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2010-3-16 控制理论与制导技术研究中心 自适应控制发展与分类 黄显林 控制理论与制导技术研究中心 哈尔滨工业大学 xlinhuang@hit.edu.cn 自适应控制的发展及分类 一、什么是自适应控制器？ 定义：是一种具有“结构或参数整定机构”的控制器。 例如：变参数 PID 控制器； 1. 形式上：自适应控制律是非线性或线性时变控制律； 2. 效果上：是一种可以根据环境（包括噪声、干扰）以 及被控对象自身的变化（参数、结构的变化）而自动调 整控制器结构或者参数以期减小甚至消除这些“变化”对 “控制性能”影响的控制器。 自适应控制的发展及分类 二、为什么要改变“控制器的参数或结构”？ 1 . “不改不行”：“被控对象自身”或“环境”发生了很大的改变，以前的控制律“可能”已经无法使系统“稳定”工作。 自适应控制的发展及分类 例：刚体长出“挠性翅膀”：太阳能帆板的展开过 程： 导弹“压心”与“质心”位置关系的改变：静稳定系统变成静不稳定系统： 自适应控制的发展及分类 2. 由于参数或结构不确定性的存在，初始设计的控制律参数不能够达到理想的控制性能，为了提高“控制性能”需要进一步修正控制律结构或参数； 变长度的倒立摆；不同路况下驾驶车辆的情况。 和鲁棒控制的异同 鲁棒控制：以不变应万变； 自适应控制：以变制变； 自适应控制的发展及分类 三、自适应控制适用的被控对象 1. 参数、结构不确定系统：包括线性、非线性被 控对象； 模型参考自适应系统 2. 参数、结构随时间发生“缓慢”变化的被控对 象； 随机自适应系统 3. 非线性系统 增益调度自适应系统，T-S多模型系统 自适应控制的发展及分类 四、自适应控制系统的关键环节——参数 调节机构 自适应控制的发展及分类 1. 在线调节机构：通过在线学习、辨识的方法。 随机自适应系统； 模型参考自适应系统。 2. 离线调节机构：事先考虑好各种情况，通过某些“调度变量”来改变控制器“结构”或者“参数”。 增益调度系统； T-S 多模型系统。 自适应控制的发展及分类 五、自适应控制的发展概况 与主流控制理论（线性控制理论）的发展密不可分。 1. 主流控制理论的发展简史 自适应控制的发展及分类 自适应控制的发展及分类 经典控制阶段（设计、综合控制器的工具简单） 研究对象：以单入单出系统为主； 数学描述：传递函数； 主要数学工具：复变函数、积分变换； 主要成果：各种基于频域的图形化设计方法，如Nichles, Bode、Nyquist，根轨迹等设计方法。 自适应控制的发展及分类 现代控制阶段（以计算机为主要工具） 研究对象：多入多出系统； 数学描述：状态空间描述； 主要数学工具:矩阵理论、微分方程理论； 设计用计算机； 实现用计算机； 自适应控制的发展及分类 主要成果： (1) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956)； (2) 美国R. Bellman在RAND Coporation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957)； (3) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)； (4) 美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System)，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)； (5) 瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自动调节器。 自适应控制的发展及分类 后现代控制阶段（以范数和参数为主要工具） 研究对象：多入多出系统； 数学描述：线性分式变换； 主要数学工具：范数理论、矩阵理论； 主要成果：加拿大G. Zames提出H? 鲁棒控制设 计方法(1981年)，及日后发展起来的综合理论； 自适应控制的发展及分类 2. 自适应控制理论的发展简史 (1). 经典控制阶段的自适应控制： a. 50年