模型参考自适应控制在喂线机控制中的应用研究-陈志学.docx

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1、硕士学位论文 模型参考自适应控制在喂线机控制中的应用研究 姓名：陈志学 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：吴仲阳 20040301 模型参考自适应控制在喂线机 控制中的应用研究 摘要 在实际系统中，许多被控对象的数学模型都随时间和工作环境的改变而变 化，其变化规律往往事先难以确定。如果这些变化在较小的范围内，釆用一般 的反馈控制、最优控制等方法就可消除其对控制品质的有害影响。如果这些变 化发生在较大的范围内，用上面的方法就难以圆满解决问题。然而，随着科学 技术的迅速发展，生产规模不断扩大，人们对控制品质的要求越来越高，在这种 情况下，如何设计出一种控制系统，使它能适应各种

2、变化而不断修正自己的控 制参数，以便达到满意的控制效果。自适应控制的出现，为解决此类问题开辟 了一条崭新的途径。目前，对自适应控制的研究，受到了控制界的广泛关注。 本文简要介绍了喂线技术和自适应控制技术的发展及应用，着重讨论了利 用李雅普诺夫稳定性理论和波波夫超稳定性理论设计模型参考自适应控制系统 的问题。在己有的研究基础 上，指出了影响系统收敛性的因素，并提出了改善 收敛性及获得满意的暂态过程的几点粗浅看法。接着，简单介绍了提髙系统抗 千扰能力的一些方法。最后，把研究所得的结果，用于在冶金、铸造等行业中 有着广泛应用的喂线控制中，设计出了被控对象的参数可在较大范围内变化的 自适应控制器。仿真

3、结果表明这种方法可以取得良好的控制效果。 关键词自适应控制；模型参考；喂线机 Study on the Application of Model Reference Adaptive Control to the Wire-Feeder Control Abstract Many mathematics models of control objects in actual system always change with time and the changeable environment and the rules of these changes are ascertained di

4、fficultly in advance. If these changes are confined to a smaller range, we can eliminate their bad influences on the control performance by means of the traditional methods such as feedback control, optimal control and so on. However, if they are within a wide range, we can not deal with the issue c

5、ompletely by the above methods. WhereaSj with the rapid development of science model reference; wire-feeder 第 1 章 绪 论 1.1课题背景 1.1.1课题来源 本课题是江苏省重点攻关科技项目，属于理论和实际相结合的研究范畴， 主要针对在自动控制的实际应用中，具有一定程度不确定性和非线性的系统进 行自适应控制器的设计，迸而分析系统的稳定性及算法的收敛性两个方面的理 论研究。最后，把所得理论研究结果应用于冶金厂和铸造厂中的钢水净化和铁 水球化处理过程中所采用的喂线机控制中。 r彳 .2研

6、究的目的和意义 本课题在总结国内外已有的有关自适应控制的稳定性和算法收敛性分析的 基础上，通过对具体的控制对象釆用 MATLAB语言进行仿真，说明自适应控制 的突出优点和广泛的应用前景。 在控制问题中，假设对象的传递函数是己知的，那么就可以用经典控制理 . 论设计一种控制器，使得控制系统的过渡过程指标符合要求。如果掌握了过程 的运动方程，就可以用最优控制理论来设计一种最优控制器，使系统的某项性 能指标达到最佳。但是，如果对控制系统本身的动力学特性未知或不完全掌握， 或者在运行过程中发生了事先未知的变化时，那么，上面的控制方法就无法实 现，或者即便能实现但实际控制效果却变差，甚至出现不稳定现象。

7、这是因为 上述两种理论都是以过程的动态特性事先已知 f且参数在运行中不隨环境发生 未知变化为前提条件的。 然而，由于各种原因，参数的不确定性和慢时变性是普遍存在的。在这种 情况下如何设计一个控制器，使它能适应各种变化而不断修正自己的控制参数， 以便达到满意的控制效果。自适应控制的出现，为解决此类问题开辟了一条 崭 新的途径。随后，对自适应控制的研究就成为当前控制理论研究中最重要、最 活跃的课题之一。 近年来，虽然自适应控制的理论取得了较大的发展，但仍存在着许多急待 解决的难题，比如系统的全局稳定性、算法的收敛性和鲁棒性问题等。把自适 应控制的理论成果成功应用到实际中去，更是存在着大量的问题。

8、本课题设想把自适应控制技术和喂线技术相结合，通过对具体对象进行计 算机仿真，先从感性上说明所提自适应控制算法的稳定性和收敛性，然后指出 改善收敛性的途径。 把自适应控制这一先进理论 用到喂线机的控制中，对控制理论的发展有着 重要的意义。而且，对于提高产品质量、降低产品耗能、提高系统效率和控制 精度、降低生产成本等具有现实意义。 1.2喂线技术的应用概况 喂线技术，是包芯线制造技术和应用技术的总称。它是 20世纪 80年代初 兴起的炉外精练技术，是当前世界上公认的一种新型工艺，主要用于冶金厂和 铸造厂中的钢水净化和铁水球化处理等。其工艺过程为：先将欲加入钢液或铁 液中的各种添加剂 (如脱氧剂、脱

