Adaptive Control – Landau, Lozano, M’Saad, Karimi
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Adaptive Control Chapter 11: Direct Adaptive Control 1 Adaptive - - PowerPoint PPT Presentation
Adaptive Control Chapter 11: Direct Adaptive Control 1 Adaptive Control Landau, Lozano, MSaad, Karimi Chapter 11: Direct Adaptive Control 2 Adaptive Control Landau, Lozano, MSaad, Karimi Adaptive Control A Basic Scheme
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Adjustable Controller Plant
+
Performance specifications Controller Design Plant Model Estimation Adaptation loop
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Actuator Sensor PLANT ADC DIGITAL COMPUTER CLOCK r(k) e(k) y(k) y(t) DAC + ZOH u(k) u(t) +
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DAC + ZOH PLANT ADC COMPUTER CLOCK DISCRETIZED PLANT
r(k) e(k) u(k) y(k) y(t) u(t) +
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D/A + ZOH
A/D CLOCK
r(t) u(t) y(t)
r(t)
m m
d −
u(t) y(t) Controller Plant Model +
1 ( ) (
1
− =
−
t y t y q
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1 1
B A
n i i n i i
= =
d –delay (integer multiple of the sampling period)
) ( 1 ) ( 1
1 * 1 1 1 − = − − −
+ = = + q A q q A q a
A
n i i i 1 1 2 1 1 *
... ) (
+ − − −
+ + + =
A A
n n q
a q a a q A ; ) ( ) (
1 * 1 1 1 − = − − −
= = q B q q B q b
B
n i i i
;
1 1 2 1 1 *
... ) (
+ − − −
+ + + =
B B
n n q
b q b b q B
1 1
d − − −
1 1
− −
1
−
1 1 1 − − − −
d
1 1 1 − − − −
z
(Predictive form)
;
1 1 − − → z
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s s
−
τ s s
Fractional delay
1 1 1 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1
− − − − − − − − −
d d
T
T s
−
− =
1
) 1 (
1 T T L
s
e G b
−
− = ) 1 (
2
− =
− T L T T
e Ge b
s
) 1 ( 5 .
1 2 1 2
> − ⇒ > ⇒ > b b zero unstable b b T L
s
x - pole z
1
x
b1 b2 b1 >1 <1
x
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0.5 1
0.2 0.4 0.6 0.8 1 Zero Admissible Zone Real Axis Imag Axis f0/fs = 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1
ζ = 0.1 ζ = 0.2
Admissibility domain for the zeros of the discrete time model
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(q )
S 1 R A B q d
− m m
A B T
) (t r ) 1 ( * + + d t y ) (t u ) (t y
P q
d ) 1 ( + − ) 1 ( + − d
q
m m d
A B q
) 1 ( + −
+
1 1 1 − − −
F D ) ( ) ( ) ( ) 1 (
1 1 *
t r q A q B d t y
m m − −
= + +
1 * 1 1
− − −
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) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (
1 1 * 1 * 1 1 1 1 1 * 1 1 1 1 * 1 1 − − − + − − + − − − + − − − − + − −
= = + = q P q B q B q q P q q R q B q q S q A q B q q H
d d d d CL
) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (
1 1 * 1 1 * 1 1 1 − − − − + − − −
= + q P q B q R q B q q S q A
d
) ( ) ( ... ) (
1 1 * 1 1 1 − − − − −
′ = + + + = q S q B q s q s s q S
S S
n n
1 1 1 1 1 − − + − − −
d
nP = deg P(q-1) = nA+d ; deg S'(q-1) = d ; deg R(q-1) = nA-1
1 1 1 1 1
− − − − −
A A
n n
d d q
− − −
1 1 1
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1 a1 1 a2 a1 : : 1 ad ad-1 ... a1 1 ad+1 ad a1 ad+2 ad+1 a2 . . ... anA . . . . 1 . . . 0 0 1 nA + d + 1
nA + d + 1 d + 1 nA ] ,..., , , ,..., , 1 [
1 1 1 −
′ ′ =
n d T
r r r s s x ] ,..., , ,..., , , 1 [
1 2 1 d n n n T
A A A
p p p p p p
+ +
=
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) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (
1 1 ) 1 ( 1 1 1 1 ) 1 ( 1 − − + − − − − − + − −
= = q P q A q q T q B q A q B q q H
m d m m m d BF
Desired T.F.
