自适应控制理论与应用

第1章自适应控制概述

1.1自动控制的提出

1.2自适应控制的创立

1.3自适应控制系统的类型

1.4自适应控制理论的发展

习题

第2章自适应控制的数学基础

2.1状态方程、传递函数与时序模型

2.1.1连续系统的状态方程与传递函数

2.1.2离散系统的状态方程、脉冲传递函数

2.1.3时序模型

2.2 Diophantine方程与非最小实现

2.3 Lyapunov稳定性理论

2.4超稳定性理论

习题

第3章实时参数估计

3.1系统辨识的基本概念

3.2最小二乘法

3.3递推最小二乘法

3.4具有遗忘因子的递推最小二乘法

3.5闭环系统辨识

3.5.1问题的出现

3.5.2什么是闭环系统可辨识

3.5.3闭环状态下的辨识方法和可辨识条件

习题

……

第4章模型参考自适应控制

第5章自校正控制

第6章非线性自适应控制

第7章自适应观测器设计

第8章自适应控制应用

第9章采用自适应控制的半实物仿真试验

第10章自适应与人工智能

参考文献

第1章自适应控制概述

1.1自动控制的提出

社会生产力的发展随着人们改造世界的手段和方式水平的提高而变化剧烈。马克思主义认为:生产力决定生产关系，生产关系反作用于生产力。在这个过程中，一代代劳动人民通过思考，想出了解决一个又一个理论与实践问题的办法或者方案，推动了社会生产力的不断进步，生产力从极不发达状态到今天开始应用各类人工智能，技术突飞猛进，效率日新月异。从一开始由人来担任各种繁杂任务的主要执行者到由各种自动化设备机械来承担主要工作，技术的进步解放了人们手脚的同时也提高了生产效率。古人云:士不可以不弘毅，任重而道远。精神力量的奋发促成了一代代人们追求美好生活，追求更高效的生产力。自动控制在促进生产力提高中承担了很重要的作用，它是人们通过思考设计的改造世界的一种有效方案。从控制论的观点来说，人类社会发展至今已经经历了两个时代:人力时代和机械化时代，现在开始进人第三个时代一一自动化时代或智能化时代。自动控制是指在无人干预的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程等(统称被控对象)的某一个工作状态变量或参数(称为被控量，如温度、压力等)自动、准确地按照预期的规律运行，在过程中无须人参与，但是控制方面很重要规律的设计和控制器的制作是必须由人来完成的，自动只是指一旦设定规律，造出并应用控制器后，就不需要控制者再干预，被控对象会按照设计的规则自行运作，实现控制者的愿望。

自动控制学科是一个包罗万象的学科，融合了信息论、电子技术、计算机技术等各个方面，控制理论的发展和实现极大地提高了人们的工作效率，提高了社会生产力。从理论方面的发展来看，自动控制大体上可分为三个发展阶段，即古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论阶段。目前人工智能受到越来越多人的重视，其可以与控制论相结合，或者说基于人工智能的控制使得无数原来需要人去做的、低效率完成的工作可以由程序化的计算机通过控制特定的设备来完成。目前，工业使用的自动化设备大多数还是基于古典控制理论的成果。古典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似和试探基础上的，控制对象只能是单输入单输出系统，对于多输入多输出控制系统、时变控制系统、非线性控制系统等，则是无能为力的。其主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法等。控制策略通常局限于反馈控制，典型的控制包括PID控制等。而在此基础上发展出来的现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计可以说是精确的。控制对象也可以是单输人单输出控制系统，也可以是多输人多输出控制系统，可以是线性定常控制系统，也可以是非线性时变控制系统，可以是连续控制系统，也可以是离散或数字控制系统。因此，现代控制理论的应用范围更加广泛。但这些控制对象也仅局限于已知系统之上。其分析与设计方法是建立在状态空间上的，主要的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等控制理论的发展到了近代，产生了智能控制这一分支，智能控制包括最优控制、鲁棒控制神经网络控制、自适应控制等。其控制对象可以是已知系统，也可以是未知系统，这里包括系统参数未知和系统状态未知。智能控制中的大多数控制策略不仅能抑制外界干扰、周围环境变化、系统参数变化的影响，而且能有效消除模型化误差的影响。

……

本书主要分为9章。第1章主要是从宏观的角度讲了一下自适应控制理论提出的背景和意义；第2章讲自适应控制的数学基础；第3章讲实时参数估计；第4章讲模型参考自适应控制；第5章是自校正控制；第6章讲了一些主要的非自适应控制，这部分内容作为基本自适应控制的拓展；第7章讲自适应观测器的设计；第8章列举了几个关于自适应控制理论的应用实例，其主要来自于编者自2010年以来在北京理工大学开设的博士生课程《自适应与鲁棒控制》中的学生根据理论知识后体现出来的分析和解决问题的理论应用过程；第9章是为了能使得学生对理论的理解不仅仅在书本上，而是能从实践出发，因此在本章中我们给出了进行理论实践的硬件平台的基本架构和运行模式，引导学生利用课余时间在学院实验室进行自主的理论实践与探索；这部分主要是结合北京理工大学宇航学院相关专业特色，培养学生后续能利用理论开展航空航天和兵器相关专业的研究实践，在本章中我们给出了半实物仿真平台的构建，以及利用半实物仿真平台进行自适应控制理论应用的实例。第10章给出了开放式的结尾，简单了论述了自适应控制与当前学术前沿的智能化发展方向的关系，目的是引导同学们能利用基础理论进一步的拓展和创新。