9、硫剂、变质剂、合金等 )破碎成一定的粒度， 然后用冷轧低碳钢带将其包裹成为一条具有任意长度的复合材料（即通常所说 的包芯线），借助于喂线机，使规定长度的包芯线以一定的速度穿过渣层，并到 达装有钢液或铁液的钢包或铁包的底部附近，随着包芯线在该处的不断熔化， 被其包裹着的添加剂也将不断地被熔化进入钢液或铁液中。通过添加剂与其周 围钢液或铁液的相互作用，达到对被处理熔液进行脱氧、脱硫、微合金化、成 分微调以及改变杂物形状，提高产品的各项性能和质量 “的目的。 由于与其它精炼技术相比，喂线技术具有如下优点： 1. 投资少、见效快； 2. 添加剂用量少，合金的收得率高； 3. 加入合金量精确，结果重现性

10、好； 4. 提高产品质量，降低能耗； 5. 对环境的污染比较轻； 6. 操作安全性高，并且容易实现自动化。 因此，该技术在国内外己得到广泛应用。并把它作为保证钢水质量必不可 少的最后一道工序。另外，有关其应用方面的论文 12_也很多。 在喂线工艺中，要求芯线在达到包底前全部熔化，使所加元素有较髙的收 得率。为此，喂线机就要有一个合适的喂线速度和准确的进线长度由此看 来，喂线机的喂线速度和喂线精度直接影响着钢材的质量 7，所以必须对喂线机 的喂线速度进行控制，使其达到要求。 在喂线设备的自动化方面，国外己经有了较好的发展。但是，通过调研发 现，国内目前基本上还停留在半自动化水平，对喂线机的控制主

11、要还是采用传 统的控制技术，随着喂线工艺要求的不断提高，显然需要研究更先进的控制方 式。这是一个极好的研究方向，具有很大的发展潜力。 1.3自适应控制理论的发展与现状 自适应控制有着许多不同的定义，但比较流行的且概念清楚的是 Gibson在 1962年提出的定义。他指出：一个自适应控制系统必须提供出被控对象当前状 态的连续信息，也就是辨识对象：必须将当前系统的性能与期望的或者最优的 性能相比较，并做出使系统趋向期望或最优性能的决策；必须对控制器进行适 当地修正，以便使系统趋向最优状态。 1.3. 1自适应控制的发展概况 自适应控制系统首先由 Draper和 Li于 195 年提出。他们介绍了

12、一 种能使 性能特性不确定的内燃机达到最优性能的控制系统。而自适应这一专门名词由 Tsien于 1954年在工程控制论一书中提出，在 1955年 Benner和 Drenick w 也提出一个控制系统具有 自适应 的概念。 自适应控制发展的重 要标志是： 1958年美国的 Whitaker及其同事设计了一 种自适应飞行控制系统，该系统利用参考模型期望特性和实际飞行特性之间的 偏差去修改控制器的参数，使飞行达到最理想的特性。但由于当时控制理论水 平的限制，这些新的控制思想没有得到普及和推广。 后来，自适应控制系统因英国学者 Parks9利用李雅普诺夫稳定性理论和法 国的朗道 tH1利用波波夫的超

13、稳定性理论等设计方法而得到了很大的发展，但 是，起初在这些算法中，要用到输出和误差的各阶导数。为了避免微分信号的 出现，1974年美国学者 Monopli“11提出了一种增广误差信号法，从而使得由输 入输出信号设计出的自适应控制系统能可靠地应用于实际工程。 上面介绍的自适应控制，后来称为模型参考自适应控制。另外，瑞典的 AstrSm和 Wittenmarkn21对另一类重要的自适应控制的发展作出了较大的贡献， 我国学者陈翰馥也作了一定的贡献。这种控制称为自校正控制，由于其很容 易用计算机来实现，这就使得自适应的速度和控制精度大大提高。这一富有创 建性的工作得到了各国学者地普遍重视，井把发展各种

14、新型的自校正调节器和 探索新的应用工作推向了前所未有的高潮，使自适应控制有了长足的发展。 自校正调节器有许多优点：算法简单、易于理解和实现 。 但也存在不少缺 点，例如不适用于非最小相位对象，输入控制作用没有受到约束等等。问题的 出现推动着控制学者们进一步研究， 1976年英国学者 Clarke和 GawthrapMl提 出了一种广义最小方差控制算法。这种算法的基本思想是在性能指标中引入了 对控制作用的加权项，从而限制了控制作用过大地增长。但是对于如何进一步 改进最小方差控制的动态性能，这种算法仍然没有彻底解决。而且这种算法在 处理非最 小相位系统时，要经常用凑试的方法来选择目标函数中的控制权

