百科：自适应控制概述｜《系统与控制百科全书》

摘要

自适应控制描述了一系列技术，通过使用测量信号来改变控制行为，在不确定性条件下实现高控制性能。自适应控制的理论和实践在许多领域已经成熟。本文是《系统与控制百科全书》（Encyclopedia of Systems and Control）的“自适应控制”条目，提供了自适应控制的概述。

研究领域：控制论，系统科学，自适应控制

原文链接：

https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-030-44184-5_110

一、自适应控制

反馈控制有着悠久的历史，它使用感测、决策和执行元件来实现总体目标。控制系统的一般结构可以在图1中说明。人们早已知道，高保真度控制依赖于对被控系统的了解。例如，在大多数情况下，了解受控体（plant）增益和/或时间常数（图1中用θ_p 表示）对于反馈控制设计很重要。此外，干扰特性（例如，正弦干扰的频率），图1中的θ_d ，在反馈补偿器设计中也很重要。

图1：一般控制和自适应控制图示

许多控制设计和综合技术是基于模型的，使用模型结构和参数的先验知识。在其他情况下，使用固定的控制器结构，并且在控制系统调试期间经验性地调整控制器参数，图1中的θ。然而，如果受控体参数随时间变化幅度大或者有很大的不确定性，这些方法可能不足以实现高性能控制。

有两种主要方法来处理未知受控体和干扰特性的高性能控制：

1. 鲁棒控制（基于优化的鲁棒控制），其中控制器被设计为尽管存在不确定性，也能够适当地执行任务。变结构控制在某些情况下可能具有非常高的鲁棒性，因此是鲁棒非线性控制的一种特殊类别。

2. 自适应控制是指控制器基于测量数据学习并调整其策略。这通常采取控制器参数θ随时间变化的形式，这些参数依赖于可用数据（y(t)、u(t)和r(t)）。自适应控制与智能控制（包括神经控制、最优控制和动态规划原理）有着密切联系，在其中考虑了特定类型的学习，并且也与随机自适应控制有关。

当存在大量未建模的动力学（即结构不确定性）、相对较高的噪声水平或快速且不可预测的参数变化时，鲁棒控制是最有用的。相反，对于缓慢或大部分可预测的参数变化，具有相对良好的模型结构和有限噪声水平的情况下，自适应控制可能是实现高性能控制的非常有用的工具（Åström and Wittenmark 2008）。

二、自适应控制的种类

自适应控制的一种实用变种是控制器自动调谐。自动调谐特别适用于比例-积分-微分控制器（PID）及类似控制器，其中包括一个特定的信号注入阶段，随后进行分析、PID增益计算和实施。这些技术是分布式控制系统调试和维护的重要辅助手段。

还有许多大类的自适应控制器，它们不断监控受控体的输入输出信号以调整策略。这些调整通常由相对较少数量的系数θ进行参数化。这些方案包括直接使用可测量数据调整控制器参数的方法（也称为“隐式”，因为没有生成显式的受控体模型）。早期的例子通常包括模型参考自适应控制。其他方案（Middleto et al. 1988）显式估计受控体模型θ；之后，进行在线控制设计，因此，控制器参数θ的调整是间接的。这随后引发出一系列适用于线性系统的其他自适应控制技术（线性时不变系统的自适应控制）。

一些自适应控制算法在针对未建模的动力学、时变系统和噪声的敏感性上，存在重大问题（Ioannou and Kokotovic 1984; Rohrs et al. 1985）。这开启了一段非常活跃的研究时期，旨在分析和重新设计自适应控制以提供适当的鲁棒性（鲁棒自适应控制）（Anderson et al. 1986; Ioannou & Sun 2012）和对时变系统的参数跟踪（Kreisselmeier 1986; Middleton & Goodwin 1988）。

在这个领域的工作进一步扩展到了非参数方法，例如切换自适应控制，或监督自适应控制（Fu & Barmish 1986; Morse et al. 1992）。此外，对于非线性系统的自适应控制这个更加困难的问题，也展开了大量研究。

另一种自适应控制技术是极值搜索控制。在极值搜索（或自优化）控制中，系统的期望参考值是未知的，而我们希望在系统中最大化（或最小化）某个变量（Ariyur & Krstic 2003）。这些技术具有相当独特的操作模式，在各种应用中被证明非常重要。

迭代学习控制是一种具有非参数特性的最终控制算法（Amann et al. 1996; Moore 1993）。这种控制方案适用于具有高度结构化、重复有限运行的控制问题的系统。通过利用先前运行信息的非参数方法，在许多情况下，可以实现近乎完美的渐近跟踪。

自适应控制拥有悠久的历史，并已成为某些类型控制问题的重要工具。

另附《系统与控制百科全书》其他相关条目：

线性时不变系统的自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_111

自动调谐

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_113

极值搜索控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_114

自适应控制历史

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_120

迭代学习控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_115

模型参考自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_116

非线性自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_117

最优控制与动态规划原理

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_209

基于优化的鲁棒控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_159

鲁棒自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_118

随机自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_231

切换自适应控制

https://doi.org/10.1007/978-3-030-44184-5_119

三、引用文献

Amann N, Owens DH, Rogers E (1996) Iterative learning control using optimal feedback and feedforward actions. Int J Control 65(2):277–293

Anderson BDO, Bitmead RR, Johnson CR, Kokotovic PV, Kosut RL, Mareels IMY, Praly L, Riedle BD (1986) Stability of adaptive systems: passivity and averaging analysis. MIT, Cambridge

Ariyur KB, Krstic M (2003) Real-time optimization by extremum-seeking control. Wiley, New Jersey

Åström KJ, Wittenmark B (2008) Adaptive control. Courier Dover Publications, Mineola

Fu M, Barmish BR (1986) Adaptive stabilization of linear systems via switching control. IEEE Trans Autom Control 31(12):1097–1103

Ioannou PA, Kokotovic PV (1984) Instability analysis and improvement of robustness of adaptive control. Automatica 20(5):583–594

Ioannou PA, Sun J (2012) Robust adaptive control. Dover Publications, Mineola/New York

Kreisselmeier G (1986) Adaptive control of a class of slowly time-varying plants. Syst Control Lett 8(2):97–103

Middleton RH, Goodwin GC (1988) Adaptive control of time-varying linear systems. IEEE Trans Autom Control 33(2):150–155

Middleton RH, Goodwin GC, Hill DJ, Mayne DQ (1988) Design issues in adaptive control. IEEE Trans Autom Control 33(1):50–58

Moore KL (1993) Iterative learning control for deterministic systems. Advances in industrial control series. Springer, London/New York

Morse AS, Mayne DQ, Goodwin GC (1992) Applications of hysteresis switching in parameter adaptive control. IEEE Trans Autom Control 37(9):1343–1354

Rohrs C, Valavani L, Athans M, Stein G (1985) Robustness of continuous-time adaptive control algorithms in the presence of unmodeled dynamics. IEEE Trans Autom Control 30(9):881–889

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