自適應控制作業(yè)

1、中國礦業(yè)大學科目： 系統(tǒng)辨識與自適應控制 姓名： 學號： 院系： 教師： 時間： 2015-12-09 自適應控制自適應控制技術1、 引言自適應控制的發(fā)展已有40多年的歷史，并且在近20年里得到了飛速的發(fā)展，已成為當代自動控制界的少數(shù)熱門前沿研究領域之一。自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)。這里所謂“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。面對這些客觀存在的各種不確定性，如何設計適當?shù)目刂谱饔茫沟媚骋恢付ǖ男阅苤笜诉_到并保持最優(yōu)或近似最優(yōu)，就是自適應控制所要解決的問題。自適應控制是一種基于數(shù)學模型的控制方法，但是自適應控制所依

2、據(jù)的關于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)的運行過程中去不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善。可見，對于那些對象特性或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經(jīng)常保持高性能指標的一類系統(tǒng)，采用自適應控制是合適的。自適應控制系統(tǒng)的設計方法主要有兩大類，一是基于自校正控制理論，另一是基于模型參考自適應控制理論。模型參考自適應控制技術是美國麻省理工學院的Whitaker教授為解決飛行器自動駕駛儀的問題而提出來的。自校正控制技術是由Kalman于1958年提出，由于當時的理論和技術發(fā)展都不充分，因此沒有得到應有的重視和應用。60年代現(xiàn)代控制理論蓬勃發(fā)展，取得了諸如狀態(tài)空間法、穩(wěn)定性理論、最優(yōu)控制、隨機控

3、制、參數(shù)估計等一些成果，電子計算機迅速發(fā)展為在工業(yè)生產過程中實現(xiàn)自適應控制這種復雜的策略提供了必要的技術基礎。70年代以來，自適應控制理論有了顯著的進展，一些學者分別在確定性的和隨機的、連續(xù)的和離散的系統(tǒng)的自適應控制理論方面做出了杰出的貢獻。2、 自適應控制概述2.1 自適應控制系統(tǒng)的功能及特點對于具有較強不確定性的被控系統(tǒng)，如何設計一個滿意的控制器，就是自適應控制所要研究的問題。參照在日常主活中生物能夠通過自覺調整自身參數(shù)改變自己的習性，以適應新的環(huán)境特性，從而提出了自適應控制器的設想。自適應控制器應能夠及時修正自己的特性以適應對象和擾動的動態(tài)特性變化，使整個控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。因此

4、，自適應控制方法就是依靠不斷采集的控制過程信息，確定被控對象的當前實際工作狀態(tài)，根據(jù)一定的性能準則，產生合適的自適應控制規(guī)律，從而實時地調整控制器結構或參數(shù)，使系統(tǒng)始終自動地工作在最優(yōu)或次最優(yōu)的運行狀態(tài)下。自適應控制是現(xiàn)代控制的重要組成都分，它同一般反饋控制相比具有如下特點：(1) 一般反饋控制主要適用于確定性對象或可以預知的對象，而自適應控制主要研究具有不確定性的對象或難以確知的對象。(2) 一般反饋控制具有較強的抗干擾能力，能夠消除狀態(tài)擾動所引起的系統(tǒng)誤差；而自適應控制由于具有辨識對象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能消除狀態(tài)擾動引起的系統(tǒng)誤差，而且還能消除系統(tǒng)結構擾動引起的系統(tǒng)誤差。(3)

