1、自适应控制,Adaptive Control, Cybernetics： or the Control and Communication in the Animal and the Machine, Engineering Cybernetics,我们可以毫不含糊地说，从科学理论的角度来看，20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞越。,“勇气”号在火星工作的英姿,“勇气”号火星探测器前景动画,火星探测器登陆火星示意图,“嫦娥一号”卫星模拟图,“深度撞击”撞击器,人类首次“炮轰”彗星-坦普尔1号彗星,自动控制理论的研究内容,经典
2、控制理论（传递函数，SISO，LTI）,现代控制理论（状态空间，MIMO，时变）,H控制、最优控制、非线性系统控制、自适应控制、分布参数控制、离散事件动态系统等等,绪 论 0.1 关于系统辨识 0.2 系统辨识的应用与发展 0.3 关于自适应控制 0.4 自适应控制系统的应用与发展,讲授内容,第1部分 系统辨识理论、方法及应用 第1章 系统辨识的基本概念 1.1 系统辨识的基本原理 1.2 系统描述的数学模型 1.3 系统辨识的步骤与内容 1.4 系统辨识的基本应用 第2章 系统辨识的最小二乘算法 2.1 最小二乘法原理 2.2 最小二乘估计的递推算法 2.3 慢时变参数的最小二乘递推算法 2
3、.4 广义最小二乘法,第2部分 自适应控制 第3章 自适应控制概论 3.1 什么是自适应控制系统 3.2 为什么需要自适应控制 3.3 自适应控制的方案 3.4 自适应控制的设计和理论问题 第4章 模型参考自适应控制 4.1 模型参考自适应控制引言 4.2 基于局部参数最优化理论的设计方法 4.3 基于李雅普诺夫稳定性理论设计模型参考自适应控制系统,第5章 自校正控制（一） 5.1 自校正控制概述 5.2 单步输出预测自校正控制 5.3 控制加权自校正控制 第6章 自校正控制（二） 6.1 极点配置自校正控制 6.2 自校正PID控制 6.3 专家式自校正PID控制器 6.4 广义预测控制,第
4、7章 多变量自校正控制 7.1 多变量自校正调节器 7.2 多变量自校正控制器 7.3 多变量极点配置自校正控制器 7.4 多变量系统自校正解耦控制 第8章 自适应控制系统的发展及应用 8.1 自适应控制技术的发展 8.2 工业锅炉的加权广义预测自校正控制 8.3 大滞后系统自校正智能极点配置内模控制,实体与模型模型分类：直觉模型：物理模型：数学模型：获得数学模型的方法：经验总结法：机理分析法：实验法：数据拟合法： 用数据拟合法获得解析模型的过程即为系统辨识。,图表模型： 解析模型： 程序模型： 语言模型：,绪 论,0.1 关于系统辨识 0.1.1 什么是数学模型在系统辨识中，数学模型可定义为
5、一个被模型化的系统中的各个有关变量之间关系所构成的数学结构，即它用数学结构的形式来反映实际对象的行为特征。常用的数学模型有代数方程、微分方程、差分方程、偏微分方程和状态方程等。,数学模型的划分： （1）静态模型与动态模型； （2）线性模型与非线性模型； （3）参数模型与非参数模型； （4）确定性模型与随机性模型； （5）连续时间模型与离散时间模型； （6）时不变模型与时变模型； （7）时间域模型与频率域模型； （8）集中参数模型与分布参数模型。,模型间的相互转换,连续状态方程,差分方程,离散传递函数,离散状态方程,阶跃响应,微分方程,连续传递函数,0.1.2 系统辨识的基本方法 机理建模 白箱
6、 系统辨识(实验建模) 黑箱 机理分析和系统辨识相结合的建模方法灰箱,0.1.3 系统辨识的基本内容一般说来，若建立某一系统的数学模型的目的已经十分明确，同时对该系统已具备了一定的验前知识，就可以进行辨识该系统的数学模型及其参数，其内容为： 实验设计； 模型结构辨识； 模型参数辨识； 模型验证。,辨识的一般步骤,长网造纸的流程简图 G=f(D,F,V,P) W=g(D,F,V,P),系统辨识的第一步：明确辨识目的。 为了实现这个目标，要进一步了解系统的一些特点第二步：收集先验知识。 经过现场调查，发现： 车速调整存在同步困难，而不同步会引起断纸，因此，通常将车速设为恒定； 流量的改变到定量的改
