自适应控制的分类_自适应控制的主要类型
无模型自适应控制方法综述
《无模型自适应控制方法综述》在现代控制领域中，无模型自适应控制方法因其独特的优势和广泛的应用前景而备受关注。
随着科技的不断发展和工业生产等领域对控制性能要求的日益提高，无模型自适应控制方法逐渐成为解决复杂系统控制问题的重要手段之一。
本文旨在对无模型自适应控制方法进行全面而系统的综述，深入探讨其基本原理、主要类型、特点以及在实际应用中的成果和挑战。
一、概述控制系统在工业生产、航空航天、交通运输、自动化等众多领域中起着至关重要的作用。
传统的控制方法往往基于对被控对象精确的数学模型建立，但在实际系统中，由于系统的复杂性、不确定性以及建模误差等因素的存在，很难获得准确且精确的数学模型。
这就促使了无模型自适应控制方法的产生和发展。
无模型自适应控制方法不依赖于被控对象的精确数学模型，而是通过对系统的上线观测和学习，不断调整控制策略，以适应系统的变化和不确定性，从而实现对被控对象的良好控制。
二、无模型自适应控制方法的基本原理无模型自适应控制方法的基本原理可以概括为以下几个关键步骤：（一）系统上线观测与状态估计通过传感器等手段对被控系统的状态变量进行实时监测和采集，获取系统的当前状态信息。
然后利用合适的估计方法，如卡尔曼滤波等，对系统的状态进行估计，以获得更准确的系统状态表征。
（二）控制律设计基于估计的系统状态，设计相应的控制律。
控制律的设计通常是根据一定的性能指标和控制策略进行优化，以实现对被控系统的期望控制效果。
（三）自适应调整根据系统的实际运行情况和估计误差，不断调整控制律中的参数或结构，使控制系统能够自适应地适应系统的变化和不确定性。
这种自适应调整可以是基于模型的自适应，也可以是基于数据驱动的自适应等方式。
通过以上基本原理的循环迭代，无模型自适应控制方法能够逐步逼近系统的最优控制状态，实现对被控系统的有效控制。
三、无模型自适应控制方法的主要类型（一）模型参考自适应控制（MRAC）MRAC 是无模型自适应控制中最经典的一种方法。
自适应控制_新版_1
教学要求：
1、了解自适应控制的基本概念，自适应控制系统的构 成原理，实际工程系统中应用自适应控制的现状及 国内外研究动态； 2、掌握两类比较基本和成熟的自适应控制系统：模 型参考自适应控制（基于确定性、连续时间系统的 辨识和控制问题）和自校正控制（基于确定性、离 散时间系统的参数估计和控制问题）； 3、应用MATLAB控制系统工具箱作为计算机仿真实 验工具，进行简单自适应控制系统的设计与分析。
非线性系统 采样系统 稳定性理论
控制设计 自适应控制
随机系统
计算机控制 线性系统 最优化
参数估计
第三节 自适应控制的发展概况
对于自适应控制的兴趣，最早是由航空问题引起的。 50年代末，由于飞行的需要，美国麻省理工学院 (MIT)怀 特克（Whiteaker）教授首次提出飞机自动驾驶仪的模型参考自 适应控制方案，称为MIT方案（局部优化理论，但没有得到应 用），需检验稳定性。 1957，1961：Bellman引入了动态规则。 1960，1961，1965：Feldbaum 引入了对偶控制。 1966，（德）帕克斯（P.C. Panks）提出采用A.M.Lyapunov 第二法来推导自适应算法，以保证自适应系统全局渐近稳定。 （在用被控对象的输入输出构成自适应律时，其中包含了
1979，威尔斯特德（P.E.Wellstead）和Astrom提出极点 配置自校正调节器。 80年代，主要增进了人们对于自适应控制的理解，同时， 计算机、微处理器的广泛普及，为自适应后来的实际应用创 造了条件。 目前，自适应已应用到很多领域（提高稳态和跟踪精 度）。 发展到现阶段，无论是从理论研究还是从实际应用的角 度来看，比较成熟的自适应控制系统有下述两大类。
《自适应控制》课件
软件实现
01
02
03
控制算法选择
根据被控对象的特性和控 制要求，选择合适的控制 算法，如PID控制、模糊 控制等。
软件开发环境
选择合适的软件开发环境 ，如MATLAB、Simulink 等，进行控制算法的实现 和仿真。
软件集成与调试
将各个软件模块集成在一 起，进行系统调试，确保 软件能够正常工作并满足 控制要求。
直接优化目标函数的自适应系统是一种通过直接优化系统目标函数，对系统参数 进行调整的自适应控制系统。
详细描述
直接优化目标函数的自适应系统根据系统目标函数和约束条件，通过优化算法寻 找最优的系统参数，以实现系统性能的最优。这种系统广泛应用于控制工程、航 空航天等领域。
自校正调节器
总结词
自校正调节器是一种通过实时校正系统参数，实现系统性能提升的自适应控制系统。
要点二
详细描述
在进行自适应控制系统设计时，首先需要对系统进行建模 ，即通过数学模型来描述系统的动态行为。这个模型可以 是线性或非线性的，取决于系统的复杂性和特性。在建立 模型后，需要对模型参数进行估计，这通常涉及到使用各 种算法和优化技术来不断调整和更新系统参数，以使系统 能够更好地适应外界环境的变化。
详细描述
最小均方误差算法基于最小化预测误差的平方和来调整控制参数，通过不断迭代计算，逐渐减小误差 ，使系统输出逐渐接近目标值。该算法具有较好的跟踪性能和鲁棒性，广泛应用于各种自适应控制系 统。
