自适应控制-鲁棒控制

非线性系统的鲁棒自适应控制

非线性系统的鲁棒自适应控制 Robust Adaptive Control of Uncertain Nonlinear Systems 郝仁剑3120120359 摘要：本文以非线性系统的控制问题为背景，介绍了多种经典的非线性系统的控制方法以及研究进展，分析了各种控制方法存在的优点和不足。着重介绍了鲁棒自适应控制在非线性系统中的应用，结合该领域的近期研究进展和实际应用背景，给出对鲁棒自适应控制的进一步研究目标。关键词：非线性系统鲁棒控制自适应控制 1.前言任何实际系统都具有非线性特性，非线性现象无处不在。严格地说，线性特性只是其中的特例，但是非线性系统与线性系统又具有本质的区别。由于非线性系统不满足叠加原理，因此非线性特性千差万别，这也给非线性系统的研究带来了很大的困难。同时，对于非线性系统很难求得完整的解，一般只能对非线性系统的运动情况做出估计。众所周知，控制理论经历了经典控制理论和现代控制理论两个发展阶段。在第二次世界大战前后发展起来的经典控制理论应用拉普拉斯变换等工程数学工具来分析系统的品质。它广泛地应用于单输入单输出、线性、定常、集中参数系统的研究中。随着控制对象的日益复杂以及人们对控制系统精度的不断提高，经典控制理论的局限性就暴露出来了。在20世纪50年代，Bellman根据最优原理创立了动态规划。同时庞特里亚金等学者创立了最大值原理。后来，Kalman提出了一系列重要的概念，如可观性，可控性，最优线性二次状态反馈，Kalman滤波等。这些理论和概念的提出大大促进了现代控制理论的发展。控制系统的设计都需要以被控对象的数学模型为依据，然而对于任何被控对象不可能得到其精确的数学模型，如在建立机器人的数学模型时，需要做一些合理的假设，而忽略一些不确定因数。不确定性的必然存在也正促使了现代控制理论中另一重要的研究领域——鲁棒控制理论的发展。Zmaes关于小增益定理的研究以及Kalman关于单输入单输出系统LQ调节器稳定裕量的分析为鲁棒控制理论的发展产生了重要的影响。特别是Zmaes1981年发表的论文[1]标志H∞控制理论的起步。1984年Francis和Zmaes基于古典插值理论提出H∞问题的初步解法。Glover运用Hankel算子理论给出了H∞问题的解析解。Doyle在状态空间上对Glover解法进行整理和归纳。至此H∞控制理论体系初步形成。同时，Doyle首次提出结构化奇异值的概念，后来形成了μ解析理论。另外一种重要的控制器设计方法是基于Lyapunov函数的方法。在进行鲁棒控制器的设计时，一般都假设系统的不确定性属于一个可描述集，比如增益有界，且上界己知等。一般来说，鲁棒控制是比较保守的控制策略。对所考虑集合内的个别元素，该系统并不是最佳控制。对于具有参数不确定性的一类系统，自适应控制技术被提了出来，如模型参考自适应控制和自校正控制等。在实际应用中，由于被控对象具有未建模动态，过程噪声或扰动的统计特性远比设计时所设想的情况更复杂，以及持续激励条件和严正实条件等“理想条件”被打破，这都会导致自适应控制算法的失稳。于是自适应控制的鲁棒性课题，即鲁棒自适应控制受到了广泛的关注。大量的工程实践表明，对于复杂的工业对象和过程，引入自适应策略能够提高控制精度，提高生产效率，降低成本。近年来，非线性自适应控制技术取得突破性的发展，控制器的结构化设计技术也正日益得到广泛的研究与应用。

自适应PID控制综述(完整版)

自适应PID控制摘要：自适应PID控制是一门发展得十分活跃控制理论与技术,是自适应控制理论的一个重要组成部分,本文简要回顾PID控制器的发展历程,对自适应PID控制的主要分支进行归类,介绍和评述了一些有代表性的算法。关键词：PID控制，自适应，模糊控制，遗传算法。 Abstract: The adaptive PID control is a very active developed control theory and technology and is an important part of adaptive control theory.This paper briefly reviews the development process PID controller.For adaptive PID control of the main branches, the paper classifies,introduces and reviews some representative algorithms. Keywords: PID control, adaptive, fuzzy control, genetic algorithm 1 引言从问世至今已历经半个世纪的PID控制器广泛地应用于冶金、机械、化工、热工、轻工、电化等工业过程控制之中，PID控制也是迄今为止最通用的控制方法， PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因为他所涉及的设计算法和控制结构都很简单，并且十分适用于工程应用背景，所以工业界实际应用中PID 控制器是应用最广泛的一种控制策略(至今在全世界过程控制中用的80% 以上仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。由于实际工业生产过程往往具有非线性和时变不确定性，应用常规PID控制器不能达到理想控制效果，长期以来人们一直寻求PID控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微机处理技术和现代控制理论诸如自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制等控制策略引入到PID控制中，出现了许多新型PID控制器。人们把专家系统、模糊控制、神经网络等理论整合到PID控制器中，这样既保持了PID控制器的结构简单、适用性强和整定方便等优点，又通过先进控制技术在线调整PID控制器的参数，以适应被控对象特性的变化。 2 自适应PID控制概念及发展 2.1 PID控制器常规PID控制系统原理框图如下图所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

