自适应控制器设计及应用[按需印刷]

本书针对当前计算机控制系统中先进控制技术的应用,对自适应控制器的设计与应用做了全面论述。内容涉及自适应控制器的基本原理、设计方法、理论分析、数字仿真、计算机软件和硬件实现以及实际应用。重点介绍各种适于实际应用的新型自适应控制器的设计方法,寻求满足实时要求、结构简单、计算量小、控制性能稳定、容易实现的控制器算法及其组合形式。区别于描述自适应控制原理的一些著述,本书系统地阐述了自适应控制技术的实现,并结合作者在实际应用中采用的方法对线性控制器和非线性控制器的自适应进行了研究。
本书可供从事自动控制理论和自动控制技术应用研究、从事计算机控制系统开发的工程技术人员使用,也可作为自动控制理论、控制器设计、控制计算机应用及相关专业的研究生和大学高年级学生的参考书。

第1章 自适应控制方法和自适应控制器
1．1 自适应控制方法
1．2 自适应控制器设计要素
1．2．1 前馈自适应控制器
1．2．2 反馈自适应控制器
1．2．3 二元自适应控制器
1．2．4 非二元自适应控制器
第2章 离散模型辨识自适应控制器
2．1 动态过程和随机信号的在线辨识
2．1．1 过程及信号模型
2．1．2 参数估计
2．1．3 递推参数估计器的统一描述
2．1．4 时变过程的参数估计
2．1．5 闭环在线辨识
2．1．6 各种参数估计方法的比较
2．2 控制器设计
2．2．1 一般线性控制器
2．2．2 补偿控制器
2．2．3 tb例积分微分控制器
2．2．4 差拍控制器

　　自从系统地设计控制器以来，在对各种控制系统的研制与实践的基础上，人们就意识到控制器的设计问题即寻求适当的控制器结构与获得控制器参数。另外，人们也认识到在研究一个控制系统时，不仅仅要建立受控对象的模型，还需要考虑环境因素对对象的影响，所以要求控制器不仅仅对一个工作点进行调节，而且要求能对所有工作点的范围进行调节，即具有自适应能力。20世纪40年代“控制论”问世至今，控制器参数的调节一直是研究讨论的主要内容，而从50年代开始，就已注意到控制器运行时对其静态和动态参数的在线自动调节体现了系统对环境变化的自适应。
　　50年代明确提出的自适应控制在航天技术中得到成功应用，因此对自适应控制器的设计研究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，也就限制了自适应控制器的实现，因而减弱了人们对这一领域的兴趣。
　　60年代后，控制理论在许多方向上得到迅速发展。非线性系统理论、最优控制理论、最佳估计理论、系统辨识方法和递推方法都对自适应控制器的设计提供了有效的依据，人们对自适应控制有了更深刻的认识，并产生了更多的设计实例。
　　另一方面，自从1962年第1次将计算机用于控制系统以来，随着控制技术和计算机技术的进步，工业控制系统已从直接数字控制(DDC)系统、监督控制(SCC)系统发展到集散控制系统(DCS)、递阶控制系统(HCS)和现场总线控制系统(P口)，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复杂的自适应控制器。1982年第1个工业数字自适应控制器投入市场，紧接着一批数字自校正和自适应控制器应用到工业过程控制系统中。由于硬件资源越来越丰富又变得很便宜，更允许研究人员和工程技术人员开发和实现各种自适应控制器。
　　由于计算机系统已成为生产设备及过程控制系统的重要组成部分，它既可一定程度地代替人的思维进行复杂运算，又可直接与现场各种装置(如变送器、执行器)相连，对所连接的装置实施自适应控制，所以本书介绍应用工业计算机(以PC机为例)实现自适应控制的原理和方法。鉴于描述自适应控制原理的著述不少见，但系统地阐述设计和实现自适应控制器的著述并不多见，本书的主要内容是介绍自适应控制器的基本原理、设计方法、理论分析、数字仿真、计算机软件和硬件实现以及实际应用。
　　由于自适应控制是在常规的控制环之外增加了非线性的自适应环节，自适应控制器面向的对象常常是非确定性的时变过程，所以大大增加了控制器的复杂性、计算量和操作执行时间。本书的目的侧重于介绍各种适于实际应用的新型自适应控制器的设计方法，寻求满足实时要求、结构简单、计算量小、控制性能稳定、容易实现的控制器算法及其组合形式。
　　第1章归纳各种不同的自适应控制方法，重点描述基于模型参数辨识的随机盅适应控制器和基于参考模型的自适应控制器的特点。
　　第2章讨论离散时间领域的；基于过程辨识的自适应控制器。在介绍在线参数和非参数辨识方法，特别是闭环递推估计方法的基础上，给出各种先进控制技术，诸如比例积分微分(PID)控制、无差拍控制、最小方差控制、预测控制、动态矩阵控制中自适应控制器的设计方法，包括对确定性干扰及随机干扰的自适应控制系统的设计。
　　第3章讨论基于连续时间领域过程辨识的自适应控制器，同样也给出针对连续模型的在线参数估计和参数自适应控制方法，这一方法特别适用于通过理论建莫已知过程模型结构的系统。
　　第4章介绍各种模型参考自，适应控制器的实现方法，不仅给出连续时间过程，乜给出离散时间过程的局部参数最优化方法，以及全局稳定的设计方法。
　　第5章讨论时变过程鲁棒参数自适应控制器的设计，同时对自适应控制算法内收敛性和稳定性进行分析。
　　第6章介绍多变量过程的自适应控制器，讨论各种模型结构、控制器和参数估计器的结合，实现多变量控制算法。
　　第7章考虑非线性过程的模型结构和非线性过程的自适应控制算法，研究非线性控制器的设计和实现问题.
　　第8章讨论复杂系统的非参数模型和无模型表述方法，特别是非线性系统转换为动态时变模型的自适应控制器和无模型控制器的递阶设计方法，以及在线自适应优化过程。
　　第9章介绍在工业生产过程中，采用成熟的工业计算机软、硬件产品，设计开发自适应控制器。通过应用实例，介绍在1个工作点上和多个工作点或整个范围之内，固定线性控制器在运行过程中的自校正作用，以及由于设备老化、温漂、磨损等等引起参数变化的过程中控制器的自校正作用。这分别说明了：线性控制器对非线性或时变过程的自适应控制；非线性控制器对非线性过程的自适应控制或自校正控制；无模型情况下采用自适应前馈补偿的自动调节作用。这些实例显示，自适应控制算法可以应用于稳态和终值控制过程，以获得优化的控制效果。
　　本书的读者对象是从事自动控制理论和自动控制技术应用研究，从事计算机控制系统开发的工程技术人员；学习自动控制理论、控制器设计、控制计算机应用及相关专业的大学高年级学生和研究生。
　　在本书撰写过程中得到中国科学院自动化研究所戴汝为院士、清华大学自动化系郑大钟教授的热情关心和具体指导，昆明理工大学廖伯瑜教授和其他诸同事也给予诸多帮助，在此表示衷心感谢。
　　本书希望尽量突出重点，明了简洁。但由于作者研究水平和知识面所限，对所述内容的理解和阐述难免见树叶而不见树林，错误和不妥之处，敬请读者指正。
　　作 者