1  引言

    “全系數自適應控制方法”是在實(shí)際工程應用中總結提出的，最初發(fā)表于1981年的《控制工程》、1985年的《自動(dòng)化學(xué)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(shí)用性很強的自適應控制理論和方法[1~3]。本方法已在五類(lèi)對象三百多個(gè)控制系統中得到了成功應用。

2  方法的基本特點(diǎn)

    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(xiě)成如下的統一形式：

        (3)

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

    ① 方程（3）右邊系數之和等于1；

    ② 系數、的范圍可事先確定；

    ③ 可進(jìn)行黃金分割自適應控制律設計。

2.1  系數之和等于1

    若被控對象動(dòng)力學(xué)過(guò)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之和等于1。

    ① 當系統靜態(tài)增益（）等于1時(shí)，系數之和等于1。

    對線(xiàn)性定常系統，當靜態(tài)增益等于1時(shí)，意味著(zhù)穩態(tài)時(shí)  ，將此關(guān)系代入式（3），可得系數之和等于1。
        (4)

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

        (5)

    由上述研究可知，系數之和是否等于1關(guān)鍵在靜態(tài)增益 ， 與 無(wú)關(guān)，一般表達形式可寫(xiě)成：

        (6)

上述結論的證明見(jiàn) [1]。

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

2.2  系數（，）范圍可事先確定

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

    當參數范圍確定后，參數估計就不單純由數學(xué)上參數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，其參數估計必須加合理的限制。

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

2.3  黃金分割自適應律

    有了系數之和等于1和參數范圍的確定，為自適應控制設計帶來(lái)了很大方便。但還不能保證在過(guò)渡過(guò)程階段參數未收斂到“真值”情況下系統一定穩定。為解決這一問(wèn)題，經(jīng)煉油廠(chǎng)加熱爐溫度控制等工程實(shí)際的反復調試與多次實(shí)驗，提出了黃金分割比（0.382/0.618）與最小方差自適應調節器相結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(guò)大量仿真與實(shí)際應用的驗證，表明本自適應控制律具有特殊的優(yōu)越性，即很強的魯棒穩定性。1992年在理論上又進(jìn)一步證明了上述黃金分割自適應控制律的魯棒穩定性，即對可寫(xiě)成（1）式且又能簡(jiǎn)化為二階模型形式的對象，按系數之和等于1設計，并?。?IMG style="border:1px solid #000" src="http://fcfhome.com/gjuser/upload/2006621162021886.gif" border=0>，）的范圍作參數估計的約束條件，不管參數估計是否收斂到“真值”，都可保證系統在過(guò)渡過(guò)程階段閉環(huán)穩定。

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

3  工程應用

3.1  一般介紹

    使用全系數自適應控制方法可以保證對一大類(lèi)參數未知對象在閉環(huán)控制時(shí)系統穩定，特別是無(wú)需人們到現場(chǎng)試湊調試就可以保證在控制啟動(dòng)階段具有良好的穩定性和過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)。這些優(yōu)點(diǎn)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(shù)、煉油廠(chǎng)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(gè)控制系統中的得到了成功應用，具體情況見(jiàn)[1]至[7]。

這五類(lèi)對象的特點(diǎn)如下：

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

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

    ?啤酒發(fā)酵控制，其特點(diǎn)是內發(fā)熱、時(shí)滯和時(shí)間常數在不同工況下不一樣，它的控制要求是嚴格跟蹤工藝曲線(xiàn)；

    ?造紙機水分基重控制其基本特點(diǎn)雙輸入、雙輸出耦合控制，其難點(diǎn)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(diǎn)是多回路耦合，希望跟蹤曲線(xiàn)有突變性，有三角型等各種不同波形。

3.2  臺車(chē)式電阻爐自適應控制工程應用

    ⑴ 對象分析

    臺車(chē)式電阻爐是靠強電加熱，對爐內鋼材進(jìn)行淬火加溫，整個(gè)電阻爐爐體很大（爐體結構見(jiàn)圖1），分四個(gè)溫區，要求四個(gè)區按同一條工藝曲線(xiàn)升降溫度（見(jiàn)圖2），區間溫差不能大于5℃。

圖1  爐體示意圖



圖2  工藝曲線(xiàn)

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

        （8）

    ⑵ 測定最小等效時(shí)間常數，根據實(shí)際過(guò)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(shí)間

    在開(kāi)始控制時(shí)，加額定功率控制量使溫度開(kāi)始上升至穩態(tài)誤差值的 值時(shí)的時(shí)間，由可計算取整，本系統。

    ⑸ 控制方法設計原理見(jiàn)圖3。它由參考模型、全量參數估計和誤差方程參數估計、輸出預報、控制決策四部分組成?？刂茮Q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。

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

   整個(gè)系統設計簡(jiǎn)單、調試方便，深受工程技術(shù)人員的歡迎，該系統從1990年開(kāi)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  結束語(yǔ)

    全系數自適應控制方法理論上證明了在線(xiàn)性定常情況下可用，而實(shí)際工程中一批非線(xiàn)性對象也取得了很好的應用結果。特別說(shuō)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，具體內容見(jiàn)[4]。

    全系數自適應控制方法目前正向工業(yè)和航天控制領(lǐng)域進(jìn)行更進(jìn)一步的應用推廣，現己成功地完成了五類(lèi)航天器控制的仿真。

【參考文獻】

    1  吳宏鑫著(zhù), 全系數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(dòng)化學(xué)報，1999年1月，Vol．25．No．1

    5  鐘國民等，啤酒發(fā)酵全系數自適應控制，自動(dòng)化學(xué)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，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(dòng)化學(xué)報，1999年第三期

    作者簡(jiǎn)介

    吳宏鑫，1965年畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)控制系，現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“全系數自適應控制方法”于1984年獲國家發(fā)明三等獎。