极点配置算法
总结词
极点配置算法是一种自适应控制算法，通过 调整系统参数使系统的极点配置在期望的位 置上，以达到系统稳定和性能优化的目的。
特点
自适应控制具有适应性、实时性和智 能性等特点，能够自动调整控制参数 和策略，以适应不同环境和条件下的 变化。
第三讲-自适应控制
第三讲 自适应控制自适应控制自适应控制也是一种鲁棒控制方法，前面所讲的所有鲁棒控制（包括变结构控制），它们的基本思想是基于被控对象与内环控制的不匹配及不确定性的最坏情形的估计而展开设计的，它们的内环控制律是固定的，外环控制增益根据不确定性的估计来设定；而自适应控制的基本思想是根据一些在线算法改变控制律中的增益值或其他参数，控制器在操作过程中“学得”一套合适的参数。
自适应控制尤其适合于机器人这种执行重复的作业任务的场合，通过不断的重复，自适应控制可以改善跟踪性能。
根据设计技术不同，机器人自适应控制分为三类，即模型参考自适应控制（MRAC ）、自校正自适应控制(STAC)和线性摄动自适应控制。
其控制器结构图如图5-4所示。
图5-4 自适应控制器的基本结构基于逆动力学的自适应控制本节主要讨论自适应控制在机器人控制问题上的应用。
刚性机器人适于自适应控制的一个关键特征是参数线性。
也就是说，虽然运动方程是非线性的，但如果把方程系数中连杆质量，惯性矩等参数分离出来却可以得到线性的关系，n 个连杆的刚性机器人动力学方程可以写成u p q q q Y q g q q q C qq M ==++),,()(),()( （5-1） 式中，),,(q qq Y 是n ×r 维矩阵；p 是r 维参数向量。
机器人界的学者在20世纪80年代中期得到了这一结果，随之第一个全局收敛的自适应控制律也出现了，这些自适应控制律的结果都是基于逆动力学展开的。
首先，系统动力学方程为 u p q q q Y q g q q q C qq M ==++),,()(),()( （5-2） 逆动力学控制律为ˆˆˆ()(,)()qu M q a C q q q g q =++ （5-3） 其中10()()dddq a q K q q K q q =---- （5-4）d q 是理想的轨迹，d q qe -=是位置跟踪误差。
ˆˆˆˆ,,,M C g p 分别为M ，C ，g ，p 的估计值。
自适应控制、自校正控制、常规反馈控制、最优控制
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。所以对那些对象特性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，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
自校正控制是自适应控制的一部分，自适应控制理论包括自校正控制、模型参考自适应控制、非线性自适应控制、神经网络自适应控制和模糊自适应控制。
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。
第5章自适应控制
5.1不断地检测系统参数( 系统工作过程中，系统本身能不断地检测系统参数(模型 参数) 根据参数的变化，改变控制参数或改变控制作用， 参数)，根据参数的变化，改变控制参数或改变控制作用， 使系统运行于最优或接近于最优工作状态。 使系统运行于最优或接近于最优工作状态。 自适应控制的核心： ⊙自适应控制的核心：通过系统输出或状态输出检测系统参 调整控制参数。 数，调整控制参数。 自适应控制是一种复杂的反馈控制， ⊙自适应控制是一种复杂的反馈控制，即使对于线性定常对 其自适应控制是非线性时变反馈。 象，其自适应控制是非线性时变反馈。自适应控制系统系 统设计与分析，要比一般的反馈控制复杂得多。 统设计与分析，要比一般的反馈控制复杂得多。采用非线 性系统分析方法。 性系统分析方法。
5.4 自适应控制的发展
50年代 MIT的Whitaker等提出了飞机自动驾驶仪的模型 年代： ☞ 50年代：MIT的Whitaker等提出了飞机自动驾驶仪的模型 参考自适应控制，称为MIT方案。MIT方案中 MIT方案 方案中， 参考自适应控制，称为MIT方案。MIT方案中，采用局部参 数最优化理论求得自适应控制律， 数最优化理论求得自适应控制律，但系统的稳定性无法保 Kalman提出自校正思想 提出自校正思想， 证。Kalman提出自校正思想，即用最小二乘估计对象的参 在此基础上计算最优控制，系统称为自最优控制系统。 数，在此基础上计算最优控制，系统称为自最优控制系统。 60年代 建立了Lyapunov稳定性理论体系， 年代： Lyapunov稳定性理论体系 ☞ 60年代：建立了Lyapunov稳定性理论体系，为自适应控 制系统稳定性分析提供了有效的工具。Popov提出了超稳 制系统稳定性分析提供了有效的工具。Popov提出了超稳 定性理论。Butchart和Shachcloth、Parks、 定性理论。Butchart和Shachcloth、Parks、Phillipson 等提出了用Lyapunov Lyapunov稳定性理论设计模型参考自适应控制 等提出了用Lyapunov稳定性理论设计模型参考自适应控制 系统的方法，从而保证了系统的稳定性。 