自适应控制_新版_1

自适应控制什么是自适应控制自适应控制是一种控制系统设计方法，它通过实时监测和调整系统的参数来适应不确定的外部环境和内部系统变化。

自适应控制可以提高控制系统的性能和鲁棒性，使其能够快速、准确地响应不断变化的环境或系统参数。

在传统的控制系统中，通常假设系统的数学模型是已知和固定的。

然而，在实际应用中，系统的动态特性常常受到各种因素的影响，如外部扰动、参数变化、非线性效应等。

这些因素使得传统的控制方法往往无法满足系统的控制要求。

而自适应控制则能够通过不断地观测和在线调整系统参数，使系统能够适应这些变化，并实现良好的控制效果。

自适应控制的基本原理自适应控制的基本原理是根据系统的实时反馈信息来调整控制器的参数。

具体来说，自适应控制系统通常由以下几个部分组成：1.参考模型：参考模型是指描述所期望控制系统输出的理想模型，通常由一组差分方程来表示。

参考模型的作用是指导控制系统的输出，使其能够尽可能接近参考模型的输出。

2.系统模型：系统模型是指描述被控对象的数学模型，包括其输入、输出和动态特性。

系统模型是自适应控制的重要基础，它确定了控制系统需要调整的参数和控制策略。

3.控制器：控制器是自适应控制系统的核心部分，它根据系统输出和参考模型的误差来实时调整控制器的参数。

控制器可以通过不同的算法来实现，如模型参考自适应控制算法、最小二乘自适应控制算法等。

4.参数估计器：参数估计器是自适应控制系统的关键组件，它用于估计系统模型中的未知参数。

参数估计器可以通过不断地观测系统的输入和输出数据来更新参数估计值，从而实现对系统参数的实时估计和调整。

5.反馈环路：反馈环路是指通过测量系统输出并将其与参考模型的输出进行比较，从而产生误差信号并输入到控制器中进行处理。

反馈环路可以帮助控制系统实时调整控制器的参数，使系统能够适应外部环境和内部变化。

自适应控制的应用领域自适应控制在各个领域都有广泛的应用，特别是在复杂和变化的系统中，其优势更为突出。

自适应控制的控制律全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：自适应控制是一种利用反馈信息来自动调整控制参数以适应系统动态变化的控制方法。

自适应控制的目标是使控制系统能够在系统参数变化或外部干扰的情况下仍能保持良好的控制性能。

在自适应控制中，控制器会根据实时的系统状态和性能指标来调整控制参数，以实现控制系统的自适应性和鲁棒性。

在设计自适应控制律时，可以采用模型参考自适应控制、自适应扰动抑制控制、自抗扰自适应控制等不同的方法。

模型参考自适应控制是一种常用的自适应控制方法，它通过设计一个参考模型来描述所需的系统性能，然后利用参数调整算法来不断地调整控制参数以实现对系统的追踪。

在实际应用中，自适应控制律可以广泛应用于工业控制、航空航天、机器人、汽车等领域。

在工业控制中，自适应控制律可以帮助系统在不同的工况下实现对生产过程的精确控制；在航空航天领域，自适应控制律可以提高飞行器的稳定性和性能；在机器人领域，自适应控制律可以提高机器人的工作效率和灵活性。