7、变存在约60秒的延迟，而响应过程只有约2秒；（保持浓度不变） 浓度的改变到定量的改变存在约120秒的延迟，而响应过程约80秒；（保持流量不变） 蒸汽压力的改变到水份的改变存在约45秒的延迟，而响应过程约60秒；（保持浓度与流量不变） 第三步：设计辨识试验。 辨识试验的目的是使采集到的数据能反映系统的动态特性，因此要对系统进行分块，为设计对分块后系统施加的激励信号，设计数据采集时的采样频率。对于本例，其中的一个分块为流量和蒸汽压力对定量、水份的影响； 试验时，保持车速和纸浆浓度不变； 对流量和蒸汽压力，分别施加伪随机序列扰动，幅度以不引起断纸为限； 设定采样频率为2，试验时间1000秒。 采集信
8、号为：定量、水份、纸浆流量和蒸汽压力 第四步：现场准备。（接线图） 向企业领导申请试验时段； 准备扰动信号发生器，并通过预发信号，检验扰动信号是否准确； 测验现场信号的干扰情况，必要时设计模拟信号滤波器； 准备模数转换设备，调好信号的零迁和放大参数； 现场接线，将生产设备、试验设备与计算机连接。,第五步：数据采集。将采集到的数据存盘，并编写数据说明文件； 第六步：数据预处理。对采集到的原始数据进行变送器非线性校正、数字滤波、标准化、重抽样等加工，使数据适合辨识工具的处理，同时也应满足模型要求。 以上步骤为数据观测过程。 第七步：选择模型类。选择模型类的工作有两部分：其一是选择应用模型，通常应依
9、据辨识目的来选择；其二是选择参考模型，参考模型是便于进行结构辨识和参数估计的模型 第八步：结构辨识与参数估计。应用辨识理论和方法编制程序，对第六步所得的数据进行拟合，得到参考模型的阶次和参数。 第九步：模型检验。对所得到的参考模型按评判准则进行检验，如不达要求，则分析问题所在，并返回到前期各相应步骤。 第十步：模型转换。将参考模型转换为应用模型。 第十一步：应用评价。从应用角度评价模型，如不符合应用要求，应分析问题所在，并返回到相应步骤。,系统辨识一般流程,0.2 系统辨识的应用与发展 20世纪60年代工程上各种控制系统广泛应用，自动控制理论达到较高水平，经典控制概念受到现代控制理论挑战； 计
10、算机快速发展：离线科学计算工具、在线检测控制装置； 系统辨识成为发展系统应用理论、认识对象特性、研究和控制实际对象不可或缺的重要手段之一； 建立研究对象的数学模型（定量描述），从而进行分析、设计、预测和控制决策； 系统理论的一个重要分支； 单变量线性系统辨识的理论和方法，研究较多、许多理论及应用成果； 多变量系统辨识，尤其结构辨识，不能令人满意。,0.3 关于自适应控制 0.3.1 什么是自适应控制,自适应控制器：能修正自己的特性以响应过程和扰动的动力学特性的变化，达到满意的控制品质。,自适应：改变行为或习性以适应新的环境。,0.3.2 两种主要的自适应控制形式 模型参考自适应控制 最早出现，
11、特点，本身附加一参考模型，参考模型的特性就是被控对象的理想特性，根据模型输出与对象输出的偏差实时调整，在某种指标下，二者接近 自校正控制系统 实际应用较广，与系统辨识联系最密切的一类，将系统辨识与最优设计结合产生的控制方法，系统由两个环构成，内环：对象和反馈控制器，其参数由外环调整，通过在线递推估计参数和控制器在线设计完成。,自适应控制与常规反馈控制的区别？,自适应控制的研究对象：具有某种不确定性,系统外部：扰动,系统内部：模型的结构和参数,自适应控制所要解决的问题：,面对客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并且保持或接近最优。,确定性最优控制问题,
12、三个矩阵中的参数向量 是已知的；,是时间k的确定性函数；,系统的初始条件也是已知的。,在已知对象模型和扰动模型的条件下，设计一个控制序列，使某一指定的性能指标函数达到最小；,随机最优控制问题,三个矩阵中的参数向量 是已知的；,是统计特性已知的随机序列；,系统的初始条件是统计特性已知的随机向量。,在已知对象模型和扰动模型的条件下，设计一个控制序列，使得总代价的数学期望最小；,自适应控制问题,三个矩阵中的参数向量 是未知的；,是统计特性未知的随机序列；,系统的初始条件是统计特性未知的随机向量。,在对象模型和扰动模型不完全确定的条件下，设计一个控制序列，使得指定的性能指标尽可能地接近和保持最优。,智