5、 一般反饋控制系統(tǒng)的設計必須依賴系統(tǒng)特性的數(shù)學模型及其環(huán)境變化狀況，而自適應控制系統(tǒng)設計則對數(shù)學模型的依賴很小，僅需要較少的驗前知識，但自適應控制的實現(xiàn)往往更多地依靠計算機技術。(4) 自適應控制是較為復雜的反饋控制，它在一般反饋控制的基礎上增加了自適應控制環(huán)節(jié)或系統(tǒng)參數(shù)辨識器，另外還附加了一個可調系統(tǒng)。2.2 自適應控制系統(tǒng)的分類自適應控制系統(tǒng)的分類方法有很多種。通常，按被控對象的性質可分為確定性自適應控制系統(tǒng)和隨機自適應控制系統(tǒng)；按照功能來分，可分為參數(shù)或非參數(shù)自適應控制系統(tǒng)、性能自適應控制系統(tǒng)和結構自適應控制系統(tǒng)；按結構分，可以分為前饋自適應控制系統(tǒng)和反饋自適應控制系統(tǒng)；從實用角度分，可

6、以將自適應控制分為模型參考自適應控制、自校正控制等等。下面對前饋自適應控制、反饋自適應控制、模型參考自適應控制以及自校正控制加以簡單介紹。（1）前饋自適應控制前饋自適應控制也稱為開環(huán)自適應控制，其結構如圖3.1所示。它借助于過程擾動信號的測量，通過自適應環(huán)節(jié)按照這些擾動信號信息來改變控制器的狀態(tài)，從而達到改變系統(tǒng)特性的目的。從圖3.1可以看出，前饋自適應控制結構與前饋反饋復合控制系統(tǒng)的結構比較類似，不同的是增加了自適應機構，并且控制器可調。前饋自適應控制系統(tǒng)是根據(jù)可測的擾動信息對控制器加以調整，從而提高控制系統(tǒng)的控制質量。然而，當擾動不可測時，前饋自適應控制系統(tǒng)的應用就會受到嚴重的限制。（2）

7、反饋自適應控制如果過程品質變化不能通過過程外部信號測量確定，那么可以采用如圖3.2所示的反饋自適應控制結構。在反饋自適應控制系統(tǒng)中，過程特性的變化是通過控制回路內部可測信號的變化來觀測的。除原有的反饋回路之外，反饋自適應控制系統(tǒng)中新增加的自適應機構形成了另一個反饋回路，該回路根據(jù)系統(tǒng)內部可測信息的變化，來改變控制器的結構或參數(shù)，以達到提高控制質量的目的。圖1 前饋自適應控制結構圖圖2 反饋自適應控制結構圖（3）模型參考自適應控制模型參考自適應控制（Model Reference Adaptive ControlMRAC）系統(tǒng)結構如圖3.3所示，其目標是：在參考模型始終具有期望的閉環(huán)性能的前提下

8、，使系統(tǒng)在運行過程中，力求保持被控過程的響應特性與參考模型的動態(tài)性能一致。模型參考自適應控制系統(tǒng)主要包括參考模型、可調機構和自適應機構三部分。自適應機構根據(jù)系統(tǒng)廣義誤差（若系統(tǒng)是由狀態(tài)方程描述，那么廣義誤差是指系統(tǒng)狀態(tài)誤差向量；若系統(tǒng)是由輸入輸出方程描述，那么廣義誤差是指系統(tǒng)輸出誤差向量），按照一定的自適應規(guī)律來調整可調機構的參數(shù)或被控對象的輸入信號，使得廣義誤差逐漸趨近于0。圖3 模型參考自適應控制系統(tǒng)結構圖（4）自校正控制自校正控制系統(tǒng)(Self-tuning Control)又稱自優(yōu)化控制或模型辨識自適應控制。典型的自校正控制系統(tǒng)如圖3.4所示。自校正控制系統(tǒng)的設計目標是：通過采集的過程

9、輸入、輸出信息，實現(xiàn)過程模型的在線辨識和參數(shù)估計。在獲得的過程模型或估計參數(shù)的基礎上，按照一定的性能優(yōu)化準則，計算控制器參數(shù)，使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠達到最優(yōu)的控制品質。圖4 自校正控制系統(tǒng)結構圖2.3 自適應控制技術的發(fā)展自適應控制系統(tǒng)主要是針對不確定性被控過程，尋找最優(yōu)的控制方法或控制器結構和參數(shù)。對于具有不確定的被控過程，由于常規(guī)控制方法固定的控制器參數(shù)無法適應不斷變化的過程特性，因而難以滿足控制精度的要求，在這種情況下，就出現(xiàn)了可調控制器?？刂破鲄?shù)的自動調整最早出現(xiàn)在1940年，但是當時的自適應控制僅僅局限于控制器具有按照過程特性的變化調整自身參數(shù)的能力。直到20世紀70年代，隨著控制理論及

