一类带有输入和状态约束的非线性稳定性约束模型预测控制的研究

在稳定性约束模型预测控制中，稳定性约束可从一级传递到另一级来限制用可控结构形式表示的系统状态向量大小。本文探讨了把线性模型预测控制扩展到非线性稳定性约束模型预测的控制（ＳＣＭＰＣ）；在扩展的情况下，模型预测控制的最优化可直接用于非线性系统模型的控制，同时提供了稳定性约束模型预测控制用于带有输入和状态约束的非线性系统控制算法并将该算法用于仿真。仿真结果表明该算法是有效的。

基于模型预测控制的分布式驱动底盘转向稳定性控制研究

针对分布式驱动移动底盘转向时稳定性较差与响应速度慢的问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)方法的移动机器人底盘转向控制策略.上层控制器基于7自由度动力学模型,以最优横摆角速度、质心侧偏角和侧向车速为目标,考虑多种约束,采用二次规划算法求解移动机器人底盘输出的合力矩,并转化为车轮转角进行控制输入.下层控制器将根据最佳滑移率求解驱动力及制动力.最后,采用CarSim与Simulink开展联合仿真,搭建实车验证平台,选取正弦线和双移线工况展开实车实验,结果表明基于MPC的分布式驱动移动底盘转向稳定性控制策略是有效性的.

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λ_(i)为0.25,预测时域N_(p)为10,控制时域N_(c)为9,仿真测试文章方法与不带观测器的非线性预测控制方法(NMPC),验证文章控制方法的有效性和优越性。

基于电机参数失配的模型预测转速控制系统运行稳定性研究

随着模型预测控制方法广泛应用于电机系统,电机控制性能显著提高,但电机参数失配等因素会影响模型预测控制系统运行性能,甚至会导致系统运行不稳定,相关运行稳定性问题缺乏深入研究。以永磁同步电机为控制对象,分析参数失配对模型预测转速控制系统运行稳定性的影响,针对传递函数和Lyapunov理论的局限性,提出一种基于状态方程的模型预测转速控制系统运行稳定性分析方法,探究模型参数失配对电机系统稳定运行区域的影响规律,并进一步明确系统稳定运行的边界条件,分析表明电机系统运行稳定性主要受电机电感和转动惯量影响。搭建永磁同步电机驱动系统实验平台验证了运行稳定性结论的正确性,研究结论能够为电机系统的稳定运行提供支撑,推动模型预测控制理论在电机领域的发展和应用。

融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性模型预测控制研究

提出了一种融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性前馈+反馈控制方法。建立车辆预瞄模型,通过汽车在环境感知时的前视行为,引入道路曲率作为车辆动力学特性的影响因素。基于在前视信息指导下的车辆位姿变化,根据道路附着能力和车速指数模型描述期望纵向车速,建立轮胎侧偏刚度补偿的稳定性前馈控制方法。同时,采用模型预测控制(MPC)设计稳定性反馈控制律,根据车辆的预瞄信息自适应调整预测模型参数和预测时间,消除前馈控制误差及路面扰动等不确定性因素带来的影响。研究结果表明,本文提出的控制策略下汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧向加速度小,且跟踪精度更高。仿真试验中,相比于无控制、MPC反馈控制与前馈+定参数MPC反馈控制,本文提出的控制策略在双移线工况1下质心侧偏角峰值分别减小了41.3%、28.9%和10.0%,横摆角速度峰值分别减小了18.0%、6.7%和2.0%,双移线工况2下质心侧偏角峰值分别减小了27.2%、8.7%和8.0%,横摆角速度峰值分别减小了16.9%、12.9%和8.6%;相比于MPC反馈控制与前馈+定参数MPC反馈控制,在蛇行工况1下,质心侧偏角峰值分别减小了49.8%与34.8%,横摆角速度峰值分别减小了21.8%与12.7%;在蛇行工况2下,质心侧偏角峰值分别减小了36.6%和18.6%,横摆角速度峰值分别减小了17.7%和12.4%。

基于主动容错滑膜预测的太阳能发电稳定性全局控制研究

采用目前方法对太阳能发电系统的稳定性进行控制时,无法获取控制器上的控制律,故障预测结果出现偏差,导致现有方法存在波动大、振荡次数多和容错性差的问题。提出基于主动容错滑膜预测的太阳能发电稳定性全局控制方法。利用灰色预测模型预测太阳能发电系统中存在的故障,据此获得控制器的控制律后,建立主动容错滑膜控制器,对太阳能发电系统进行全局控制,以提高太阳能发电系统的稳定性。实验结果表明:在发电机电压突然上升工况下,所提方法可在3 s之内使发电机端电压增量稳定在1.1 V,在4.5 s内使发电机功角稳定在20 rad;在线路三相短路工况下,所提方法可在2 s之内使发电机端电压增量稳定在1.0 V,同一时间内发电机功角稳定在60 rad。所提方法的临界切除时间最低为0.167 s,最高为0.190 s,与文献方法相比,临界切除时间更高,说明该方法的容错性更好。

