通过三个案例搞懂极值搜索控制

发布时间: 2024-08-19
来源: 电子工程世界

极值搜索控制是一种基于最优极值搜索的自适应控制算法。它的核心思想是通过优化性能指标来调整控制器的参数,以逐步实现对系统的自适应调节。该算法通常应用于具有不确定参数或无法精确建模的非线性系统中。


极值搜索控制方法可以分为两个阶段:第一阶段是建立系统的数学模型,通过计算性能指标的梯度信息,确定初始控制器的参数;第二阶段是基于迭代寻优的方式,使用最优极值搜索算法不断微调控制器的参数,以实现控制系统的自适应调节。


在极值搜索控制的第二阶段中,常用的寻优算法包括梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法等。这些算法可以根据指定的准则来调整控制器的参数,使得系统的性能指标得到最优化。其中,多参数极值搜索方法是一类基于多参数函数的全局极值搜索算法,可以在保证全局收敛


极值搜索过程

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经过Simulink验证,这种方法可以在未建立模型的情况下搜索到极值点。

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极值搜索控制

下图所示的是应用于控制系统的极值搜索控制的框图。由于ESC需要追踪极小值或者极大值,如果搜索信号过于平滑,则会影响搜索过程,所以相较于上述的极值搜索过程,在控制系统与极值搜索环节之间添加了一个高通滤波器,用于减小来自被控对象的低频干扰对极值搜索过程的影响。

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极值搜索控制属于数据驱动控制方法,不必如同其他控制方法讲述模型建立的过程,因此下面将通过两个具体实例帮助读者理解。

不确定线性系统的自适应增益调整

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该系统应用极值搜索控制方法的框图如下:

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搭建Simulink仿真模型.

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参考输出和实际输出如下所示

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使用极值搜索控制实现防抱死刹车( Anti-Lock Braking )

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使用极值搜索控制实现防抱死刹车的模型如下所示.

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进行Simulink仿真,控制器为

function tau = fcn(v,w,lambda0,vdot,lambda)

m = 400;

B = 0.01;

R = 0.3;

I = 1;

c = 2;

if v<= 0.001

    tau = 0;

end

tau = -c*I*v/R*(lambda-lambda0)-B*w-I*w/v*vdot-m*R*vdot;


仿真结果

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图片通过上述两个仿真案例可知,可总结出极值搜索控制适合于如下几个应用场景:

  • 系统优化过程:代价函数为非线性或非线性系统,用解析的方法不不容易找到代价函数的局部最优.

  • 复杂系统:搜索状态空间找到最优控制策略.

  • 模糊系统:用来找最优解(注意不是模糊控制,指有很多未建模动态的系统).

  • 多变量系统:极值搜索方法可以通过考虑多个变量之间的相互关系,来确定最优控制策略.

极值搜索控制的缺点也十分明显,包括陷入局部最优无法发现全局最优解、搜索过程较慢、对初值的依赖度高、参数的确定。


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