10、計算機技術的發(fā)展，自適應控制才得到了進一步的完善。目前，自適應控制已經(jīng)廣泛應用于許多領域。例如：機器人操作，飛機、導彈、飛船及火箭的控制，工業(yè)過程，生物工程等等，并逐漸滲透到經(jīng)濟管理、交通、通信等各個領域。隨著對控制系統(tǒng)要求的不斷提高和計算機技術的不斷發(fā)展，自適應控制理論和技術也將得到不斷的更新與完善，且其應用前景會十分廣闊。3、 自適應控制技術的應用3.1 電動汽車混合電源系統(tǒng)的自適應控制3.1.1 背景電動汽車具有節(jié)能環(huán)保的特點，其研究與開發(fā)受到了廣泛重視。但是，純電動汽車較短的續(xù)駛里程和有限的動力電池組循環(huán)壽命制約了其產業(yè)化進程。試驗研究表明，在城市工況下，動力電池組間歇性大電流放電是造

11、成電池容量衰減和使用壽命短的主要原因。近年來發(fā)展的插電式混合動力電動汽車雖然可以延長電動汽車的續(xù)駛里程，但是，由于電池組容量小、荷電狀態(tài)(SOC)使用范圍寬，導致動力電池組放電倍率大，尤其在低SOC下動力電池組大倍率放電會進一步加劇動力電池組的容量衰減。因此，研究新型的電動汽車電源系統(tǒng)及其控制策略，降低動力電池的峰值放電電流，提高其耐久使用性能，是發(fā)展純電動汽車和插電式混合動力汽車的關鍵共性技術問題，對推動電動汽車的產業(yè)化進程具有理論指導意義與應用價值。3.1.2 研究現(xiàn)狀研究人員已在動力電池組的基礎上，將超級電容組通過雙向電源變換器和動力電池組的輸出端并聯(lián)，構成了“動力電池-超級電容”混合電

12、源系統(tǒng)。超級電容組優(yōu)異的功率特性可以彌補動力電池組輸出功率的不足，降低動力電池組的峰值放電電流，提高動力電池組的耐久使用性能?！皠恿﹄姵?超級電容”混合電源系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來電動汽車研究領域的熱點。Erdinc等基于一段歷史時間內電動汽車行駛總需求功率的頻域分析，將從中分離出的高頻功率分量做為超級電容輸出功率的給定值。這種控制策略可以在一定程度上平滑動力電池組的放電功率，但是，基于歷史功率數(shù)據(jù)分析的超級電容組輸出電流控制不能很好地適應當前時刻的系統(tǒng)功率需求。試驗表明，在車輛需求功率較小時，超級電容組仍可能處于放電狀態(tài)，沒有實現(xiàn)超級電容組“峰值功率補償”的功能。Ferreira等根據(jù)模糊控制策略

13、并結合超級電容組的端電壓和車速等因素，給出了超級電容組的充放電電流的控制規(guī)則，該模糊控制規(guī)則雖然淡化了動力電池不準確的模型對控制策略的影響，卻難以給出超級電容組輸出功率和動力電池輸出功率之間的定量關系，系統(tǒng)功率急劇增加時，依然存在超級電容組不充分放電、動力電池組峰值電流偏大等問題?；旌想娫聪到y(tǒng)是目前電動汽車中采用的主流電源系統(tǒng)之一，其關鍵技術混合電源系統(tǒng)輸出功率和能量的控制受到了研究人員的重視并開展了相應的研究口剖。在混合電源系統(tǒng)中，通過雙向電源變換器匹配主電源和輔助電源的輸出電壓特性和功率特性，可以實現(xiàn)電源系統(tǒng)輸出功率的自適應控制。黃勇等在燃料電池發(fā)動機和鎳氫電池組組成的混合電源系統(tǒng)中，提出

