適應(yīng)控制器投入市場(chǎng)，緊接著一批數(shù)字自校正和自適應(yīng)控制器應(yīng)用到工業(yè)過(guò)程中。硬件資源越來(lái)越豐富且價(jià)格也越來(lái)越便宜，為研究人員和工程技術(shù)人員開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)各種自適應(yīng)控制器提供了方便。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已成為生產(chǎn)設(shè)備及過(guò)程控制系統(tǒng)的重要組成部分，它既可以在一定程度上代替人的思維進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，又可以直接與現(xiàn)場(chǎng)各種裝置（如變送器、執(zhí)行器）相連，對(duì)所連接的裝置實(shí)施自適應(yīng)控制。由于自適應(yīng)控制是在常規(guī)的控制環(huán)之外增加了非線形的自適應(yīng)環(huán)節(jié)，自適應(yīng)控制器面向的對(duì)象常常是非確定性的時(shí)變過(guò)程，所以大大增加了控制器的復(fù)雜性、計(jì)算量和操作執(zhí)行時(shí)間。三、自適應(yīng)的控制方法自從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器以來(lái)，就產(chǎn)生了對(duì)給定的過(guò)程和對(duì)象尋求適當(dāng)?shù)目刂破鹘Y(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的問(wèn)題。另一個(gè)困難是要求控制器不僅能對(duì)一個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且要能對(duì)所有工作點(diǎn)的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)首先于20世紀(jì)40年代末被提出來(lái)討論，同時(shí)自適應(yīng)控制的名稱被首先用來(lái)定義控制器對(duì)過(guò)程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)能力。自適應(yīng)控制是一種具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能認(rèn)識(shí)環(huán)境的變化，并能自動(dòng)改變控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)整控制作用，以保證系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制品質(zhì)。任何一彳固實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)外部。系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性主要指過(guò)程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)事前可能是未知的；系統(tǒng)外部的不確定性主要指外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，這可以等效地用擾動(dòng)來(lái)描述。擾動(dòng)通常指不可測(cè)因素，它們可能是確定的。此外，還有一些量測(cè)噪聲也是不確定的。面對(duì)這些客觀存在的不確定性，如何在線的調(diào)整控制作用，使被控過(guò)程的指定性能指標(biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或次優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)要求。控制器能夠變更或改進(jìn)一個(gè)未知對(duì)象的行為和響應(yīng)，使其滿足一定的性能要求，所以在控制工程中，控制器得到了十分廣泛的應(yīng)用。對(duì)受控對(duì)象或受控過(guò)程施加輸入u就可產(chǎn)生輸出y,這個(gè)y代表了對(duì)象或過(guò)程的實(shí)測(cè)輸出響應(yīng)。控制設(shè)計(jì)的任務(wù)就是選擇輸入^以便使輸出響應(yīng)y滿足某個(gè)給定的性能要求。大多數(shù)控制工程師在選擇u時(shí)通常遵循的控制設(shè)計(jì)步驟大致如下：步驟1，建模。這一步的任務(wù)是為了了解對(duì)象的過(guò)程機(jī)理，為此需要加入一個(gè)給定的輸入信號(hào)u(t)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)輸出響應(yīng)y(t)，以便能以一些數(shù)學(xué)方程來(lái)描述對(duì)象。這些方程構(gòu)成了對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。實(shí)際上，一個(gè)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型可利用物理規(guī)律來(lái)建立，也可以通過(guò)處理由各種試驗(yàn)得到的對(duì)象的輸入-輸出數(shù)據(jù)來(lái)得出，還可以把兩者結(jié)合起來(lái)建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。這些就是控制工程中常常采用的建模方法。當(dāng)加到模型上的輸入和初始條件與加到對(duì)象上的輸入和初始條件完全相同時(shí)，一個(gè)精確的對(duì)象模型就應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生與對(duì)象完全一樣的輸出響應(yīng)。但是，大多數(shù)實(shí)際對(duì)象都很復(fù)雜，要建立這樣精確的模型是沒(méi)有保證的，甚至是不可能的。即使得到了精確的模型，其維數(shù)很可能是無(wú)窮維的，這樣的模型所描述的非線性特性或時(shí)變特性對(duì)控制設(shè)計(jì)的作用也是微乎其微甚至是完全無(wú)益的。從實(shí)用目的來(lái)看，最好的模型應(yīng)當(dāng)是有效的，還應(yīng)當(dāng)是簡(jiǎn)單的。通過(guò)建模得到了對(duì)象的模型后，往往還要利用在工作點(diǎn)附近線性化和減少模型階次等方法來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。