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1、.,第二章 自适应控制,自适应控制概述 基本概念、 解决的问题、 分类及发展 模型参考自适应控制 系统描述 可调系统的结构 自适应控制律 自校正控制 最小方差自校正控制器 极点配置自校正控制器 自校正PID控制,.,2.1 自适应控制概述,2.1.1 自适应控制系统的功能及特点,研究对象：具有不确定性的系统,被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的,生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性,自适应控制的特点： 研究具有不确定性的对象或难以确知的对象 能消除系统结构扰动引起的系统误差 对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识 自适应控制是较为复杂的反馈控制,.,2.1 自
2、适应控制概述,2.1.2 自适应控制系统的分类,（1）前馈自适应控制,前馈自适应控制结构图,与前馈反馈复合控制系统的结构比较类似,不同在于：增加了自适应机构，并且控制器可调,当扰动不可测时，前馈自适应控制系统的应用就会受到严重的限制。,.,2.1 自适应控制概述,2.1.2 自适应控制系统的分类,（2）反馈自适应控制,反馈自适应控制结构图,除原有的反馈回路之外，反馈自适应控制系统中新增加的自适应机构形成了另一个反馈回路.,.,2.1 自适应控制概述,2.1.2 自适应控制系统的分类,（3） 模型参考自适应控制（MRAC）,在参考模型始终具有期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过程中，力求保持被
3、控过程的响应特性与参考模型的动态性能一致。,模型参考自适应控制系统结构图,.,（4）自校正控制,2.1 自适应控制概述,2.1.2 自适应控制系统的分类,自校正控制系统结构图,自校正控制系统又称自优化控制或模型辨识自适应控制。,.,2.2 模型参考自适应控制,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,模型参考自适应控制系统由参考模型、可调系统和自适应机构三部分组成.,目的：保证参考模型和可调系统间 的性能一致性。,模型参考自适应控制系统结构图,.,广义误差向量 不为0时，自适应机构按照一定规律改变可调机构的结构或参数或直接改变被控对象的输入信号，以使得系统的性能指标达到或接近希望的性能指标。,
4、2.2 模型参考自适应控制,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,参数自适应方案：通过更新可调机构的参数来实现的模型参考自适应控制。,信号综合自适应方案：通过改变施加到系统的输入端信号来实现的模型参考自适应 控制。,模型参考自适应控制系统结构图,.,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,2.2.1.1 并联模型参考自适应系统的数学模型,并联模型参考自适应系统可以用状态方程和输入输出方程进行描述。,一、用状态方程描述的模型参考自适应系统,(2.1),参考模型：,在可调参数模型参考自适应系统中，可调系统,(2.2),为广义误差向量,对于连续模型参考自适应控制系统,.,一、用状态方程描述的模
5、型参考自适应系统,2.2.1.1 并联模型参考自适应系统的数学模型,对于信号综合自适应方案的模型参考自适应系统中，系统模型,(2.3),对于离散模型参考自适应控制系统,.,二、用输入输出方程描述的模型参考自适应系统,2.2.1.1 并联模型参考自适应系统的数学模型,参考模型,对于连续系统一般采用微分算子的形式表示,(2.7),(2.8),(2.9),在参数自适应方案中，可调系统的输入输出方程,(2.10),由广义误差 通过自适应规律进行自适应调整,.,二、用输入输出方程描述的模型参考自适应系统,2.2.1.1 并联模型参考自适应系统的数学模型,在信号综合自适应方案中，可调系统的输入输出方程为,
6、(2.13),对于离散模型参考自适应控制系统输入输出方程可用下述几式描述,参考模型,(2.16),参数向量,信号向量,在参数自适应方案中，可调系统模型为,(2.19),可调参数向量,信号向量,.,模型参考自适应系统状态方程描述对比,连续模型参考自适应系统,(2.1),参考模型：,(2.2),在可调参数模型参考自适应系统中，可调系统,对于信号综合自适应方案的模型参考自适应系统中，系统模型,(2.3),离散模型参考自适应系统,(2.6),信号综合自适应方案的系统模型,.,模型参考自适应系统输入输出方程描述对比,连续模型参考自适应系统,参考模型：,在可调参数模型参考自适应系统中，可调系统,对于信号综
7、合自适应方案的模型参考自适应系统中，系统模型,离散模型参考自适应系统,(2.7),(2.10),(2.13),参考模型,(2.16),在参数自适应方案中，可调系统模型为,(2.19),.,2.2.1.2 模型参考自适应系统的设计要求,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,状态方程描述的模型参考自适应规律,其中 ，且,式中， ，矩阵 称为线性补偿器，它的作用是为了满足系统稳定性所需附加的补偿条件。,.,2.2.1.3 模型参考自适应系统的等价误差系统,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,等价误差系统：用误差向量 作为状态变量的来表示模型参考自适应系统.,在以状态方程描述的参数自适应方案
8、中，等价系统的状态向量是,等价误差系统：非线性时变反馈系统,线性部分,非线性部分,模型参考自适应控制系统的设计目标是使得广义误差向量 (广义输出误差)逐渐趋向零值。,.,2.2.1.3 模型参考自适应系统的等价误差系统,2.2.1 模型参考自适应控制的数学描述,同理：离散系统的等价误差方程为,模型参考自适应系统的等价误差系统示意图,.,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,2.2.2.1 稳定性的一般定义,一个控制系统的稳定性，通常是指在外部扰动作用停止后，系统恢复初始平衡状态的性能。,若存在一状态向量 ,满足下式,则 就是系统的一个平衡状态。,.,2.2.2.2 Lyapun