13、能控制问题,不借助基于数学模型的方法，而是借助人工智能学科，如专家系统。,设计自适应控制器的步骤, 描述闭环系统的期望特性, 确定具有可调参数的合适控制律, 找到调整参数的机理（机制）, 实施控制律,0.4 自适应控制系统的应用与发展,1973 基于自组织控制（self-organizing control, SOC）系统，参数自适应SOC ,性能自适应SOC以及学习控制系统,1961 自适应系统是按照某种自适应观点设计的任何一种物理系统。,一个有意义的自适应控制的定义应能着眼于控制器的硬件和软件，并且能判断它是否是自适应的。,自适应控制器是具有可调参数以及调整参数机理的控制器。,自适应控制发
14、展简史,50年代 高性能飞机的自动驾驶仪 60年代 状态空间理论、稳定性理论、随机控制理论（stochastic control theory ）、动态规划（dynamic programming）、系统辨识（system identification）Tsypkin 70年代末80年代初 稳定性证明 80年代 商业用途的自适应控制器,应用,60年代初70年代初 探索试验阶段,70年代初80年代初 工业试验阶段,80年代以后 产品商业化阶段,哈勃望远镜指向控制,哈勃望远镜捕捉到“黑眼”星系照片,哈勃望远镜观察到神秘星体,工业自适应控制器,1981 美国 Leeds和Northrup 自校正方案
15、的PID控制器,1982 瑞典Asea Brown Boveri 通用自适应调节器,1984 瑞典 SattControl 小型DDC包含PID自动整定,1986 瑞典 SattControl 具有自动整定技术的单回路控制器,自适应控制的理论,稳定性,自适应控制系统的稳定性是指系统的状态、 输入、输出和参数等变量，在干扰的作用下， 应当总是有界的。,BIBO（bounded input bounded output）,稳定性理论是研究MRAS的主要理论基础,大多数MRAS在分析其稳定性时，都可以归结为 研究一个误差模型。这个误差模型由一个线性系统 和一个非线性反馈环节所组成。,如果误差模型的线
16、性部分的传递函数是严格正实的 SPR（strict positive real），而非线性部分是无源 的（passive），则闭环系统是稳定的。,收敛性,一个自适应控制算法具有收敛性是指在给定的 初始条件下，算法能渐进地达到其预期目标， 并在收敛过程中保持系统的所有变量有界。,参数估计的递推算法,鲁棒性,自适应控制系统的鲁棒性是指在存在扰动和 未建模动态特性的条件下，系统能保持其稳 定性和一定的动态性能的能力。,80年代 Rohrs,信息论、控制论、系统论 信息科学与技术的三大基石,物质、能量、信息,人类社会生存和发展的三大要素 物质（质量、结构） 物质守恒：物质不会创生，也不会消失，只会从一
17、个种形态转换成另一种形态（释放能量）。 能量（能源、转换）危机？ 信息（机制）无限复制与传播？ 没有物质，什么也不存在；没有能源，什么也不会发生；没有信息，任何事物都没有意义。（美国哈佛大学） 物质、能源、信息 农业社会（手工）工业社会（机械，能量转换）信息社会（获取、处理、利用知识、智能）,人类社会进步,信息,信息作为科学概念被确定下来，是信息论的主要创始人C.E.香农的贡献。 香农认为，信息是“用来消除未来的某种不定性的东西”。信息是通信的内容。通信的直接目的就是要消除接受端（信宿）对于发出端（信源）可能会发出那些消息的不确定性。 控制论的创始人N.维纳认为，信息是人们在适应客观世界的过程
