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自适应控制器概述 摘要：文章介绍了自适应限制的发展历程、设计要求、特性及目前须要解决的问题等，并说明白自适应限制器的重要性。 关键词：自适应限制器；不确定性；自适应限制系统 一、引言 自适应限制器能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的改变。自适应限制的探讨对象是具有肯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。面对这些客观存在的各种各样的不确定性，如何设计适当的限制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应限制所要探讨并解决的问题。 自适应限制和常规的反馈限制和最优限制一样，也是一种基于数学模型的限制方法，所不同的只是自适应限制所依据的关于模型和扰动的先验学问比较少，须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。详细地说，可以依据对象的输入、输出数据，不断辨识模型参数，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，模型会变得越来越精确，越来越接近于实际。既然模型在不断地改进，明显，基于这种模型综合出来的限制作用也将随之不断改进。在这个意义下，限制系统具有肯定的适应实力。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，系统在刚起先投入运行时可能不志向，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和限制以后，限制系统渐渐适应，最终将自身调整到一个满足的工作状态。再比如某些限制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的改变，但通过在线辩识和变更限制器参数，系统也能渐渐适应。 常规的反馈限制系统对于系统内部特性的改变和外部扰动的影响都具有肯定的抑制实力，但是由于限制器参数是固定的，所以当系统内部特性改变或者外部扰动的改变幅度很大时，系统的性能经常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性改变范围很大，同时又要求常常保持高性能指标的一类系统，实行自适应限制是合适的。但是同时也应当指出，自适应限制比常规反馈限制要困难的多，成本也高的多，因此只有在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采纳。 二、自适应限制器的发展历程 自从系统的设计限制器以来，在对各种限制系统的研制与实践的基础上，人们就意识到限制器的设计问题及找寻适当的限制器结构与获得限制器参数。另外，人们也相识到在探讨一个限制系统时，不仅仅要建立受控对象的模型，还须要考虑环境因素对对象的影响，所以要求限制器不仅仅对一个工作点进行调整而且要求能对全部工作点的范围进行调整，即具有自适应实力。20世纪40年头“限制论”问世至今，限制器的参数调整始终是探讨探讨的主要内容。从20世纪50年头起先，人们就已经留意到限制器运行时对其静态和动态参数的在线自动调整体现了系统对环境改变的自适应。50年头明确提出的自适应限制在航天技术中得到胜利应用。因此对自适应限制器的设计探讨工作产生了强有力的影响。但是由于模拟器件的限制和缺乏完整的理论依据，也就限制了自适应限制器的实现，从而减弱了人们对这一领域的爱好。60年头后，限制理论在很多方向上得到快速发展。非线形系统理论、最优限制理论、最佳估计理论、系统辨识方法和递推方法都对自适应限制器的设计供应了有效地依据，人们对自适应限制有了更深刻的相识，并产生了更多的设计实例。 另一方面，自从1962年第一次将计算机用于限制系统以来，随着限制技术和计算机技术的进步，工业限制系统已从干脆数字限制（DDC）系统、监督限制（SSC）系统发展到集散限制系统（DCS）、递阶限制系统（HCSA）和现场总线限制系统（FCS），在大量生产过程自动化系统中，工业计算机已经变成标准设备，这样就可以在实际应用中设计和实现更为困难的自适应限制器。11012年第一个工业数字自适应限制器投入市场，紧接着一批数字自校正和自适应限制器应用到工业过程中。硬件资源越来越丰富且价格也越来越便宜，为探讨人员和工程技术人员开发和实现各种自适应限制器供应了便利。 由于计算机系统已成为生产设备及过程限制系统的重要组成部分，它既可以在肯定程度上代替人的思维进行困难运算，又可以干脆与现场各种装置（如变送器、执行器）相连，对所连接的装置实施自适应限制。由于自适应限制是在常规的限制环之外增加了非线形的自适应环节，自适应限制器面对的对象经常是非确定性的时变过程，所以大大增加了限制器的困难性、计算量和操作执行时间。 三、自适应的限制方法 自从系统的设计自动限制器以来，就产生了对给定的过程和对象寻求适当的限制器结构和限制参数的问题。另一个困难是要求限制器不仅能对一个工作点进行调整，而且要能对全部工作点的范围进行调整。限制参数的自动调整首先于20世纪40年头末被提出来探讨，同时自适应限制的名称被首先用来定义限制器对过程的静态和动态参数的调整实力。自适应限制是一种具有肯定适应实力的系统，它能相识环境的改变，并能自动变更限制器的参数和结构，自动调整限制作用，以保证系统达到满足的限制品质。 任何一個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，有时表现在系统外部。系统内部的不确定性主要指过程数学模型的结构和参数事前可能是未知的；系统外部的不确定性主要指外部环境对系统的影响，这可以等效地用扰动来描述。扰动通常指不行测因素，它们可能是确定的。此外，还有一些量测噪声也是不确定的。