自适应控制律是一种重要的控制策略，它能够帮助控制系统实现对系统动态变化的自适应控制，保持系统对目标的精确控制。

随着科学技术的不断进步，自适应控制律将在各个领域发挥越来越重要的作用，为提高系统性能和稳定性提供有力的支持。

第二篇示例：自适应控制是一种智能化的控制方法，它能够根据系统的运行状态和环境变化自动调整控制参数，以实现系统稳定性和性能的最优化。

自适应控制的核心技术就是控制律的设计，控制律是描述控制系统输入和输出之间关系的数学表达式。

在自适应控制中，控制律的设计十分关键，它直接影响到系统的稳定性和性能。

自适应控制的控制律设计通常包括两个部分：参数调节律和自适应规律。

参数调节律用于根据系统的状态变化来调整控制参数，以实现系统的跟踪性能、快速性能和稳定性。

自适应规律则用来根据系统的动态特性和环境变化，自动调整参数调节律，以适应不同的工况和环境条件。

通过这两部分的相互配合，自适应控制系统能够实现对于不确定性和变化的自适应调节，从而提高系统的鲁棒性和性能。

一、概述1.自适应控制的控制对象：自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。

2.自适应控制的基本思想是：在控制系统设计时，不断地测量受控对象的状态，性能或参数，从而“认识”或“掌握”系统当前的运行状况，并将系统当前的性能指标与期望的指标相比较，从而根据比较结果作出决策，来改变控制器的结构、参数或根据自适应的规律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下最优或次优的状态。

3.吉布森1962年提出以下定义：（1）在线辨识：一个自适应控制系统必须能提供对象当前状态的连续信息；（2）决策控制：它必须将系统当前的性能和希望的或者最优的性能进行比较，并作出使系统趋向最优性能的决策；（3）在线修正：它必须对控制器进行修正以便是系统趋向最优状态。

这三方面的功能是自适应系统所必须具有的功能。

4.与其他控制方法的比较自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只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有关模型的信息，使模型逐步完善。

具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。

随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。

既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。

在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。

比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。

再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。

常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。

控制系统自适应控制自适应控制是一种控制系统中常用的控制方法，它能够根据被控对象的特性和外部环境的变化，自动调整控制器的参数，以达到系统最佳的控制效果。

在控制系统中，自适应控制起到了至关重要的作用。

本文将对控制系统自适应控制进行深入的探讨。

一、控制系统概述控制系统是由被控对象、传感器、执行器以及控制器等多个组件构成的系统，其主要功能是通过控制器对被控对象进行控制，使其达到预期的状态或输出。

传统的控制系统是通过确定性的控制方法来实现对被控对象的控制，但是这种方法在面对不确定性的情况下效果并不理想。

因此，自适应控制应运而生。

二、自适应控制原理自适应控制通过实时监测被控对象的输出以及外部环境的变化，利用自适应算法不断调整控制器的参数，以适应系统的变化。

自适应控制的关键是确定适当的自适应算法，常用的自适应算法有最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法等。

这些算法能够根据系统的动态性和时变性，采用不同的调整策略，从而达到控制系统的优化。

三、自适应控制的应用自适应控制广泛应用于各个领域的控制系统中。

其中，最为典型的应用是自动驾驶汽车中的控制系统。

自动驾驶汽车需要实时感知车辆周围的情况，通过自适应控制调整车辆的速度、转向等参数，以适应不同的驾驶环境和路况。

另外，自适应控制还被广泛应用于电力系统、航空航天、工业自动化等领域。

四、自适应控制的优缺点自适应控制具有以下优点：1. 对于复杂的被控对象和不确定的环境具有良好的适应性；2. 能够实现控制系统的在线优化，提高了系统的稳定性和控制效果；3. 可以有效应对外部环境的变化，保持系统的稳定性。

然而，自适应控制也存在一些缺点：1. 自适应控制算法的设计和实现较为复杂，需要较高的技术要求；2. 当被控对象存在非线性、时变性等复杂特性时，自适应控制的效果可能不理想；3. 自适应控制对系统的要求较高，如果系统存在较大的不确定性，可能导致系统不稳定。

