自适应控制的优缺点_自适应控制存在的问题及发展

自适应控制的现状

近年来，自校正控制技术如雨后春笋般地迅速发展。关于离散时间随机自适应控制的稳定性和收敛性，澳大刊亚纽卡斯尔大学的Goodwin作出了有益的贡献。自寻优自适应控制系统、变结构白适应控制系统也得到了相应的发展。特别是最近几年来才兴起的模糊自适应控制系统，智能自适应控制系统和基于神经元网络的自适应控制系统得到了迅速的发展，引起了人们的普遍关注。

模型参考自适应控制系统发展现在主要是向实际应用靠拢阶段，主要目标是减少假定条件，去掉增广误差信号，减少可调参数，提高系统的鲁棒性，克服系统干扰等，目的是使方法更为简单。ＭＲＡＣ系统过去应用最成功的领域之一是电力拖动 领域。最早应用的是对晶闸管供电直流电力拖动系统进行的自适应控制器控制。由于使用常规的PI调节器进行速度反馈控制不能保证要求的高性能指标，而采用自适应控制方案可将对象近似为二阶系统，且只调两个参数就能保证对象参数变化时性能指标不变，并能克服电机速度过零时，ＰＩ调节器不能解决的死区问题。MRAC技术在自动机上应用也很活跃，

目前基于神经网络的自校正控制器的设计迅速发展，并显示出其在高度非线性和严重不确定系统控制方面的巨大潜力。目前自校正控制应用要比 MRAC多得多，除造纸、化工、二氧化钛窑、水泥工业、矿石粉碎、单晶炉圆筒锅炉等外，在超级游轮自动驾驶和船舶自动驾驶克服随机干扰，如风、浪、潮流、速度、负载及水深等方面效果也很好。同时，在原子能工业、机器人和人工心脏等部门中的应用也不乏成功的例子。

自适应控制的概念

在反馈控制和最优控制中，都假定被控对象或过程的数学模型是已知的，并且具有线性定常的特性。实际上在许多工程中，被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的，即使在某一条件下被确定了的数学模型，在工况和条件改变了以后，其动态参数乃至于模型的结构仍然经常发生变化。

在发生这些问题时，常规控制器不可能得到很好的控制品质。为此，需要设计一种特殊的控制系统，它能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化，这就是自适应控制。

自适应控制的特点

1、控制器可调

相对于常规反馈控制器固定的结构和参数，自适应控制系统的控制器在控制的过程中一般是根据一定的自适应规则，不断更改或变动的；

2、增加了自适应回路

自适应控制系统在常规反馈控制系统基础上增加了自适应回路（或称自适应外环），它的主要作用就是根据系统运行情况，自动调整控制器，以适应被控对象特性的变化；

3、适用对象

自适应控制适用于被控对象特性未知或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，设计时不需要完全知道被控对象的数学模型。

自适应控制的分类

1、增益自适应控制

2、模型参考自适应控制（MRAC）

3、自校正控制（STC）

4、直接优化目标函数自适应控制

5、模糊自适应控制

6、多模型自适应控制

7、自适应逆控制

自适应控制的优缺点

自适应控制一般是通过对工艺系统的自主学习完成控制的。其优缺点和模糊控制类似。

优点

1、使用语言方便，可不需要过程的精确数学模型（不需要精确的数学模型）

2、鲁棒性强，适于解决过程控制中的非线性、强耦合时变、滞后等问题魯棒性即系统的健壮性。

3、有较强的容错能力。具有适应受控对象动力学特征变化、环境特征变化和动行条件变化的能力;

4、操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句容易加到过程的控制环节上。

缺点

1、信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差;

2、设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。

自适应控制存在的理论问题

无论是时不变线性系统，还是时变非线性系统，它们与自适应机构所构成的自适应控制系统都是非线性时变系统，分析这类系统的性能是很困难的。

1、稳定性

稳定性问题是一切控制系统的核心问题。因此，设计自适应控制系统应以保证系统全局稳定为原则。如今，随着模型参考自适应控制的发展，各种各样的自适应控制律会不断诞生，要保证系统全局稳定也很困难，特别是因为系统是本质非线性时变的，故当系统存在未建模动态或随机干扰时，要证明自适应控制系统的稳定性就更困难了。

2、收敛性

对于一些自适应系统收敛性的结论都是在一些相当强的假设条件下获得的，并且与具体的算法密切相关。因所使用的收敛性分析方法缺乏普适性，因而不能推广到稍微复杂的系统模型上。

3、鲁棒性

目前，参考模型自适应控制系统一般都是针对被控对象结构已知而参数未知的情况进行设计的，而实际被控对象结构往往难以确切知道，所获得的对象特性中常常未能包括系统的难以描述的寄生高频成分，即未建模动态。计算机仿真表明，这种未建模型动态可能引起自适应控制系统的不稳定，关键原因是自适应控制系统是非线性时变的，，而对于线性反馈控制系统，只有设计的系统有足够的稳定裕量，这种未建模动态是不致于破坏系统稳定性的。这就提出了自适应控制的鲁棒性问题。

4、性能指标

一个自适应控制系统能很好地工作，不仅要求所设计的系统稳定，而且还有满足一定的性能指标要求。由于自适应控制系统是非线性时变的，初始条件的变化或未建模动态的存在都势必要改变系统的运动轨迹，因此，分析自适应控制系统的动态品质是极其困难的。目前，这方面的成果还很少见。

自适应控制存在的问题

自适应控制虽然具有很大优越性，可是经过了五十多年的发展，到目前为止其应用仍不够广，究其原因，主要是因为存在以下几方面的问题：适应控制理论上很难得到一般解，给推广应用带来了困难；

1、目前的参数估计方法都是在理想情况下随时间趋于无穷而渐近收敛，而实际工程应用需要在有限时间内快速收敛的参数估计方法；

2、有些自适应控制器启动过程或过渡过程的动态性能不满足实际要求；

3、控制精度与参数估计的矛盾；

4、低阶控制器中存在高频未建模；

5、测量精度直接影响控制器参数，进而影响系统性能。

自适应控制的发展

对应上述存在的问题，自适应控制研究在今后一段时期内的发展方向将包括以下几个方面：

1、在保证自适应控制精度的前提下，研究快速收敛的参数估计算法；

2、研究鲁棒自适应控制方法，解决高频未建模问题；

3、解决自适应控制系统启动阶段和过渡过程的参数收敛和动态性能问题；

4、自适应控制方案的规范化，即提高其通用性和开放性；

5、研究组合自适应控制策略，主要有自适应PID控制和智能自适应控制