系统辨识与自适应控制

自适应控制应用

0引言

自从上世纪50年代末期由美国麻省理工学院W hitaker等人提出第一个自适应控制系统以来，已先后出现许多形式的自适应控制系统，特别到70}代在航天工业及计算机技术的推动下，自适应控制理论与技术迅速发展，到90年代初自适应控制理论设计方法实现条件已日趋成熟，特别是与模糊控制、神经网络相结合的自适应控制设计方法将使自适应控制技术成为现代工业生产过程及航天技术上的一种高性能、高效率、高可靠的有效控制方法及手段

1自适应控制的应用领域

自适应控制在数控机床中的应用之处很多。像自动换刀报警技术，自动磨损补偿加工技术，自动热误差补偿加工技术等都有用到自适应控制技术。数控机床的工作原理是通过外界输入控制指令的程序代码，机床中的数控系统自动译码翻译，将其转化为各种控制指令，驱动机床对作用对象进行加工。正是由于自适应控制在机床加工中的应用，使得机床轮廓铣削和铣槽用时都节省超过1/3;铣面和钻孔省时也都超过20%以上。除此之外，应用了自适应控制技术的机床还具有许多保护功能加前面提到的自动换刀报警技术，可以危机报警并自动停止加工工作，以免坏的刀具破坏工件以及后续刀具的损毁，这种技术在铣刀加工和钻刀打孔中都有应用到，同时刀具磨损过大，主轴过载等情况系统也有相应的检测和自适应控制的功能。

自适应策略在电力系统控制中的应用主要包括:锅炉蒸汽温度和压力控制、锅炉燃烧效率的优化控制、互连电力系统发电量控制等方面。针对电厂主蒸汽温度调节的大时滞和不确定性，我国东北电力大学的顾俊杰等采用自适应PSD控制方法，并结合运用内模控制器。与传统的PID控制系统相比，自适应PSD控制算法简单、计算量小，并且能减少超调量、加快相应速度、缩短稳定时间!。东南大学的胡一倩等对PID模糊控制器的参数进行自适应调整，并将其用于锅炉过热蒸汽温度的控制，取得了满意的效果。哈尔滨工业大学的徐立新等结合专家经验得出燃气轮机模糊PI控制规律，并据此设计了透平转速和排气温度的模糊自适应PI控制器，提高了燃气轮机的性能且实先非常方便。

在环境和生物医学领域中的应用在水处理过程中，投药单耗与原水的浊度和温度密切相关，而原水水质随季节改变，且每年相同季节的原水水质也会有所不同。深圳市清泉水系统工程设备有限公司叶昌明等研制了一种自适应控制投药设

备。该设备可自动学习最佳投药控制规律，并根据水质及环境状态选择最佳投药量。

新西兰纳皮尔大学管理学院数学和统计学中心的皮尔森·迈克研究了当需求不确定时，报刊批发商如何自适应地确定最佳的报刊供应量，以使成本最低、利润最大。美国明尼苏达大学武克强等通过灵敏度分析研究了将自适应控制理论应用于服务质量设计和保证中所存在地问题，并提出了一种自适应双重控制结构来减轻这种局限性。

自适应控制不仅在工业领域取得了较大的成功，而且在社会，经济，医学，管理，环境生物等非工业领域也进行了有益的探索，并取得了成就。

2自适应控制在太阳能电池阵列模拟器中的工程应用太阳能电池阵列模拟器的工作原理是以太阳能电池模型为基础，以电力电子变换器为硬件平台，在控制器的控制下使电力电子变换器的输出能够准确模拟太阳能阵列在各个环境条件下的输出外特性。有利于光伏工作人员对光伏系统进行分析和研究，以使光伏系统工作在最佳状态。模拟器的设计其实包含了两个部分，主电路的设计和控制部分设计。其中主电路是在前人研究的基础上直接进行的，只是对设计结果进行了一些必要的仿真实验。然后接DC/DC全桥变换电路，它的目的就是对电压和电流大小进行控制，

最后接负载或是逆变器。在系统输出端接入电压采集点和电流采集点来对输出的电压大小进行实时采集，然后将采集信号传送控制器，通过控制器的控制算法作用，产生驱动工GBT的控制信号，从而是主电路信号得以控制。

图2.1太阳能电池的工作原理和等效电路

设计原理：在电路负载输出的地方添加电压传感器和电流传感器，当外接负载变化时，传感器会传回不同的输出电压和电流值，它们通过PID调节器跟踪目标电压和电流，发出指令信号来改变PWM波的占空比或触发延迟时间，完成对主电路中的信号的控制，从而使输出电压电流稳定在太阳能电池的I-V特性曲线上。系统控制框图2.2图所示:

图2.2 控制结构框图

系统控制框:容易看出系统由内外两环，而且它们可以分别其对控制作用。这是一种改进的自适应控制形式。两个控制环在结构上是串行连接，外环的输作为内环的输入，然后再用内环电流环的输出去产生控制信号完成对工GBT的制。双闭环调节系统的系统原理图如2.3图所示:

图2.3 双闭环系统原理图

在电流模块：电流滤波时间常数每个波头时间T1=0.0025s。电流环调节器采用PI调节，根据调节K p值得到的输出电压的波形分析得到电流调节比例系数K p=40;电流调节器的超前时间常数K=0.5。当K p取过大时系统不稳定，产生震荡，而且超调量大，当K p过小是系统行动缓慢，响应时间太长。在电压模块：按小时间常数近似处理T2=0.006s，电流环的等效时间常数为T=0.06s，电压滤波时间常数T on = 0.01 s。电压环调节器也采用PI调节，根据分析输出电压的波形如图2.4所示，得到调节器的比例系数K p=4.5，电压调节器的超前时间常数K i= 0.3。当K p取过大时系统不稳定，产生震荡，而且超调量大，当K p值过小时系统行动缓慢，响应时间太长。设定V oc=900W，I sc=20A，I m=18A ，V m=700V，仿真得到得到其I-V曲线

图2.4 实验仿真曲线

由图我们可以看出由简化模型数学表达式生成的曲线和真实太阳能电池阵列的输出特性曲线基本一致，因此我们推导的数学模型能够较好的模拟太阳能电池阵列的输出特性。

3存在的问题与发展方向

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: ①自适应控制理论上很难得到一般解，给推广应用带来了困难;②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;③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;①控制精度与参数估计的矛盾;⑤低阶控制器中存在高频未建模;⑥测量精度直接影响控制器参数，进而影响系统性能。

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;①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。

4总结和展望

自适应控制技术在20世纪80年代即开始向产品过渡，但至今推广应用还很有限，主要是由于其通用性和开放性严重不足。在今后一段时间内，相对简单的反馈、前馈和其他成熟的控制技术仍将继续显示出其优点，但是现在已能设计出安全、稳定、快速、有效、对现场操作人员无过高要求的自适应系统。自适应

控制必须有新的突破性进展，在工程应用中才有可能对

PID控制等传统方法取得压倒性优势，结合神经网络、模糊逻辑、知识库和专家系统等人工智能技术是最终实现这一远景的可能途径。

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