五、总结自适应控制是一种重要的控制方法，能够根据被控对象的特性和外部环境的变化，自动调整控制器的参数，以达到系统最佳的控制效果。

目录第一章自适应控制概述 (1)第一节自适应控制的产生背景及分类 (1)一.自适应控制产生的背景 (1)二.自适应控制的原理及分类 (2)第二章模型参考自适应控制（MODEL REFERENCE ADAPTIVE CONTROL）简称MRAC 3第一节MRAC的基本概念 (3)第二节最优化的设计方法 (4)一、利用梯度法的局部参数最优化的设计方法 (4)第三节基于李雅普诺夫第二方法稳定性理论的MRAC设计方法 (7)一．关于李雅普诺夫( Liaupunov) 稳定性的第二方法 (7)第四节基于超稳定理论的MRAC设计方法 (13)一、关于超稳定性理论的基本概念 (13)二、用超稳定理论设计MRAC系统 (15)第三章自校正控制 (18)第一节自校正控制的原理及组成 (18)第二节最小方差控制律 (21)第一章自适应控制概述任何一个动态系统，通常都具有程度不同的不确定性。

这种不确定性因素的产生主要由于：(1)系统的输入包含有随机扰动，如飞行器飞行过程中的阵风；(2) 系统的测量传感器具有测量噪声；以上两者又称为不确定性的（或随机的）环境因素。

(3) 系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性。

如导弹控制系统中气动力参数随导弹飞行高度、速度、导弹质量及重心的变化而变化。

在只存在不确定环境因素，但系统模型具有确定性的情况下，这是随机控制需要解决的问题；而自适应控制是解决具有数学模型不确定性为特征的最优控制问题。

这时如果系统基本工作于确定环境下，则称为确定性自适应控制；如果系统工作于随机环境下，则称为随机自适应控制。

自适应控制的提法可归纳为：在系统数学模型不确定的条件下（工作环境可以是基本确定的或是随机的），要求设计控制规律，使给定的性能指标尽可能达到及保持最优。

为了完成以上任务，自适应控制必须首先要在工作过程中不断地在线辨识系统模型（结构及参数）或性能，作为形成及修正最优控制的依据，这就是所谓的自适应能力，它是自适应控制主要特点。

一、课件简介1.1 课件目的本课件旨在介绍自适应控制的基本概念、原理和应用，帮助学习者深入理解自适应控制理论，掌握自适应控制器的设计和分析方法。

1.2 课件内容本课件主要包括自适应控制的基本概念、自适应控制系统的类型及特点、自适应控制器的设计方法、自适应控制的应用领域等内容。

二、自适应控制的基本概念2.1 自适应控制的定义2.2 自适应控制的目标自适应控制的目标是使系统在未知干扰和参数变化的作用下，仍能达到预定的性能指标，包括稳态性能、动态性能和鲁棒性能等。

2.3 自适应控制的基本原理自适应控制的基本原理包括误差反馈、模型参考自适应控制和自校正控制等。

三、自适应控制系统的类型及特点3.1 类型自适应控制系统主要分为模型参考自适应控制、误差反馈自适应控制和模糊自适应控制等。

3.2 特点自适应控制系统的特点包括具有较强的鲁棒性、适应性和灵活性，能够在线调整控制器参数，适应系统的不确定性和变化。

四、自适应控制器的设计方法4.1 基于李雅普诺夫理论的设计方法4.2 基于最优控制理论的设计方法4.3 基于模糊逻辑的设计方法五、自适应控制的应用领域5.1 工业控制系统5.2 控制5.3 航空航天领域5.4 生物医学领域5.5 新能源领域六、自适应控制的关键技术6.1 系统建模与辨识系统建模与辨识是自适应控制的基础，涉及到对被控对象动态特性的估计和建模。