15、，这 就比较麻烦。因此，人们开始研究既能保持实现简易，又能具有直观性和鲁棒 性的新方法，于是出现了极点配置自校正控制。许多学者在这方面作了不少贡 献，但是比较有成效的是英国的 We丨 lstead， Prager， Zanker， Sanoff和 Edmunds 15，我国学者也做了一定的贡献并发表了一些论文 现在，自适应控制的发展出现了一些新的方向，主要是把自适应控制和其 它控制技术结合起来，比如：把它和模糊控制相结合便产生了模糊自适应控制 _，把它与鲁棒 控制相结合产生了鲁棒自适应控制 2_m，与神经网络相结 合产生了神经网络自适应控制 MMMW。 另外，对非线性系统自适应控制的研 究也引

16、起了人们的重视，而且发表了许多文章 l27usm9。 总之，自适应控制系统将向 自学习 、 自组织 系统、 专家 系统和 智 能控制 系统方面发展，这些新的发展方向，无疑会给自适应控制的研究和应 用注入新的活力。自适应控制虽然得到了较大发展，但也存在着许多急待解决 的理论问题。 1.3.2自适应控制的理论问题 自适应控制系统本身是一种本质非线性系统，并且常常兼有随机和时变特 征，其内部机理相当复杂，要分析它是十分困难的。正因为如此，它所涉及的 理论比较多 但是，近年来，最主要的理论研究课题还是集中在稳定性、收敛 性和鲁棒性三个方面。 稳定性是对一个控制系统最基本的要求，自适应控制系统也不例外，

17、因此， 在设计自适应控制系统时，应该以保证所设计系统的全局稳定性为原则。稳定 性问题的研究已经成为模型参考自适应控制系统的主要理论基础，大多数模型 参考自适应控制系统在分析其稳定性时都归结为研究一个误差模型，关于这一 点已经有了一些研究成果 33“32。其中较为突出的是依据李雅普诺夫稳定性理 论和波波夫超稳定性理论等数学工具得出的自适应控制规律，这样设计的确定 性线性定常系统肯定是稳定的。但是，为了使得上述结果成立，就要附加很强 的假设条件。况且，对于本质非线性时变系统，在系统存在未建模动态或随机 干扰时 f要证明系统的稳定性就更加困难了。因此，建立新的理论体系，逐步 放宽对被控对象及其环境的

18、限制条件是目前迫切需要解决的理论问题之一。 在许多自适应控制系统中，算法的收敛性一直是控制界公认的理论难题。 当一个控制算法被证明是收敛时，可以提高 该算法在实践中的可信度，也可以 指出进一步改进算法的正确途径，因此收敛性的研究对自适应控制系统具有特 别重要的理论和实际意义。自从自适应控制出现至今，已经出现了一些初步的 研究成果。例如， 20世纪 70年代末鞅理论在随机系统中的成功应用，表明了 自校正控制的收敛性取得了一定的进展。我国学者丁锋 1994年提出的鞅超收敛 性定理证明了时变系统参数估计的遗忘因子最小二乘法和投影算法的收 敛性，这对收敛性的理论研究是一个很大的推进。但是，现有的收敛性

19、都是在 苛刻的假设条件下获得的，并与具体的算法密切相关，因而缺乏普遍 性，这就 迫使人们寻求一种普遍适用的收敛性分析理论。 自适应控制系统的鲁棒性直到上世纪 80年代初期才被 Rohrs所发现，此后 便引起了自适应控制理论界的高度重视。目前，模型参考自适应控制系统一般 都是针对被控对象结构已知而参数未知的情况进行设计的，而被控对象的结构 往往难以确切地知道，所获得的对象特性中常常未能包括系统中难以描述的未 建模动态。通过计算机仿真已经证明，未建模动态以及扰动等能使系统参数产 生严重的漂移，从而导致系统的不稳定。虽然，目前己经提出了若干个不同的 方案，比如，采用 5修正法 36法， 混合自适应控

20、制 ，与变结构控制 相结合 等来克服上述原因导致的不稳定性，但是远未达到令人满意的程度。因此，如 何设计一个鲁棒性强的自适应控制系统，也是目前控制理论界的重要理论课题 之一。 总之，自适应控制系统的理论是一种复杂的控制理论，其发展和完善有赖 于非自适应控制理论的发展和完善，也有赖于广泛的实践应用。 1.4本课题所做的主要工作 近年来，人们己经将各种先进的控制理论应用于实际系统的设计中，特别 是计算机技术的发展为先进控制理论在复杂系统中的实现提供了可靠的保障。 本课题在现有喂线机控制研究的基础上，应用自适应控制理论，针对工作环境 恶劣的被控对象进行自适应控制器的设计，并通过对所采用的算法进行计算机 仿真来分析其稳定性、收敛性，简单说明自适应控制系统的鲁棒性。具体工作 如下： 第一，进行现场调研，了解冶金、铸造等行业的工业现场目前存在的技术 问题以及喂线机和自适应控制技术的应用状况。 第二，采用并联模型参考自适应控制，针对具体被控对象设计自适应控制 器，并进行计算机仿真。 第三，通过仿真，提出改善 系统暂态过程和收敛性的一些粗浅看法。