系统的方法，从而保证了系统的稳定性。 ☞ 70年代：Monopoli仅用对象输入输出测量值设计模型参 70年代：Monopoli仅用对象输入输出测量值设计模型参 年代 考自适应控制系统。 考自适应控制系统。证明了模型参考自适应控制系统的全 局稳定性（ 局稳定性（即模型参考自适应控制系统的内部信号有界且 输出误差收敛于0）。Astrom Wittenmark进一步发展和 Astrom和 输出误差收敛于0）。Astrom和Wittenmark进一步发展和 完善了自校正控制，讨论了自校正控制的收敛性。 完善了自校正控制，讨论了自校正控制的收敛性。 Wellstead提出了零极点配置自校正调节器设计方法 提出了零极点配置自校正调节器设计方法。 Wellstead提出了零极点配置自校正调节器设计方法。
自适应控制系统研究及其应用
自适应控制系统研究及其应用随着人类科技的不断进步，现代工业中的控制系统越来越智能化和自动化，人们对自适应控制系统的研究和应用越来越重视。
本文将针对自适应控制系统的研究进展、分类和应用做一个简单的介绍。
一、自适应控制系统的研究进展自适应控制系统是一种能够自动调整参数以适应不断变化的工业环境的控制系统，其优点在于能够适应不同的控制系统和环境，提高系统的稳定性和精度。
近年来，自适应控制系统的研究成果不断涌现，主要体现在以下三个方面。
1.自适应控制算法的研究自适应控制算法是自适应控制系统的核心技术之一。
目前，自适应控制算法主要有模型参照自适应控制和模型自适应控制两种。
模型参照自适应控制是将控制系统和参考模型进行比较，通过误差来调整控制器的参数；而模型自适应控制则是利用系统的模型来进行调整。
2.自适应控制器的设计优化自适应控制器的设计优化是自适应控制系统的另一重要研究方向。
自适应控制器的设计主要包括控制器结构的优化、参数选择的优化、控制器性能的评估三个方面。
目前，研究者们通过精细的控制器设计，得到了一些在实际工业环境下具有较好效果的自适应控制器。
3.多元自适应控制器的研究多元自适应控制器是一种将多种自适应控制器进行融合的方法。
在某些特殊的工业环境中，一个单一的自适应控制器无法满足要求。
因此，多元自适应控制器将多种自适应控制器进行整合，以期达到更好的控制效果。
二、自适应控制系统的分类自适应控制系统的分类可以从多个角度考虑，下面分别介绍。
1.依据控制对象的分类依据控制对象可将自适应控制系统分为线性自适应控制系统和非线性自适应控制系统。
前者是自适应控制系统中研究较多的一种，可以满足大多数工业环境的需求；后者则用于非线性系统的控制。
2.依据控制法则的分类依据控制法则可将自适应控制系统分为模型参照自适应控制系统和模型自适应控制系统。
模型参照自适应控制器直接控制控制系统，调整参数以适应不同的环境；而模型自适应控制器利用控制系统模型进行参数调整。
自适应控制
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。
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自适应控制的分类_自适应控制的主要类型
什么是自适应控制1、自适应控制所讨论的对象，一般是指对象的结构已知，仅仅是参数未知，而且采用的控制方法仍是基于数学模型的方法。
2、但实践中我们还会遇到结构和参数都未知的对象，比如一些运行机理特别复杂，目前尚未被人们充分理解的对象，不可能建立有效的数学模型，因而无法沿用基于数学模型的方法解决其控制问题，这时需要借助人工智能学科，也就是智能控制。
3、自适应控制与常规的控制与最优控制一样，是一种基于数学模型的控制方法。
4、自适应控制所依据的关于模型的和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型愈来愈准确。
5、常规的反馈控制具有一定的鲁棒性，但是由于控制器参数是固定的，当不确定性很大时，系统的性能会大幅下降，甚至失稳。
自适应控制的原理框图
自适应控制的分类自从50年代末由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来，先后出现过许多不同形式的自适应控制系统。
比较成熟的自适应控制系统有下述几大类。
（1）可变增益自适应控制系统
这类自适应控制系统结构简单，响应迅速，在许多方面都有应用。
其结构如图1所示，调节器按被控过程的参数的变化规律进行设计，也就是当被控对象（或控制过程）的参数因工作状态或环境情况的变化而变化时，通过能够测量到的某些变量，经过计算而按规定的程序来改变调节器的增益，以使系统保持较好的运行性能。
另外在某些具有非线性校正装置和变结构系统中，由于调节器本身对系统参数变化不灵敏。
采用此种自适应控制方案往往能去的较满意的效果。
（2）模型参考自适应控制系统（Model Reference Adaptive System，简称MRAS）
模型参考自适应控制系统由以下几部分组成，即参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成，如图2所示。