14、了通過雙向電源變換器實現(xiàn)雙電源輸出功率混合的控制方法，建立了基于規(guī)則的雙向電源變換器控制策略，根據(jù)燃料電池發(fā)動機主電源輸出電壓的變化，自動調節(jié)鎳氫電池組輔助電源的工作模式和充放電電流，實現(xiàn)了混合電源系統(tǒng)輸出功率的自適應控制，得到穩(wěn)定的電源系統(tǒng)輸出電流和電壓的變化過程。實際上，輔助電源的主要作用是補償主電源較弱的功率響應性能，提高整個電源系統(tǒng)的效率性能和使用耐久性。相比之下，超級電容比鎳氫電池具有更好的功率特性和使用耐久性，是更加優(yōu)越的輔助電源。但是，由于超級電容的比能量小，當車輛行駛功率較小時，應控制超級電容組處于充電狀態(tài)，使超級電容組儲備較多的能量，能夠在車輛行駛功率急劇增大時具有較強的功率

15、輸出能力；當車輛行駛功率大于一定值時，應實時控制超級電容組處于放電狀態(tài)，抑制動力電池組電流的增大。在這一過程中，超級電容組充放電狀態(tài)切換的實時性和充放電電流的定量控制是實現(xiàn)“動力電池超級電容”混合電源系統(tǒng)控制的關鍵。這是基于規(guī)則的控制策略難以做到的。本文提出了雙向電源變換器電源外特性控制的方法，通過實時檢測動力電池的放電電流，實現(xiàn)超級電容充放電狀態(tài)的實時切換和充放電電流的自適應控制。3.1.3 工作原理力電池一超級電容”混合電源系統(tǒng)，雙向電源變換器的高壓端與動力電池組輸出端相連，低壓端與超級電容組輸出端相連。在車輛行駛過程中，動力電池組的輸出電流隨著車輛行駛需求功率的增大而增大。雙向電源變換器

16、通過檢測動力電池組放電電流值，自適應控制超級電容組的充放電狀態(tài)和充放電電流：當需求功率增大使得動力電池組輸出電流超過設定閾值時，雙向電源變換器處于升壓工作模式，控制超級電容組放電。隨著動力電池組輸出功率的增大，超級電容組放電功率迅速增加，對動力電池組輸出起到功率放大器的作用。在確定的車輛行駛需求功率下，抑制了動力電池組電流的進一步增大。圖5 “動力電池-超級電容”電源系統(tǒng)示意圖當車輛行駛需求功率減小使得動力電池組放電電流小于設定閾值時，雙向電源變換器切換進入降壓工作模式，及時對超級電容組充電，使超級電容組的端電壓及時恢復到較高值，能夠在下一次超級電容組放電過程具有較強的功率輸出能力。如果在這一

17、過程中產生制動回饋能量，雙向電源變換器的高壓端電壓升高，動力電池組輸出電流自適應減小，超級電容組的充電能量將優(yōu)先來源于制動回饋能量。實現(xiàn)上述工作原理的技術關鍵在于設計雙向電源變換器的電源外特性，根據(jù)動力電池組的放電電流，自適應控制超級電容組的充放電狀態(tài)和電流。參考文獻1 劉興堂，萬少松等.應用自適應控制M.西安：西北工業(yè)大學出版社，2003.2 韓曾晉.自適應控制M.北京：清華大學出版社，1995.3 黃勇，曾帆，陳全世等燃料電池城市客車混合動力系統(tǒng)的自適應控制公路交通科技，2006，23(9)：121-125.4 GBl9754-2005：重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法，20055 Rdinc O,Vural B,Uzunoglu M.Awavelet-fuzzy logic based energy mana