9、ov意义下的稳定性概念,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,二维情况下系统稳定性的几何解释,平衡状态是稳定的:,平衡状态是不稳定的:,平衡状态是一致稳定的:,(a) 平衡状态稳定,(a) 平衡状态不稳定,如式(2.29)描述的动态系统，若对任意给定的实数 ，存在另一个正数 ，使得当 的系统响应 在所有时间内都满足 ,则系统的平衡状态是稳定的。,如果对于平衡点 和任意给定的邻域 ，找不到满足稳定条件的相对邻域 ，则系统在该平衡点是不稳定的，也称系统是不稳定的。,如果所取的邻域 和 与初始时刻 无关，即对于任意的初始时刻稳定条件不变，则称该平衡状态是一致稳定的。,.,二维情况下系
10、统渐近稳定性的几何解释,平衡状态是渐进稳定的：,2.2.2.2 Lyapunov意义下的稳定性概念,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,式(2.29)描述的动态系统，如果系统的平衡状态 及初始点 的解 ，满足当 时，有 ，则称该平衡状态 是渐进稳定的。,平衡状态是一致渐进稳定的：,如果平衡状态 是渐进稳定的，且系统稳定性与初始时刻 无关，则称系统是一致渐近稳定的。,平衡状态是全局渐进稳定的:,如式(2.29)描述的动态系统，如果系统的平衡状态 ，对状态空间中所有的初始状态 ,都满足 ,则称平衡状态是全局渐进稳定的。,.,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2
11、采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,如果以 代表能量，则物体从高能位向低能位的运动过程特征可以表示为：,Lyapunov虚构了一个以状态变量描述的能量函数 ，只要,且,不需要求解系统运动方程就可以判断系统的稳定性。,称 函数为Lyapunov函数。,定义：,.,例：当 为二维状态向量时，判断下列函数的特性,是正定的；,是半正定的；,是负定的；,是半负定的；,是不定的；,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,若对称矩阵 ，对任何非零向量 都满足 ，则矩阵 就是正定矩阵。,补充概念：正定矩阵,判断正定矩阵的方法,求出A 的所有特征值
12、。若A 的特征值均为正数，则A 是正定的；若A 的特 征值均为负数，则A 为负定的。 2. 计算A 的各阶主子式。若A 的各阶主子式均大于零，则A 是正定的；若A 的各阶主子式中，奇数阶主子式为负，偶数阶为正，则A 为负定的。,.,定理5.1 （连续时间系统的Lyapunov稳定性定理）,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,对于系统,如果 (1) 存在正定函数 (2) 是半负定函数 则称平衡状态 是稳定的。,如果上述条件(2)改为： 负定函数，或者对于系统的非零解，有 不恒为零，则称平衡状态 是渐近稳定的。,如果 是渐近稳定的，且当
13、 时，有 ，则 是全 局渐近稳定的。,.,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,定理5.2 线性定常系统的Lyapunov稳定性定理,对于线性定常系统,(2.30),定理5.2证明,取Lyapunov函数 ，由于 是正定矩阵，故 是正定函数。又,即 是渐近稳定的。,线性定常系统Lyapunov方程,为正定矩阵,.,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,定理5.3 （离散时间系统的Lyapunov稳定性定理）,对于离散系统,如果 (1) 存在正定函数,(2),则称平衡状态 是渐
14、近稳定的。,如果 是渐近稳定的，且当 时，有 ，则 是全局渐 近稳定的。,线性离散系统Lyapunov方程,.,例 应用Lyapunov稳定性定理分析一下系统的稳定性,2.2.2.3 Lyapunov稳定性定理,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,系统唯一的平衡状态是 .,是半负定的。,可见，平衡状态 是稳定的。,假设 ，那么对于 ，有 .,当 时， ，即 ，则 。,因此，只有在状态空间的原点， .,对于状态空间中除原点以外的其它任何点， 都不恒为零。所以该平衡 状态是渐进稳定的。,因此，原点这个平衡状态是全局渐近稳定的。,.,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计
15、方法,2.2.2.4 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,模型参考自适应控制系统,(2.34),参考模型的状态方程为,可调系统的状态方程为,(2.35),(2.36),(2.37),设系统广义误差向量为,(2.38),得广义误差状态方程为,(2.39),.,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,2.2.2.4 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,假设 ， 时，参考模型和可调系统达到完全匹配，即,代入到式(2.39)所示的广义误差状态方程中，并消去时变系数矩阵有,(2.39),(2.40a),(2.40b),.,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,构
16、造二次型正定函数作为Lyapunov函数,其中， ， ， 都是正定矩阵，上式两边对时间求导，得,因为,则,(2.41),若选择,(2.42),.,2.2.2 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,(2.42),2.2.2.4 采用Lyapunov稳定性理论的设计方法,可得参数自适应的调节规律,(2.40b),由于 为负定，因此按式(2.43)设计的自适应律，对于任意分段连续的输入向量 能够使模型参考自适应系统是渐近稳定的。,.,2.3 自校正控制,2.3.1 概述,自校正控制系统由常规控制系统和自适应机构组成。,参数/状态估计器：根据系统输入输出数据在线辨识被控系统的结构或参数。,控制器参数设计计算：计算出控制器的参数，然后调整控制回路中可
