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鲁棒性是什么

时间:2022-01-06 12:31 来源:未知 作者:推囧网 人气:
【导读】:鲁棒性是什么意思?鲁棒是Robust的音译,也就是健壮和强壮的意思。它也是在异常和危险情况下系统生存的能力。比如说,计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过...

鲁棒性是什么意思?鲁棒是Robust的音译,也就是健壮和强壮的意思。它也是在异常和危险情况下系统生存的能力。比如说,计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能否不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”,也是指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持其它某些性能的特性。根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。

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简介

在实际问题中,系统特性或参数的摄动常常是不可避免的,产生摄动的原因主要有两个方面:一个是由于测量的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值(标称值),另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。

目前对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统,所涉及的问题包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性(频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标)和不变性原理(自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论)有着密切的联系,内模原理(把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理)的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。早期的鲁棒控制主要硏究小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计理论和方法以及控制器中存在非微有界摄动的非脆弱控制方法。

要建立不确定性系统的分析和设计方法,使系统具有强的鲁棒性。应用反馈来设计鲁棒控制系统是建立在被控对象不完整描述的基础上,这区别于线性多变量控制系统设计,它要求对象的数学模型预先精确已知。

分类

鲁棒性包括稳定鲁棒性和品质鲁棒性。一个控制系统是否具有鲁棒性,是它能否真正实际应用的关键。因此,现代控制系统的设计已将鲁棒性作为一种最重要的设计指标。

为了解决控制系统的鲁棒性问题,近年来主要出现了两个主攻方向:一个是主动式(active)适应技术,即通常称的自适应控制系统设计技术。它应用辨识方法不断了解系统的不确定性,并在此基础上调整控制器的结构与参数,从而使系统满足性能指标要求另一种是被动式(passive)适应技术,即一般称的鲁棒控制设计技术。对具有不确定性的系统设计一个控制器,使系统在不确定性范围内工作时,满足系统的设计性能指标要求。

控制系统的鲁棒性是指系统在不确定性的扰动下,具有保持某种性能不变的能力。如果对象的不确定性可用一个集合描述,考察控制系统的某些性能指标,如稳定性品质指标等,设计一个控制器,如果该控制器对对象集合中的每个对象都能满足给定的性能指标,则称该控制器对此性能指标(特性)是鲁棒的。因此,在谈到鲁棒性时,必须要求有一个控制器,有一个对象集合和某些系统性能对控制系统来说,两个重要的鲁棒概念是:

稳定鲁棒性:一个控制器如果对集合P中的每一个对象都能保证系统稳定则是鲁棒稳定的。

品质鲁棒性:一个控制器如果对集合P中的每一个对象都能保证系统稳定和一种特定品质则认为是品质鲁棒的。

鲁棒控制

鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。鲁棒性一般定义为在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器,它的参数不能改变而且控制性能保证。

鲁棒控制方法,是对时间域或频率域来说,一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型但需要一些离线辨识。一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础,因此一般系统并不工作在最优状态。

鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用,同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。过程控制应用中,某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计,特别是对那些比较关键且(1)不确定因素变化范围大;(2)稳定裕度小的对象。

但是,鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功,就不需太多的人工干预。另一方面,如果要升级或作重大调整,系统就要重新设计。

通常,系统的分析方法和控制器的设计大多是基于数学模型而建立的,而且,各类方法已经趋于成熟和完善。然而,系统总是存在这样或那样的不确定性。在系统建模时,有时只考虑了工作点附近的情况,造成了数学模型的人为简化;另一方面,执行部件与控制元件存在制造容差,系统运行过程也存在老化、磨损以及环境和运行条件恶化等现象,使得大多数系统存在结构或者参数的不确定性。这样,用精确数学模型对系统的分析结果或设计出来的控制器常常不满足工程要求。近些年来,人们展开了对不确定系统鲁棒控制问题的研究,并取得了一系列研究成果。Hoo鲁棒控制理论和μ分析理论则是当前控制工程中最活跃的研究领域之一,多年来一直备受控制研究工作者的青睐。作者通过系统地研究线性不确定系统、时间滞后系统、区间系统、离散时间系统的鲁棒稳定性问题,提出了有关系统鲁棒稳定性的分析和设计方法。

鲁棒控制系统设计

鲁棒控制系统的设计有多种方法,包括根轨迹法、频率响应法和ITAE。鲁棒控制系统设计要完成的两个基本任务是确定控制器结构和调节控制器参数,以获得“最优”系统性能在鲁棒控制系统的设计过程中,通常以假定对受控对象有全面了解为前提的,并且通常是以线性时不变连续模型来描述受控对象。控制器结构的选择一般总是以使系统响应能够满足某种性能判据为出发点。