面对这些客观存在的不确定性，如何在线的调整限制作用，使被控过程的指定性能指标达到并保持最优或次优，这就是自适应限制器的设计要求。 限制器能够变更或改进一个未知对象的行为和响应，使其满意肯定的性能要求，所以在限制工程中，限制器得到了非常广泛的应用。对受控对象或受控过程施加输入u就可产生输出y,这个y代表了对象或过程的实测输出响应。限制设计的任务就是选择输入u，以便使输出响应y满意某个给定的性能要求。大多数限制工程师在选择u时通常遵循的限制设计步骤大致如下：步骤1，建模。这一步的任务是为了了解对象的过程机理，为此须要加入一个给定的输入信号u（t）来产生一个输出响应y（t），以便能以一些数学方程来描述对象。这些方程构成了对象的数学模型。事实上，一个对象的数学模型可利用物理规律来建立，也可以通过处理由各种试验得到的对象的输入-输出数据来得出，还可以把两者结合起来建立对象的数学模型。这些就是限制工程中经常采纳的建模方法。当加到模型上的输入和初始条件与加到对象上的输入和初始条件完全相同时，一个精确的对象模型就应当产生与对象完全一样的输出响应。但是，大多数实际对象都很困难，要建立这样精确的模型是没有保证的，甚至是不行能的。即使得到了精确的模型，其维数很可能是无穷维的，这样的模型所描述的非线性特性或时变特性对限制设计的作用也是微乎其微甚至是完全无益的。从好用目的来看，最好的模型应当是有效的，还应当是简洁的。通过建模得到了对象的模型后，往往还要利用在工作点旁边线性化和削减模型阶次等方法来进一步简化模型。一般地讲，建模涉及到对对象过程和性能要求的良好理解，因此还可能须要有关限制工程师的某些实际阅历，才能圆满地完成建模任务。 步骤2，限制器的设计。在建立了可用的对象模型之后就可着手限制器的设计了。限制器的设计是为了满意对象模型对性能的要求。假如模型能良好地靠近对象，那么当把设计好的同一限制器用于对象时，对象所能达到的性能就可能非常接近对象模型所达到的性能。所以，还须要分析所设计的限制器用于具有不确定性的对象时的性能，即进行鲁棒性分析。假如影响很大，以至性能已下降到无法接受的程度，就必需改进或重新设计限制器，以降低限制器对不确定性的灵敏度，即增加对不确定性的鲁棒性。这种鲁棒性分析和限制器的重新设计将提高在步骤3中实现限制器时的胜利几率。 步骤3，实现。将步骤2中设计的限制器加到未知对象上，该限制器已满意对象模型的性能要求，而且相对于可能出现在对象模型中的不确定性是鲁棒的。虽然在某些应用中，还可能用模拟计算机来实现限制器，但这里认定是用数字计算机来实现的。因此，有关可用的计算机类型、计算机和对象之间的接口部件的类型、软件工具等都必需事先考虑好。计算机速度和精度会对限制器的困难性有所限制，这时可能须要返回步骤2，甚至返回步骤1，以便在不降低性能要求的状况下，得到更为简洁的限制器。实现中的另一个重要方面是进行限制器的最终调整，即进行通常所说的限制器的整定，其目的是要通过补偿在设计过程中未考虑到的对象的不确定性来改善限制器的性能。整定通常是依靠尝试法来完成，这完全取决于限制工程师的阅历和直观学问。针对这类问题，经过多年的努力，人们已建立和发展了一种新的限制方法，即自适应限制方法。与传统的调整原理和最优限制不同，自适应限制能在受控对象的模型学问和环境学问知之不全甚至知之甚少的状况下，给出高质量的限制品质。大量工程实践表明，对于困难的受控对象或受控过程，采纳自适应限制往往能提高现有的生产率、降低成本、改进产品质量和开发新的产品。所以当受控对象特性尚未完全驾驭，受控对象本身又存在不行忽视的不确定性时，采纳自适应限制方案就成了限制工程师的一种合乎逻辑的选择。 四、自适应限制器的设计要素 自适应限制器的特征由两方面描述：一方面是在操作运行中如何获得未知过程或闭环的信息；另一方面是如何标记限制律的改变。有许多实现自适应限制系统的方法，然而还没有描述自适应或自校正的一般定义，根据普遍接受的描述是“自适应限制系统根据限制过程和信号的改变调整它们的行为”。自适应限制器主要划分为两种形式前馈自适应限制器和反馈自适应限制器。 五、在线参数估计器的设计 如上所述，自适应限制器可视为是一种在线参数估计器与由参数已知时得出的限制律的一种组合。这种组合方法加上估计器和限制律的类型就提出了各种不同性质、不同类型的自适应限制器，其中，线参数估计器起着关键性的作用。在自适应限制文献中，在线参数估计器有时又称为自适应律、更新律或调整机构。自适应律的设计对自适应限制器的稳定性起着关键性的作用。不难看出，自适应律加重了非线性性质，它使闭环对象成为非线性的，而且经常是时变的。因此，分析和理解自适应限制方案的稳定性和鲁棒性就成了非常困难的问题。设计自适应律的基本方法是灵敏度方法、正性和Lyapunov（李亚普诺夫）设计方法以及基于估计误差代价准则的梯度法和各种最小二乘法等。灵敏度方法是设计自适应律的最早的方法之一，理論证明，与基于其他设计的自适应律相 比，其稳定性较差。 六、自适应限制技术的应用概况 自适应限制系统理论和设计方法的发展，简便廉价的微型计算机的普及，特殊是自适应限制在工业生产中的胜利应用，正促进人们在自己的工作中采纳自适应限制技术。据不完全统计，已采纳自适应限制技术的部门有航天航空、航海、电力、化工、钢铁冶金、热力、机械、林业、通信、电子、原子能等。可以预料，随着限制理论和计算机技术的不断发展和完善，自适应限制技术的应用会越来越广，效益会越来越高。 七、结束语 综上所述，对于参数未知但定常或慢变的受控过程，自适应限制技术是非常有效的，它经常可以取代常规的PID限制而获得更好的限制品质。但是，要真正普及和推广自适应限制技术仍任重道远，须要人们付出艰苦的努力并持之以恒才能达到预定目标。 参考文献： 1、张云生,祝晓红.自适应限制器设计及应用(精)M.国防工业出版社,2022. 2、谢新民,丁锋.自适应限制系统M.清华高校出版社,2004. （作者单位：赵英，重庆通信学院探讨生管理大队；刘鹏，重庆通信学院探讨生管理大队；刘荣，重庆高校ICT中心） 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页