非线性系统自适应鲁棒控制器设计

第３７卷第３期一一一一一一一一一一一哈一尔一滨一工一程一大一学一学一报一一一一一一一一一一Ｖｏｌ．３７?．３２０１６年３月一一一一一一一一一一ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ一一一一一一一一一一一Ｍａｒ．２０１６非线性系统自适应鲁棒控制器设计焦鑫，江驹（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２０００１６）摘一要：针对非线性系统模型参数具有不确定性的问题，利用二型模糊逻辑控制器特别适合于解决不确定性问题的优点和特点，提出二型模糊自适应滑模控制方法，设计了具有自适应和鲁棒性的非线性系统控制器三首先对非线性系统进行精确线性化，然后选取合适的滑模面，并设计了二型模糊逻辑系统，通过李亚普诺夫稳定性理论分析，得到自适应控制律三通过仿真实例验证，对比分析并验证了该控制方法能够克服不确定性参数的干扰，从而更好地控制非线性系统，使其具有一定的自适应性和鲁棒性三关键词：自适应鲁棒控制器；非线性系统；不确定性；二型模糊逻辑系统；自适应性；滑模控制ｄｏｉ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１４１１０２０网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１５１２２４．１４０５．００２．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＰ２７３一文献标志码：Ａ一文章编号：１００６?７０４３（２０１６）０３?４０２?０６ＤｅｓｉｇｎｏｆａｎａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍＪＩＡＯＸｉｎ，ＪＩＡＮＧＪｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２０００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｕｎｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙ?ｓｌｉｄｉｎｇ?ｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｅｂａｓｅｄｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｄａｐｔｅｄｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｕｎｃｅｒ?ｔａｉｎｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｆｏｒｔｈｉｓｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｆｉｒｓｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙｌｉｎｅａｒｉｚｅｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｅｌｅｃｔｅｄａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｏｒａｐｉｄ?ｌｙｓｔａｂｉｌｉｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｅｄａｄａｐｔｉｖｅｌａｗｓｂｙｄｉｒｅｃｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅＬｙａｐｕｎｏｖａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｃａｎｏｖｅｒｃｏｍｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓａｎｄｂｅｔｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｕｓｍａｋｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅａｄａｐｔｉｖｅａｎｄｒｏｂｕｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄａｐｔｉｖｅｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ｔｙｐｅ?２ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｓｙｓｔｅｍ；ａｄａｐｔｉｖｉｔｙ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期：２０１４?１１?１０．网络出版日期：２０１５?１２?２４．基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３０４２２３）；江苏省普通高校研究生科研创新基金资助项目（ＣＸＺＺ１３＿０１７０）；南京航空航天大学校博士学位论文创新与创优基金资助项目（ＢＣＸＪ１３?０６）．作者简介：焦鑫（１９８６?），女，博士研究生；江驹（１９６３?），男，教授，博士生导师．通信作者：焦鑫，Ｅ?ｍａｉｌ：ｊｉａｏｘｉｎ＿ｍｅｎｇｑｕ＠１６３．ｃｏｍ．一一对非线性系统进行控制器设计时，往往会涉及模型参数不确定的问题，控制器设计的好坏直接决定系统性能和安全［１?２］三例如，飞行器在高空飞行时，由于大气参数和气动参数具有不确定性［３］，如果飞行控制器不能很好的适应环境，缺乏一定的鲁棒性，那么飞行器的安全性将得不到保证［４?５］三近年来，国内外学者针对这一问题进行了一定的研究三文献［６］利用神经网络参数的在线调整和动态非线性阻尼控制设计了飞行控制器，使飞行控制系统能够跟踪给定信号，具有一定的鲁棒性三文献［７］将多输入系统看作多分布子系统，提出一种自律鲁棒自适应分散控制的新方法，结合直接反馈线性化和最优控制，给出了自律最优鲁棒自适应分散控制的设计方法三文献［８］利用确定性鲁棒控制方法对参数摄动的最坏情况进行研究，提出一种基于概率估计的Ｈ￥鲁棒控制方法，设计出的控制器具有较大的保守性和较高的控制成本三文献［９］结合高增益的反馈控制和基于在线优化跟踪控制器的前馈控制针对具有约束条件和不确定性的ＭＩＭＯ系统设计了自适应鲁棒控制器三本文针对非线性系统模型参数不确定问题提出基于二型模糊自适应滑模控制的控制方法，该方法利用二型模糊逻辑控制器特别适合于解决不确定性问题的优点和特点［１０?１１］，选取合适的滑模面，作为二型模糊控制系统的输入，经过降