6.2 参数估计与更新参数估计与更新技术是自适应控制的核心，主要包括观测器设计、参数自适应律设计等。

6.3 控制律设计控制律设计是自适应控制的关键，需要保证系统在面临不确定性和外界干扰时，仍能达到期望的性能指标。

七、自适应控制的应用案例分析7.1 工业过程控制以工业生产线上的温度控制为例，介绍自适应控制如何在工业过程中应用，提高控制精度和稳定性。

7.2 导航以无人驾驶汽车为例，介绍自适应控制如何在复杂环境中实现精确的路径跟踪和避障。

7.3 航空航天器控制以卫星控制系统为例，介绍自适应控制如何在高动态和高不确定环境下保证控制系统的性能。

第一章 概述1.1 自适应控制的研究对象自适应控制是研究具有“不确定性”的控制系统的特性分析和综合（控制器设计）。

1. 系统不确定性产生的原因 1）内部不确定性（1）被控对象的结构（阶次）和参数由于建模误差引起的不确定性。

（2）被控对象的结构（阶次）和参数或者动态特性是时变的或随工作作条件改变而变化。

2）外部不确定性被控对象的运行环境（外部干扰）是随机信号而且它们的统计特性不确切知道或者是时变的。

2. 系统“不确定性”的数学描述 1）状态方程设一个线性离散时间系统，其状态方程如下：(1)(,)()(,)()()x k A k x k B k u k k θθε+=++ (1.1-1)()(,)()()y k C k x k v k θ=+式中：()()r r ()m 1 m x k y k u k ⨯⨯⨯——状态向量 n 1——输出向量 1 （由传感器数量决定）——控制向量 （由执行机构决定）{()}}{()}k u k ε——单位动态噪声称为随机序列，其统计特性未知——测量噪声(,)A k θ，(,)B k θ，(,)C k θ 分别为系统矩阵，输入矩阵，输出矩阵，其维数为,n n m n ⨯⨯⨯n ，v 。

k ——离散时间，k ~k T 。

其中T 为采样周期。

θ——S 维未知参数向量，可能A ，B ，C 中未知参数不同，为了简单起见，都设为S 维。

2）系统框图根据（1.1-1）式可以画出被控对象的结构框图。

1Z -(,)C k θ(,)B k θ(,)A k θ()u k ()k ε()x k ()y k ()v k (1)x k +图 1.1-1 被控对象的结构框图图中1z -是时间延迟因子，1()(1)x k z x k -=+，噪声{()k ε}和{v (k ）}作用于对象的不同部位，对于线性系统，可以等效于作用在输出端的一个噪声。