在很多场合,控制系统的理想设计目标是,系统能精确并及时地重现输入。相应地,系统的Bode图应该非常平整,即具有无限带宽的0dB增益并且相角始终为0。但是由于任何系统都包含有储存能量的电感型或电容型部件,因此,实际中并不存在这样的理想系统。这些储能元件以及它们与耗能部件的联系,决定了系统的动态特性。这样的系统可以相当精确地重现某些输入,但对另外一些输入却完全不能重现,即实际系统的带宽总是有限的。

鲁棒性设计

在通过使产品性能达到目标值并减少它们的偏差来优化设计时,鲁棒设计技术既采用传统的思想,又采用新的思想。以下是这些思想的一部分。

损失函数

损失函数是一个二次式,用来估算均值相对于目标值及产品性能的偏差所带来的成本,这种成本是依据用户认为的产品缺陷,引起的经济损失得来的。传统的方法仅在产品性能超出用户规格要求时,才计算这种损失。鲁棒设计方法在目前产品性能分布(均值附近的分布)的基础上估算这种损失。

正交阵列

正交阵列有几个独特的性质。它们可以在几个范围内作用,但最通常的是在两或三个范围内。它们最重要的一个属性是平衡性:当一列中范围是常数,其它列中的所有其它范围将通过它们的值旋转得到。通过运用阵列的这种平衡性,能有效地确定各因素的影响。

信噪比

信噪比是鲁棒设计实验输出性能偏差的衡量。信噪比(S/N)的目的是把输出性能的重复性表示成一个数。然后可对这个数进行相似的处理,如粘合强度例子中,为提高均值而进行的分析一样。

鲁棒设计实验

进行鲁棒设计实验牵涉到前面提到过的许多质量工程工具的使用。这项工作的成功依赖于小组成员的正确选择、着重对适当的性能进行优化与检测,并且遵循方法学准则。成功进行鲁棒设计实验的步骤如下。

1.问题定义。进行鲁棒设计实验的第一步是勾划出实验的目标,并定义要进行优化的工艺或设计性能。然而每次只能优化一种性能,在进行实验时能测定许多性能,然后分别进行分析。最后的参数选取是各种推荐参数的混合,取决于对每个目标性能水平不同目标的折衷考虑。

产生要优化的产品或设计的界限是很重要的。实验应限制在设计的一个小范围内。换句话说,实验不应试图对产品或工艺的所有步骤进行优化。

2.小组的创立与平稳。应挑选一个项目小组来进行实验和分析。小组应该由具有产品和工艺知识的人员组成,并征求与优化设计有关的所有人员的意见。他们没有必要对与问题有关的学科有深入的技术上的了解,但小组成员应该有进行类似设计的经验。小组应该能通过统计员或曾受过鲁棒设计训练的人员获得统计方法知识和特殊的鲁棒设计技术。

3.参数选取。鲁棒设计方法不包括缩小优化设计的选取参数集的筛选实验。但是,小组成员可能把这个方案当做试验较多的参数或相同参数的不同水平与组合的机会。这种情况下,可能要进行筛选实验以缩小参数的选取。 

鲁棒性应用

在实际中,鲁棒性的应用非常广泛,由于测量的不精确和运行中受环境因素的影响,不可避免地会引起系统特性或参数缓慢而不规则的漂移,所以在应用复杂性范式对各种类型控制系统进行设计时,都要考虑鲁棒性问题。如组织行为管理、制定战略规划、提供决策方案,生态系统的恢复性,动态平衡、遗传网络、遗传变异的阻尼,生物复杂性的发展定向进化进化的自动选择,免疫系统里的分布式反馈。神经系统,计算机网络系统,经济社会系统的经济博弈、社会制度、政治协议、体制机制等等。

值得一提的是,随着金融自由化、全球化的进程,金融创新趋势逐渐加强,金融系统的不确定性明显增加,金融决策环境更加复杂,金融市场环境和金融机构经营特征发生了根本性变化,许多学者加快对金融系统鲁棒性的研究,把研究成果用于投资决策的有效性、金融风险管理、资产配置等方面,取得了明显的效果。

最典型的是应用于复杂适应性系统中。不过,只有当它在一些环境下的使用能够达到用其他方式所不能达到的作用时才会有实际意义。同时还要注意成本与效益问题。作为一个普遍规律,在那些要求对于某些情景具有高容忍性并必然对另一些情景具有低容忍性的鲁棒系统中,存在严格的守恒规律。例如,一个航行器或者是高度易操作的,或者是非常能够抵抗住高射炮射击,但不是两者兼有的;又如经济增长与环境保护存在着博弈问题,经济要较快有序发展,必然要消耗资源并对环境造成一定的影响,而强调环境保护,在某种程度上会制约经济的增长。在设计和使用鲁棒性来解决上述问题时,须要考虑成本与效益问题。

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