非线性鲁棒控制

非线性鲁棒控制 1. 课题意义针对机机械手的不确定性有两种基本控制策略:自适应控制和鲁棒控制。当受控系统参数发生变化时，自适应控制通过及时的辨识、学习和调整控制规律，可以达到一定的性能指标，但实时性要求严格，实现比较复杂，特别是存在非参数不确定性时，自适应控制难以保证系统的稳定性;而鲁棒控制可以在不确定因素一定变化范围内，做到“以不变应万变”，保证系统稳定和维持一定的性能指标，它是一种固定控制，比较容易实现，在自适应控制器对系统不确定性变化来不及做辨识以校正控制律时更显鲁棒控制的重要。鲁棒控制(Robust Control)方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定(结构，大小)的参数摄动下，维持某些性能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。鲁棒控制的基本特征是用一个结构和参数都固定不变的控制器，来保证即使不确定性对系统的性能品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求．不确定性可分为两大类，不确定的外部干扰和系统的模型误差，其中，模型误差受系统本身状态激励，同时又反过来作用于系统的动态。由于工况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，实际工业过程的精确模型很难得到，在设计鲁棒控制器时，所有的不确定性可以是不可量测的，但是必须属于某个可描述集．鲁棒控制器就是基于标称系统数学模型和不确定的描述参数来设计的．因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为了国内外科研人员热衷的研究课题。 2. 发展与研究现状 μ方法。1981年Zames首次提出了著名的鲁棒控制理论发展的最突出标志是H∞和 H∞控制思想。Zames考虑了这样一个单输入、单输出系统的设计问题，即对于属于一个有限能量集的干扰信号，设计一个控制器使得闭环系统稳定且干扰对系统期望输出影响最小。由于传递函数H∞的范数可以描述有限能量到输出能量的最大增益，所以表示上述影响的传递函数H∞范数作为目标函数对系统进行优化设计，这就可使具有有限功率谱的干扰对系统期望输出的影响最小。目前线性系统的鲁棒控制理论主要集中在进一步寻求行之有效的解法，从而使控制系统设计更加精确，更加实用，更加符合实际的需要，并将所得理论和方法进一步向Lurie系统、线性跳跃系统和关联系统扩展 3. 改进方法变结构控制，其基本思想是在误差系统的状态空间中，寻找一个合适的超平面，以该超平面为基准不断切换控制器的结构，并保证超平面内所有的状态轨迹都收敛于零．这样，控制系统的行为就完全由滑模表面的特性所确定，而与系统本身的行为无关，因而变结构控制对于外界的干扰和模型误差是不敏感的，具有很强的鲁棒性能。由于变结构控制本身的不连续性，容易引起“抖振”现象，它轻则会引起执行部件的机械磨损，重则会激励未建模的高频动态响应。利用变结构的思想强迫状态轨迹趋于边界层，而在时变的边界层内，保持控制的平滑。这实际上达到了控制带宽和控制精度的最优折衷，这样就消除了控制的“抖振”，增加了系统对未建模动力学的不敏感性，鲁棒自适应控制方法结合了自适应与鲁棒控制方法两者的优点在抗千扰能力以及克服“抖振”现象等方面都要比单独的自适应控制方法和变结构控制方法强，自适应控制律的鲁棒性增强方法

自适应控制论文综述

自适应控制系统综述摘要：本文首先介绍了自动控制的基本理论及其发展阶段，然后提出自适应控制系统，详细介绍了自适应控制系统的特点。最后描述的是自适应控在神经网络的应用和存在的问题。关键字：自适应控制神经网络一、引言 1.1控制系统的定义自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器，设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。在不同的控制系统中，可能具有各种不同的系统结构、被控对象，并且其复杂程度和环境条件也会各不相同，但他们都具有同样的控制目地：都是为了使系统的状态或者运动轨迹符合某一个预定的功能性能要求。其中，被控对象的运动状态或者运动轨迹称为被控过程。被控过程不仅与被控系统本身有关，还与对象所处的环境有关。控制理论中将控制系统定义为由被控系统及其控制器组成的整体成为控制系统。 1.2控制理论的发展阶段控制理论发展主要分为三个阶段：一：20世纪40年代末-50年代的经典控制理论时期，着重解决单输入单输出系统的控制问题，主要数学工具是微分方程、拉氏变换、传递函数；主要方法是时域法、频域法、根轨迹法；主要问题是系统的稳、准、快。二：20世纪60年代的现代控制理论时期，着重解决多输入多输出系统的控制问题，主要数学工具是以此为峰方程组、矩阵论、状态空间法主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论；重点是最优控制、随即控制、自适应控制；核心控制装置是电子计算机。三：20世纪70年代之后的先进控制理时期，先进控制理论是现代控

制理论的发展和延伸。先进控制理论内容丰富、涵盖面最广，包括自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、人工神经网络控制等。二、自适应控制系统 2.1自适应控制的简介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。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。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