其统计特性例如期望值、相关函数等由于不确定性而未知，或随时间变化。

自适应控制Adaptive control1.关于控制2.关于自适应控制3.模型参考自适应控制4.自校正控制5.自适应替代方案6.预测控制参考文献主要章节内容说明：第一部分：第一章自适应律的设计§1.参数最优化方法§2.基于Lyapunov稳定性理论的方法§3.超稳定性理论在自适应控制中的应用第二章误差模型§1.Narendra误差模型§2.增广矩阵§3.线性误差模型第三章MRAC的设计和实现第四章小结第二部分：第一章模型辨识及控制器设计§1.系统模型：CARMA模型§2.参数估计：LS法§3.控制器的设计方法：利用传递函数模型§4.自校正第二章最小方差自校正控制§1.最小方差自校正调节器§2.广义最小方差自校正控制第三章极点配置自校正控制§1.间接自校正§2.直接自校正1.About control engineering education1)control curriculum basic concept(1)dynamic system●The processes and plants that are controlled have responses that evolvein time with memory of past responses●The most common mathematical tool used to describe dynamic system isthe ordinary differential equation (ODE).●First approximate the equation as linear and time-invariant. Thenextensions can be made from this foundation that are nonlinear 、time-varying、sampled-data、distributed parameter and so on.●Method of building model (or equation )a)Idea of writing equations of motion based on the physics andchemistry of the situation.b)That of system identification based on experimental data.●Part of understanding the dynamical system requires understanding theperformance limitations and expectation of the system.2.stabilityWith stability, the system can at least be used●Classical control design method, are based on a stability test.Root locus 根轨迹Bode‟s frequency response 波特图Nyquist stability criterion 奈奎斯特判据●Optimal control, especially linear-quadratic Gaussian (LQG) control (线性二次型高斯问题) was always haunted by the fact that method did notinclude a guarantee of margin of stability.The theory and techniques of robust (鲁棒)design have been developedas alternative to LQG●In the realm of nonlinear control, including adaptive control, it iscommon practice to base the design on Lyapunov function in order to beable to guarantee stability of final result.3.feedbackMany open-loop devices such as programmable logic controllers (PLC) are in use, their design and use are not part of control engineering.●The introduction of feedback brings costs as well as benefits. Among thecosts are need for both actuators and sensors, especially sensors.●Actuator defines the control authority and set the limits of speed indynamic response.●Sensor via their inevitable noise, limit the ultimate(最终) accuracy ofcontrol within these limits, feedback affords the benefit of improveddynamic response and stability margins, improved disturbancerejection(拒绝) ，and improved robustness to parameter variability.●The trade off between costs and benefits of feedback is at the center ofcontrol design.4.Dynamic compensation●In beginning there was PID compensation, today remaining a widely usedelement of control, especially in the process control.●Other compensation approaches : lead-and-log networks (超前-滞后)observer-based compensators include : pole placement, LQG designs.●Of increasing interest are designs capable of including trade-off amongstability, dynamic response and parameter robustness.Include: Q parameterization, adaptive schemes.Such as self-tuning regulators, neural-network-based-controllers.二、historical perspectives (透视)●Most of early control manifestations appear as simple on-off (bang-bang)controllers with empirical (实验；经验性的) setting much dependent uponexperience.●The following advances such as Routhis and Hurwitz stability analysis(1877).Lyapunov‟s state model and nonlinear stability criteria(判据) (1890) .Sperry‟s early work on gyroscope and autopilots (1910), and Sikorsky‟swork on ship steering (1923)Take differential equation, Heaviside operators and Laplace transform astheir tools.●电机工程(electrical engineering)The largely changed in the late 1920s and 1930s with Black‟s developmentof the feedback electronic amplifier, Bush‟s differential analyzer, Nyquist‟sstability criterion and Bode‟s frequency response methods.The electrical engineering problems faced usually had vary complex albeitmostly linear model and had arbitrary (独立的；随机的) and wide-ringingdynamics.●过程控制(process control in chemical engineering)Most of the progress controlled were complex and highly nonlinear, butusually had relatively docile (易于处理的) dynamics.One major outcome of this type of work was Ziegler-Nichols‟PIDthres-term controller. This control approach is still in use today, worldwidewith relatively minor modifications and upgrades (including sampled dataPID controllers with feed forward control, anti-integrator-windupcontrollers :抗积分饱和，and fuzzy logic implementations).●机械工程(mechanical engineering)The application of controls in mechanical engineering dealt mostly in thebeginning with mechanism controls, such as servomechanisms, governorsand robots.Some typical control application areas now include manufacturing processcontrols, vehicle dynamic and safety control, biomedical devices and geneticprocess research.Some early methodological outcomes were the olden burger-Kahenbugerdescribing function method of equivalent linearization, and minimum-time,bang-bang control.●航空工程（aeronautical engineering ）The problems were generally a hybrid (混合) of well-modeled mechanicsplus marginally understood fluid dynamics. The models were often weaklynonlinear, and the dynamics were sometimes unstable.Major contributions to framework of controls as discipline were Evan‟s rootlocus (1948) and gain-scheduling.●Additional major contributions to growth of the discipline of control over thelast 30-40 years have tended to be independent of traditional disciplines.Examples include:Pontryagin‟s maximum principle (1956) 庞特里金Bellman‟s dynamic programming (1957)贝尔曼Kalman‟s optimal estimation (1960)And the recent advances in robust control.三、Abstract thoughts on curriculum●The possibilities for topic to teach are sufficiently great. If one tries topresent proofs of all theoretical results. One is in danger of giving thestudents many mathematical details with little physical intuition orappreciation for the purposes for which the system is designed.●Control is based on two distinct streams of thought. One stream is physicaland discipline-based. Because one must always be controlling some thing.The other stream is mathematics-based, because the basis concepts ofstability and feedback are fundamentally abstract concepts best expressedmathematically. This duality(两重性) has raised, over the years, regularcomplaints about the …gap‟ between theory and practice.●The control curriculum typically begins with one or two courses designed topresent an overview of control based on linear, constant, ODE models,s-plane and Nyquist‟s stability ideas, SISO feedback and PID, lead-lay andpole-placement compensation.These introductory courses can then be followed by courses in linear systemtheory, digital of control, optimal control, advanced theory of feedback, andsystem identification.四、Main control courses●Introduction to controlLumped system theoryNonlinear controlOptimal controlAdaptive controlRobot controlDigital controlModeling and simulationAdvanced theoryStochastic processesLarge scale multivariable systemManufacturing systemFuzzy logic Neural Networks外文期刊：《Automatic》IFAC 国际自动控制联合会Computer and control abstractsIEEE translations on Automatic controlAutomation●Specialized \ experimental courses✓Intelligent controlApplication of Artificial IntelligenceSimulation and optimization of lager scale systems robust control ✓System identification✓Microcomputer-based control systemDiscrete-event systemsParallel and Distributed computationNumerical optimization methodsNumerical system theory●Top key works from 1963-1995 in IIACAdaptive control 305Optimal control 277Identification 255Parameter estimation 244Stability 217Linear system 184Non-linear systems 168Robust control 158Discrete-time systems 143Multivariable systems 140Robustness 140Multivariable systems control systems 110Optimization 110Computer control 104Large-scale systems 103Kalman filter 102Modeling 107为什么自适应 《Astrom 》chapter 1✓ 反馈可以消除扰动。