1 1 * 1 − − −
) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( 1 ) (
1 1 * * 1 1
t y q R t u q S d t y q P b t u
− − −
− − − + + =
(s0 = b1)
) ( ) ( ) ( ) 1 (
1 1 *
t r q A q B d t y
m m − −
= + +
1 * 1 1
− − −
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Reformulation of the “design problem”: Find a controller which generate u(t) such that:
(in case of correct tuning)
+
r(t) y* (t+d+1) u(t) y(t) S 1
P
) 1 ( + − d
q
) ( ≡ t ε
m m
A B A B q
d
*
) 1 ( + −
P q
d ) 1 ( + −
1 ) 1 (
− + −
d
) 1 ( 1
+ − −
d
) 1 ( 1
+ − −
d
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*
) ( * ) (
1 1 − −
= q B q S ) ( * 1 ) ( ) ( * 1 ) ( ) ( * ) ( * ) ( ) ( ) ( ) (
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 − − − − − − − − − − − − −
+ = + = − = = + q A q q A q P q q P q A q P q R q P q R q q A
1 1 1 2 1 1
1 ) ( ); 1 ( ) ( ) ( ) 1 (
− −
+ = − + + − = + q p q P t u b t u b t y a t y
For d=0 (S’=1) [ ] [ ]
1 1 1 2 1 2 1 1 1
; ) ( ) 1 ( ) 1 ( * ) ( ) 1 ( * ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 ( * ) ( ) 1 ( ) 1 ( * ) 1 ( ) 1 ( a p r b t y r t u b t Py t u t Py t y p t u b t u b t y a t Py t y p t y t y t y P t − = − − − + = = + − + − + + − = = + − + + = + − + = + ° ε
[ ] [ ]
) ( ), 1 ( ), ( ) ( , , ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( * ) (
2 1 2 1 1
t y t u t u t r b b t t y r t u b t u b t y q P
T T T
− = = = + − + = +
−
φ θ φ θ
+
r(t) y* (t+1) u(t) y(t) S 1
P
1 −
q
) ( ≡ t ε
m m
A B A B q *
1 −
P q 1
−
Example: Controller satisfies:
Solve for u(t)
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) 1 ( * ) 1 ( ) ( lim ) 1 ( lim
1
= + − + = +
− ∞ → ∞ →
t y t y q P t
t t
ε ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) 1 ( ) ( ˆ ) 1 ( * ) (
1 2
t b t y t r t u t b t Py t u − − − + =
) ( ), 1 ( ), ( ) ( ; ) ( ˆ ), ( ˆ ), ( ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) 1 ( * ) (
2 1 1
t y t u t u t t r t b t b t t t t y q P
T T T
− = = = +
−
φ θ φ θ ) ( ) 1 ( * ) ( ) 1 ( ) (
1 1
t t y q P t y q P
Tφ
θ = + = +
− −
) ( ) ( ˆ ) 1 ( t t t
Tφ
θ θ ε − = +
) ( ) 1 ( ˆ ) 1 ( t t t
Tφ
θ θ ε + − = +
) (t φ
Objective: Adjustable controller: But for the correct values of controller parameters one has: And therefore one has: Define the a posteriori adaptation error:
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) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 (
2 1 1
t t u b t u b t y a t y
T Pφ
θ = − + + − = +
[ ]
) ( ), 1 ( ), ( ) ( ; ) ( ˆ ), ( ˆ ), ( ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) 1 ( ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) 1 ( ˆ
1 2 1 2 1 1
t y t u t u t t a t b t b t t t t u t b t u t b t y t a t y
T T P T P
− = − = = − + + − = + φ θ φ θ
) ( ) ( ˆ ) 1 ( ˆ ) 1 ( ) 1 ( t t t y t y t
T P P
φ θ θ ε − = + − + = +
) ( ) 1 ( ˆ ) 1 ( ˆ ) 1 ( ) 1 ( t t t y t y t
T P P
φ θ θ ε + − = + − + = +
) ( ˆ ), ( ˆ ), ( ˆ ) ( ˆ ; ) ( ), 1 ( ), ( ) ( ) ( ) ( ˆ ) 1 ( * ) (
2 1 1
t r t b t b t t y t u t u t t t t y q P
T T T
= − = = +
−
θ φ φ θ ) ( ˆ t
P
θ
From
) ( ˆ ) ( ˆ
1 1
t a p t r − =
Plant model (unknown): Adjustable predictor: a priori prediction error: a posteriori prediction error: Compute at each instant t : Adjustable controller:
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) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 1 (
1 2 1 1 1 1 1 2 1 1
t t y p t u b t u b t y a p t y p t y p t u b t u b t y a t y
Tφ
θ + − = − + + − + − = ± − + + − = +
r
[ ]
) ( ), 1 ( ), ( ) ( ; ) ( ), ( ˆ ), ( ˆ ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) ( ) 1 ( ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) ( ) ( ˆ ) ( ) 1 ( ˆ
2 1 1 2 1 1
t y t u t u t t r t b t b t t t t y p t u t b t u t b t y t r t y p t y
T T T
− = = + − = − + + + − = + φ θ φ θ
Plant model (unknown): Re-parametrized adjustable predictor:
) ( ) ( ˆ ) 1 ( ˆ ) 1 ( ) 1 ( t t t y t y t
Tφ
θ θ ε − = + − + = +
) ( ) 1 ( ˆ ) 1 ( ˆ ) 1 ( ) 1 ( t t t y t y t
Tφ
θ θ ε + − = + − + = +
a priori prediction error: a posteriori prediction error:
) 1 ( * ) 1 ( ) ( lim ) 1 ( lim
1
= + − + = +
− ∞ → ∞ →
t y t y q P t
t t
ε
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1 = −
1 1 − −
Parameters change + adaptation
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1 = −
1 1 − −
Constant plant parameters Parameters change + adaptation