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1  引言

    “全系數(shù)自適應控制方法”是在實際工程應用中總結(jié)提出的，最初發(fā)表于1981年的《控制工程》、1985年的《自動化學報》。歷經(jīng)多年的研究和應用，逐步完善和提高，形成了一套完整的實用性很強的自適應控制理論和方法[1~3]。本方法已在五類對象三百多個控制系統(tǒng)中得到了成功應用。

2  方法的基本特點

    假設被控對象用如下方程表示

        (1)
    或：
        (2)

    其相應的差分方程形式可寫成如下的統(tǒng)一形式：

        (3)

    基于上述線性定常（或慢變）被控對象的全系數(shù)自適應控制方法，其基本特點是：

    ① 方程（3）右邊系數(shù)之和等于1；

    ② 系數(shù)、的范圍可事先確定；

    ③ 可進行黃金分割自適應控制律設計。

2.1  系數(shù)之和等于1

    若被控對象動力學過程能用微分方程式（1）或式（2）描述，則相應的差分方程式（3）在下述兩種情況下右邊系數(shù)之和等于1。

    ① 當系統(tǒng)靜態(tài)增益（）等于1時，系數(shù)之和等于1。

    對線性定常系統(tǒng)，當靜態(tài)增益等于1時，意味著穩(wěn)態(tài)時  ，將此關系代入式（3），可得系數(shù)之和等于1。
        (4)

    ② 當采樣周期 →0，其靜態(tài)增益 ，且有界，則系數(shù)之和的極限等于1。 

        (5)

    由上述研究可知，系數(shù)之和是否等于1關鍵在靜態(tài)增益 ， 與 無關，一般表達形式可寫成：

        (6)

上述結(jié)論的證明見 [1]。

    系數(shù)之和等于1的結(jié)果可保證系統(tǒng)在利用任何線性反饋控制時，其全部未知系數(shù)（，）都可在線辨識并可收斂到“真值”，為參數(shù)估計和控制器設計帶來了極大方便。

2.2  系數(shù)（，）范圍可事先確定

    系數(shù)之和等于1的實現(xiàn)，對于任何線性定常微分方程式采樣周期 按式（9）的原則選取，則系數(shù)（ ， ）范圍就可事先確定，具體證明及確定計算見[1]。

    當參數(shù)范圍確定后，參數(shù)估計就不單純由數(shù)學上參數(shù)估計的計算公式所決定，它必須受此范圍約束。工程上應用的自適應控制，其參數(shù)估計必須加合理的限制。

    參數(shù)估計初始值選取，也不能象一般自適應控制那樣從零開始，而是按黃金分割在確定的范圍內(nèi)選定，因此估計參數(shù)能較小地偏離真實參數(shù)，從而有利于自適應控制在過渡過程階段的應用。

2.3  黃金分割自適應律

    有了系數(shù)之和等于1和參數(shù)范圍的確定，為自適應控制設計帶來了很大方便。但還不能保證在過渡過程階段參數(shù)未收斂到“真值”情況下系統(tǒng)一定穩(wěn)定。為解決這一問題，經(jīng)煉油廠加熱爐溫度控制等工程實際的反復調(diào)試與多次實驗，提出了黃金分割比（0.382/0.618）與最小方差自適應調(diào)節(jié)器相結(jié)合的黃金分割自適應控制律設計方法，具體形式如下：

    （7）

    其中，。經(jīng)過大量仿真與實際應用的驗證，表明本自適應控制律具有特殊的優(yōu)越性，即很強的魯棒穩(wěn)定性。1992年在理論上又進一步證明了上述黃金分割自適應控制律的魯棒穩(wěn)定性，即對可寫成（1）式且又能簡化為二階模型形式的對象，按系數(shù)之和等于1設計，并取（，）的范圍作參數(shù)估計的約束條件，不管參數(shù)估計是否收斂到“真值”，都可保證系統(tǒng)在過渡過程階段閉環(huán)穩(wěn)定。

    在上述三大特點基礎上，再加上邏輯積分和邏輯微分等新措施，則系統(tǒng)不但可保證過渡過程穩(wěn)定，而且有良好品質(zhì)。

3  工程應用

3.1  一般介紹

    使用全系數(shù)自適應控制方法可以保證對一大類參數(shù)未知對象在閉環(huán)控制時系統(tǒng)穩(wěn)定，特別是無需人們到現(xiàn)場試湊調(diào)試就可以保證在控制啟動階段具有良好的穩(wěn)定性和過渡過程品質(zhì)。這些優(yōu)點是目前其它自適應控制方法難以做到的。目前，已在空間技術、煉油廠加熱爐、啤酒和制藥發(fā)酵、造紙機水分和基重、以及多回路瞬態(tài)熱流跟蹤控制等300多個控制系統(tǒng)中的得到了成功應用，具體情況見[1]至[7]。