一般地講，建模涉及到對(duì)對(duì)象過(guò)程和性能要求的良好理解，因此還可能需要有關(guān)控制工程師的某些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才能圓滿地完成建模任務(wù)。步驟2,控制器的設(shè)計(jì)。在建立了可用的對(duì)象模型之后就可著手控制器的設(shè)計(jì)了。控制器的設(shè)計(jì)是為了滿足對(duì)象模型對(duì)性能的要求。如果模型能良好地逼近對(duì)象，那么當(dāng)把設(shè)計(jì)好的同一控制器用于對(duì)象時(shí)，對(duì)象所能達(dá)到的性能就可能十分接近對(duì)象模型所達(dá)到的性能。所以，還需要分析所設(shè)計(jì)的控制器用于具有不確定性的對(duì)象時(shí)的性能，即進(jìn)行魯棒性分析。如果影響很大，以至性能已下降到無(wú)法接受的程度，就必須改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)控制器，以降低控制器對(duì)不確定性的靈敏度，即增加對(duì)不確定性的魯棒性。這種魯棒性分析和控制器的重新設(shè)計(jì)將提高在步驟3中實(shí)現(xiàn)控制器時(shí)的成功幾率。步驟3，實(shí)現(xiàn)。將步驟2中設(shè)計(jì)的控制器加到未知對(duì)象上，該控制器已滿足對(duì)象模型的性能要求，而且相對(duì)于可能出現(xiàn)在對(duì)象模型中的不確定性是魯棒的。雖然在某些應(yīng)用中，還可能用模擬計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器，但這里認(rèn)定是用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，有關(guān)可用的計(jì)算機(jī)類型、計(jì)算機(jī)和對(duì)象之間的接口部件的類型、軟件工具等都必須事先考慮好。計(jì)算機(jī)速度和精度會(huì)對(duì)控制器的復(fù)雜性有所限制，這時(shí)可能需要返回步驟2,甚至返回步驟1,以便在不降低性能要求的情況下，得到更為簡(jiǎn)單的控制器。實(shí)現(xiàn)中的另一個(gè)重要方面是進(jìn)行控制器的最后調(diào)整，即進(jìn)行通常所說(shuō)的控制器的整定，其目的是要通過(guò)補(bǔ)償在設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮到的對(duì)象的不確定性來(lái)改善控制器的性能。整定通常是依靠嘗試法來(lái)完成，這完全取決于控制工程師的經(jīng)驗(yàn)和直觀知識(shí)。針對(duì)這類問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年的努力，人們已建立和發(fā)展了一種新的控制方法，即自適應(yīng)控制方法。與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理和最優(yōu)控制不同，自適應(yīng)控制能在受控對(duì)象的模型知識(shí)和環(huán)境知識(shí)知之不全甚至知之甚少的情況下，給出高質(zhì)量的控制品質(zhì)。大量工程實(shí)踐表明，對(duì)于復(fù)雜的受控對(duì)象或受控過(guò)程，采用自適應(yīng)控制往往能提高現(xiàn)有的生產(chǎn)率、降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。所以當(dāng)受控對(duì)象特性尚未完全掌握，受控對(duì)象本身又存在不可忽視的不確定性時(shí)，采用自適應(yīng)控制方案就成了控制工程師的一種合乎邏輯的選擇。四、自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)要素自適應(yīng)控制器的特征由兩方面描述：一方面是在操作運(yùn)行中如何獲取未知過(guò)程或閉環(huán)的信息；另一方面是如何標(biāo)記控制律的變化。有很多實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方法，然而還沒(méi)有描述自適應(yīng)或自校正的一般定義，按照普遍采納的描述是“自適應(yīng)控制系統(tǒng)按照控制過(guò)程和信號(hào)的變化調(diào)整它們的行為”。自適應(yīng)控制器主要?jiǎng)澐譃閮煞N形式一一前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器和反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制器。五、在線參數(shù)估計(jì)器的設(shè)計(jì)如上所述，自適應(yīng)控制器可視為是一種在線參數(shù)估計(jì)器與由參數(shù)已知時(shí)得出的控制律的一種組合。這種組合方法加上估計(jì)器和控制律的類型就提出了各種不同性質(zhì)、不同類型的自適應(yīng)控制器，其中，線參數(shù)估計(jì)器起著關(guān)鍵性的作用。在自適應(yīng)控制文獻(xiàn)中，在線參數(shù)估計(jì)器有時(shí)又稱為自適應(yīng)律、更新律或調(diào)整機(jī)構(gòu)。自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)對(duì)自適應(yīng)控制器的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的作用。不難看出，自適應(yīng)律加重了非線性性質(zhì)，它使閉環(huán)對(duì)象成為非線性的，而且常常是時(shí)變的。因此，分析和理解自適應(yīng)控制方案的穩(wěn)定性和魯棒性就成了十分復(fù)雜的問(wèn)題。設(shè)計(jì)自適應(yīng)律的基本方法是靈敏度方法、正性和Lyapunov（李亞普諾夫）設(shè)計(jì)方法以及基于估計(jì)誤差代價(jià)準(zhǔn)則的梯度法和各種最小二乘法等。靈敏度方法是設(shè)計(jì)自適應(yīng)律的最早的方法之一，理^證明，與基于其他設(shè)計(jì)的自適應(yīng)律相比，其穩(wěn)定性較差。六、自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用概況自適應(yīng)控制系統(tǒng)理論和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，簡(jiǎn)便廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)的普及，特別是自適應(yīng)控制在工業(yè)生產(chǎn)中的成功應(yīng)用，正促進(jìn)人們?cè)谧约旱墓ぷ髦胁捎米赃m應(yīng)控制技術(shù)。據(jù)不