18、中与客观世界进行交换的内容的名称。在这里，维纳把人与外界环境交换信息的过程看成是一种广义的通信过程。信息是人与外部世界的中介。 信息并非指事物本身，而是指用来表现事物特征的一种普遍形式。我国著名的信息学专家钟义信教授认为：信息是事物存在方式或运动状态，以及这种方式或状态直接或间接的表述。,信息,根据近年来人们对信息的研究成果，科学的信息的概念应该概括如下：信息是客观世界中各种事物的运动和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征，表现的是客观事物运动和变化的实质内容。 信息的意义在于传递。信息在传递过程中发挥它的价值作用。另外，没有信息载体，也就没有信息本身。信息是内容，载体是形式。
19、信息从一方传递给另一方之后，受方获得了该信息，传方并没有失去该信息，仍旧拥有该信息，这就是信息的共享性。 信息是具体的，并且可以被人所感知、获取和识别，也可以被传递、存储、变换、处理和利用。,信息科学与技术,信息科学（Information Science） 一门新兴的跨多学科的科学，信息时代的必然产物。 以信息为主要研究对象。 以认识信息（信息论）为基础 以利用信息（控制论和系统论）为目的。 信息科学的研究内容 阐明信息的概念和本质(哲学信息论)； 探讨信息的度量和变换(基本信息论)； 研究信息的提取方法(识别信息论)； 澄清信息的传递规律(通信理论)； 探明信息的处理机制(智能理论)； 探
20、究信息的再生理论(决策理论)； 阐明信息的调节原则(控制理论)； 完善信息的组织理论(系统理论)。 扩展人类的信息器官功能，提高人类对信息的接收和处理的能力，实质上就是扩展和增强人们认识世界和改造世界的能力。这既是信息科学的出发点，也是它的最终归宿。,信息科学与技术,信息技术（Information Technology，IT） 信息的获取、存储、传输、处理（变换、识别）、管理和利用等所采用的各种技术的总称。 主要包括通信技术、计算机技术、自动控制技术、多媒体技术、视频技术、遥感技术等 。 信息科学与技术的广泛应用已经是经济发展的巨大动力，因此，各国的信息技术的竞争也非常激烈，都在争夺信息技术
21、的制高点。 信息技术的研究内容： 信息采集、存贮和处理的载体半导体和光学器件； 信息传输和处理的电子学和光电子学, 计算机和通信系统； 自动化科学技术它承担着有效使用上述各技术手段促进物质生产、社会进步和改善人类生存环境的重大历史使命。信息科技的最新成果日益广泛应用于教育、科研、社会生产、政治、军事、管理和医疗等诸多方面, 它不仅带来大量新的科学成果和物质财富, 改变了人们的思维、工作和生活方式, 而且还关系着国家的独立和安全。,信息系统,信息工程学院的学科专业,国家重点（培育）学科 1 控制理论与控制工程 北京市重点学科 2 控制理论与控制工程 计算机系统结构 博士后流动站 2 控制科学与工
22、程 计算机科学与技术 一级学科博士点 1 控制科学与工程 二级学科博士点 8 控制理论与控制工程 模式识别与智能系统 系统工程 检测技术与自动化装置 导航、制导与控制 计算机系统结构 计算机应用技术 通信与信息系统,本科专业 7 自动化 计算机科学与技术 测控技术与仪器 电子信息工程 通信工程 信息安全 智能科学与技术 一级学科硕士点 4 控制科学与工程 计算机科学与技术 信息与通信工程 电子科学与技术 专业领域硕士点 3 控制工程 计算机技术 软件工程,信息论 information theory,信息科学是在信息论基础上发展起来的。 20世纪40年代，香农Shannon（贝尔实验室、MIT
23、）完成了“通讯的数学理论”的研究，奠定了信息论的基础。 通讯系统就是信息传递的载体。 香农提出通讯系统的模型，定义了信源（信息的源泉、发信者）、信道（信息传输通道）和信宿（信息的归宿、收信者）。该模型科学地模拟了通讯系统的结构和功能。,噪声干扰,信源,信宿,译码,信道,编码,通信系统的模型,信息论,信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。 信息论将信息的传递作为一种统计现象来考虑，给出了估算通信信道容量的方法。信息传输和信息压缩是信息论研究中的两大领域。这两个方面又由信息传输定理、信源信道隔离定理相互联系。 香农在进行信息的