自适应控制的理论与方法自适应控制是一种针对变化不确定的环境，能够自动调整控制参数的控制方法。

它能够根据实际情况来调节控制器参数，从而提高控制系统的鲁棒性和稳定性。

随着科技的不断发展，自适应控制在工业、交通、航空等领域得到了广泛应用。

本文将就自适应控制的理论和方法进行探讨。

一、自适应控制的基本原理自适应控制的基本原理是建立在模型参考控制的基础上的。

传统的控制方法通常是采用PID控制器进行控制，但是当被控对象受到外界干扰或者发生变化时，PID控制器的参数就需要重新调整。

这时候采用自适应控制器，就可以在不影响系统稳定性的前提下实现参数的自动调整，使控制系统更加稳定。

自适应控制器的核心是模型参考控制器。

模型参考控制是将被控对象和参考模型进行比较并产生控制输出的方法。

当被控对象与参考模型之间存在误差时，自适应控制器会根据误差来调整参数，从而实现对被控对象的控制。

二、自适应控制的分类自适应控制按照控制器的参数更新方式可以分为几种类型：1. 直接自适应控制。

该控制器根据被控对象的输出直接更新控制器的参数。

直接自适应控制器是最简单的自适应控制器，但是它需要对控制器参数的收敛速度进行限制，否则可能会导致控制系统不稳定。

2. 间接自适应控制。

该控制器是通过计算误差信号和控制输入之间的差异来更新控制器的参数。

间接自适应控制器相比直接自适应控制器更加稳定，但是它的参数更新速度较慢。

3. 迭代自适应控制。

该控制器通过增加控制器的复杂度，利用反馈和迭代的方式来更新控制器的参数。

迭代自适应控制器可以更快地适应环境变化，但是其设计和调整比较复杂。

三、自适应控制的应用自适应控制在许多领域得到广泛的应用，例如：1. 工业控制。

自适应控制可以应用于许多工业场合，提高工业生产的自动化水平。

例如，对于液位、温度等物理量的控制，可以通过自适应控制来实现。

2. 交通控制。

自适应控制可以应用到交通领域中，例如交通信号灯的控制，可以根据车流量的变化来调整信号灯的周期，从而降低拥堵和交通事故的发生率。