這五類對象的特點如下：

    ?空間技術中空間環(huán)境模擬器的控制，它的特點是大滯后，而且每次運行滯后時間不同，對象方程參數(shù)未知，且靜態(tài)增益隨工作點不同而不同，呈非線性特征；

    ?煉油廠加熱爐自適應控制，其特點是強干擾零均值與非零均值的階躍性質(zhì)，一旦干擾出現(xiàn)，要最快消除，保持輸出溫度平穩(wěn)，系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)保證穩(wěn)定精度就是經(jīng)濟效益；

    ?啤酒發(fā)酵控制，其特點是內(nèi)發(fā)熱、時滯和時間常數(shù)在不同工況下不一樣，它的控制要求是嚴格跟蹤工藝曲線；

    ?造紙機水分基重控制其基本特點雙輸入、雙輸出耦合控制，其難點在于大滯后、小慣性且有干擾；

    ?多回路瞬態(tài)熱流跟蹤控制，其特點是多回路耦合，希望跟蹤曲線有突變性，有三角型等各種不同波形。

3.2  臺車式電阻爐自適應控制工程應用

    ⑴ 對象分析

    臺車式電阻爐是靠強電加熱，對爐內(nèi)鋼材進行淬火加溫，整個電阻爐爐體很大（爐體結(jié)構(gòu)見圖1），分四個溫區(qū)，要求四個區(qū)按同一條工藝曲線升降溫度（見圖2），區(qū)間溫差不能大于5℃。

圖1  爐體示意圖



圖2  工藝曲線

    每一個溫區(qū)都可用一個帶滯后二階差分方程描述，溫區(qū)間的互相影響可作干擾處理，對象方程可寫作如下形式：

        （8）

    ⑵ 測定最小等效時間常數(shù)，根據(jù)實際過程經(jīng)驗可估計。

    ⑶ 選擇采樣周期，一般取。

       （9）

    ⑷ 一次性確定滯后時間

    在開始控制時，加額定功率控制量使溫度開始上升至穩(wěn)態(tài)誤差值的 值時的時間，由可計算取整，本系統(tǒng)。

    ⑸ 控制方法設計原理見圖3。它由參考模型、全量參數(shù)估計和誤差方程參數(shù)估計、輸出預報、控制決策四部分組成。控制決策包括跟蹤控制律、邏輯積分律、反饋控制律、輸入變換即靜態(tài)增益倒數(shù)。

    為使跟蹤工藝曲線理想和消除回路間干擾，本系統(tǒng)加入了簡單的邏輯積分律。

   整個系統(tǒng)設計簡單、調(diào)試方便，深受工程技術人員的歡迎，該系統(tǒng)從1990年開始一直運行至今，取得很好的經(jīng)濟效益。

圖3 控制方法設計原理框圖

4  結(jié)束語

    全系數(shù)自適應控制方法理論上證明了在線性定常情況下可用，而實際工程中一批非線性對象也取得了很好的應用結(jié)果。特別說明的是在本方法基礎上最近又發(fā)展了一種新的控制方法即“基于對象特征模型描述的智能控制”方法，具體內(nèi)容見[4]。

    全系數(shù)自適應控制方法目前正向工業(yè)和航天控制領域進行更進一步的應用推廣，現(xiàn)己成功地完成了五類航天器控制的仿真。

【參考文獻】

    1  吳宏鑫著, 全系數(shù)自適應控制理論及其應用, 國防工業(yè)出版社,1990年11月

    2  Wu Hongxin and Sa Zhi-tian，An All-Coefficients Identification Adaptive Control Method and Its Applications，Automatic Control World Congres，1987 （in tenth volumes，IFAC Proceeding series，1988，Number 15）

    3  Yong chun Xie，Hongxin Wu and Zhenduo Lu，The All-Coefficients Adaptive Control Method and its Application in Spacecraft. Attitude Control, Space Technology， volume 16，number 5/6，September/November 1996

    4  吳宏鑫等，基于對象特征模型描述的智能控制，自動化學報，1999年1月，Vol．25．No．1

    5  鐘國民等，啤酒發(fā)酵全系數(shù)自適應控制，自動化學報，1987年.13(6):441~444

    6  牛培峰等，采用國產(chǎn)75t/h循環(huán)流化床鍋爐的單元機組氣壓自適應控制系統(tǒng)，控制理論與應用，1998年第一期

    7  袁斌等，液壓釜自適應預測控制，自動化學報，1999年第三期

    作者簡介

    吳宏鑫，1965年畢業(yè)于清華大學自動控制系，現(xiàn)為北京控制工程研究所研究員、博士生導師，主要從事自適應控制和智能控制的研究工作，他提出的“全系數(shù)自適應控制方法”于1984年獲國家發(fā)明三等獎。