24、定量计算的时候，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：信息是确定性的增加 。,信息论,信息论作为控制论的基础，它研究的是通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，同时也是研究如何提高信息传输系统的有效性和可靠性的通讯理论。 随着现代科学发展的综合化、整体化趋势，信息概念及其方法远远超出通讯领域，已经推广和应用于其他学科，如生物学、医学、仿生学、语言学、管理科学等，从而使局限于通讯领域的信息理论发展成一种广义信息论 信息科学,空天地信息系统,系统论 Systematology,系统论的主要创立者是贝特郎菲（美籍奥地
25、利生物学家），他于1945年发表了关于一般系统论的论文，宣告了这门学科的诞生。由生物学逐步扩大到工程、社会各方面, 形成“ 一般系统论” 。 要素结构系统功能环境构成了系统五位一体的关系。系统诸要素相互联系相互作用的内在组织形式或内部秩序叫做系统的结构；与此相对应，关于系统与环境相互联系相互作用的外在活动形式或外部秩序，则称之为系统的功能。而信息是系统秩序的保证。,系统论,系统论认为 世界上一切事物、现象和过程几乎都是有机整体，且又都自成系统、互为系统 每个系统都是在与环境发生物质、能量、信息的交换中变化发展，并能保持动态稳定的开放系统 系统内部及系统之间保持一种有序状态 系统具有三个基本的组
26、成部分： 输入； 加工； 输出。 任何一个系统都是为了完成某一特定目标而构造的。,系统的概念,系统是由两个或两个以上相互区别并相互联系的要素，为了达到一定目的，以一定方式结合起来而形成的整体。,system,系统的特征,组成性。系统由两个或两个以上要素组成 层次性。系统要素应该能够区分 边界性。要素的边界小于系统的边界 相关性。要素相互联系，要素和系统都是相对的 目的性。要素的结合是为了达到特定的目的 整体性。系统是一个整体“系统”二字往往可以省略,系统的分类,钱学森 分类,系统论的重要观念,系统是一个整体； 系统有明确的目的； 系统由两个或两个以上相互关联的要素组成，但杂乱无章、互不相干的东
27、西放在一起也不是系统，系统要素的微观联系会涌现出系统的宏观功能; 要素与系统所处的层次不同，因此系统和要素具有不可比性； 要素可以以不同的方式组合在一起，形成特定的结构，这就需要对系统进行规划、组织和控制； 一定的结构产生一定的功能，要想使系统发挥特定功能，必须使系统具备特定的结构； 系统会表现出任何要素都不具备的特征，在条件合适的情况下，要素进行整合后可以达到“整体大于部分之和”的效果； 封闭系统必将走向灭亡，系统一定在动态变化中发展。,系统科学的一般研究方法,系统科学的研究与模型,控制论 Cybernetics,维纳发表了控制论，用统一的观点讨论了人、动物和机器的通讯和控制活动，标志着控制
28、论学科的诞生。 所谓控制，是指施控主体对受控客体的一种能动作用。控制作为一种作用，至少要有作用者与被作用者以及作用的传递者这样三个因素。这三个组成部分组成一个整体，相对于某种环境而言，具有控制的功能，这就被称为控制系统。 钱学森于1954年出版了工程控制论，使控制论进入了应用领域。,控制论,控制论是在信息反馈理论的基础上建立起来的。控制的核心概念是反馈, 反馈的内涵是指信息从授者到受者经过处理返回给授者的过程。 控制机制正是依靠信息，具体地说是依靠信息反馈来达到控制目的。 反馈闭环控制是自动控制最基本、最常用的形式,而系统是指相互关联、互相制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。系统的性能主要取决于系统中各部分或各子系统间的配合与协调。对整个系统的控制不能简单地看作各部分或各子系统的控制,而必须是在综合考虑部分或子系统的控制及相互间的作用以及整个系统的更高层次的控制,这便是系统的观念和方法。,反馈控制原理,一个例子 淋浴水温控制 过程：开水试温调节试温合适停止调节,反馈控制原理,反馈控制原理,小 结,信息论、控制论、系统论的结合构成了相对完整的信息理论体系，逐步形成现代信息科学的基础。,
