自適應控制基本思想

2021-10-23 05:35:05 字數 2668 閱讀 4223

自適應控制所討論的物件,一般是指物件的結構已知,僅僅是引數未知,而且採用的控制方法仍是基於數學模型的方法

但實踐中我們還會遇到結構和引數都未知的物件,比如一些執行機理特別複雜,目前尚未被人們充分理解的物件,不可能建立有效的數學模型,因而無法沿用基於數學模型的方法解決其控制問題,這時需要借助人工智慧學科,也就是智慧型控制

自適應控制與常規的控制與最優控制一樣,是一種基於數學模型的控制方法

自適應控制所依據的關於模型的和擾動的先驗知識比較少,需要在系統的執行過程中不斷提取有關模型的資訊,使模型愈來愈準確

常規的反饋控制具有一定的魯棒性,但是由於控制器引數是固定的,當不確定性很大時,系統的效能會大幅下降,甚至失穩

問題的提出

對於乙個非線性系統

=−ax

2+ux˙=−ax2+u

是控制輸入

要求設計乙個合理的控制訊號uu

也是連續且有界的,這個假設在實際中可以滿足,因為跟蹤訊號往往是認為設計的

解決思路

對於現代控制理論,正如前面所述,設計控制訊號實際上是設計誤差動力學系統,因此,設誤差訊號e(

t)=x

(t)−

xd(t

)e(t)=x(t)−xd(t)

,則誤差的動力學系統方程為

(t)=

−ax2

(t)+

u−x˙

d(t)

e˙(t)=−ax2(t)+u−x˙d(t)

———– (1)

由於原系統是滿足matching條件的,即控制訊號和未知引數處於乙個方程中,那麼根據等價確定性原則(certainty equivalence, ce)設計控制器

u=

a^x2

+x˙d

−keu=a^x2+x˙d−ke

是控制器引數

接下來需要設計估計引數a^

a^代入(1),則(1)可以寫成

(t)=

a~x2

(t)−

ke(t

)e˙(t)=a~x2(t)−ke(t)

———– (3)

定義lyapunov函式

v(

e,a~

)=12

e2+1

2ηa~

2v(e,a~)=12e2+12ηa~2

———– (4)

求導,得

(e,a

~)=e

e˙+1

ηa~⋅

a~˙=

ee˙+

1ηa~

⋅a^˙

v˙(e,a~)=ee˙+1ηa~⋅a~˙=ee˙+1ηa~⋅a^˙

為了達到系統的穩定,則要使得v˙

≤0v˙≤0

的更新律為

a^

˙=−η

⋅e⋅x

2a^˙=−η⋅e⋅x2

———– (5)

代入,得到

(e,a

~)≤0

v˙(e,a~)≤0

———– (6)

由(4),(6)的positive definite特性可以確定(4)是乙個合理的lyapunov函式,由(6)可知(4)有界,即ee

uniformly continuous且

limt→∞

e(t)

=0limt→∞e(t)=0

由此可以得到系統漸進穩定,但是我們此時只是得到了系統的跟蹤誤差漸進收斂到0,但是引數的估計誤差並沒有收斂到0,因為我們設計引數的更新律時,是從系統的角度來設計的。

綜合,整體思路為,先求出對期望訊號xd

(t)xd(t)

,包含耦合抵消項和線性負反饋項兩項組成,其中的未知引數用其引數估計值代替;然後設計lyapunov函式,求導得出引數估計更新律;最後在保證lyapunov函式導數非正的情況下,根據barbalat引理得出跟蹤誤差漸近收斂得結論

存在的問題

引數估計的更新律中,並沒有包含引數估計誤差的負反饋,而是與跟蹤誤差直接耦合在一起a^

˙=−η

⋅e⋅x

2a^˙=−η⋅e⋅x2

,結果導致跟蹤誤差影響引數估計的過程,而引數估計在控制器中直接影響跟蹤誤差,兩者的直接耦合造成了系統閉環效能的下降

改進解決辦法就是浸入與不變(immersion and invariance, i&i)理論。通過引入關於狀態的修正項,從而間接將未知引數引入到引數估計動態當中

我們需要人為設計估計誤差的動態特性,此時uu

,從而證明了引數收斂的穩定性。

總結兩種設計方法只不過是將自適應律的設計問題的轉化了而已,原先的自適應律的設計是直接根據整個系統的lyapunov進行設計,改進的方法是建立引數的動態模型,並根據此系統的lyapunov進行設計

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