基于紧约束鲁棒模型预测控制的无人车辆轨迹跟踪控制

针对无人驾驶车辆的轨迹跟踪问题,基于车辆非线性动力学模型,设计了一种紧约束鲁棒模型预测控制(MPC)方法。首先,利用魔术公式轮胎模型,结合车辆3自由度系统,构建了具有有界干扰的车辆线性离散误差模型;其次,采用紧约束控制策略设计系统的鲁棒优化问题;最后,通过在线优化得到最优控制序列,并离线构造之后多个时刻满足约束条件的可行控制序列。仿真结果表明,所提算法能够使车辆稳定快速跟踪上参考轨迹并有效提高系统计算资源利用率。

基于主动后轮转向的车辆稳定性控制策略

为实现四轮轮毂电机驱动车辆的操纵稳定性控制,提出了主动后轮转向和附加横摆力矩复合控制策略。针对高速行驶转向灵敏度大的问题,对前后轮转向比进行优化。策略采用分层式控制框架,上层基于线性时变模型预测控制算法,建立了四轮轮毂驱动车辆时变预测模型,推导和跟踪包含后轮转向系统的理想输出轨迹,并计算了跟踪理想状态轨迹所需附加力和力矩。下层通过求解四轮转矩分配优化问题,实现了滑移率阈值控制,解决了再生制动和机械制动的分配问题。仿真结果表明,提出的复合控制策略能够达到预期控制效果,改良了车辆横纵向稳定性。

基于模型预测的侧风稳定性主动前轮转向控制研究

受侧风影响,高速行驶的车辆易偏离预定行驶轨迹,增加驾驶员“误操作”的风险,存在较大安全隐患,为此,该文开展了车辆侧风稳定性主动控制研究。该研究通过建立附加气动力作用的三自由度整车动力学模型,设计主动前轮转向的车辆侧风稳定性模型预测控制器,并搭建SimulinkCarSim联合仿真平台进行验证分析。结果表明,在单向侧风工况和交变侧风工况下,带侧风稳定控制的车辆最大侧向偏移量为0.01 m,远低于无控制时的偏移量;横摆角速度平台值保持在“0”左右,横摆角速度峰值最高降低了80%,极大地提高了车辆的侧风稳定性。

基于可拓相平面稳定域划分的Tube-MPC车辆稳定性控制

针对分布式四轮驱动电动车辆在极限工况下稳定性控制难题,考虑了横摆角速度、横纵向加速度等传感器噪声以及质心侧偏角估计误差的影响,提出了基于可拓理论的相平面稳定域划分方法以及自适应管道模型预测控制(ATMPC)算法,以快速量化车辆稳定性程度,并在满足跟踪精度的前提下保证车辆行驶的稳定性。所设计的车辆横摆稳定性控制系统采用分层设计架构,其中上层基于可拓理论,将车辆质心侧偏角-橫摆角速度相平面与可拓控制域相关联,并根据车辆实际状态判断可拓控制域并计算关联函数,实现了下层的管道模型预测控制(TubeMPC)控制目标权重与控制模式的决策;下层基于Tube-MPC对期望横摆角速度和质心侧偏角进行跟踪,实现附加横摆力矩的精准决策,之后采用轮胎负荷率优化方法进行横摆力矩的分配。通过CarSim与Simulink软件联合仿真,对所设计的控制策略进行仿真验证。结果表明,相较于常规MPC算法,所提出的控制架构与ATMPC控制策略能够有效提升车辆在极限工况下的行驶稳定性以及噪声干扰环境下的鲁棒性。

面向车辆操纵稳定性的主动差速器模型预测控制

本文中基于主动差速器技术提出一种提高车辆横摆/车身侧偏操纵稳定性的模型预测控制算法。首先,考虑主动差速器和车轮的动力学特性,建立双轴车辆的动力学预测模型。接着,将模型预测控制问题转换为标准的二次规划问题,并利用内点法求解主动差速器的控制力矩。最后,利用Simulink相关工具箱和Carsim软件对提出的模型预测控制器性能进行联合仿真验证。结果表明,采用主动差速器模型预测控制能有效提高车辆在低附着路面上的操纵稳定性。

约束非线性系统理想点多目标安全预测控制

考虑具有状态和控制约束的仿射非线性系统多目标安全控制问题,本文提出一种保证安全和稳定的多目标安全模型预测控制(MOSMPC)策略.首先通过理想点逼近方法解决多个控制目标的冲突问题.其次,利用控制李雅普诺夫障碍函数(CLBF)参数化局部控制律,并确定系统不安全域.在此基础上,构造非线性系统的参数化双模控制器,减少在线求解模型预测控制(MPC)优化问题的计算量.进一步,应用双模控制原理和CLBF约束,建立MOSMPC策略的递推可行性和闭环系统的渐近稳定性,并保证闭环系统状态避开不安全域.最后,以加热系统的多目标控制为例,验证了本文策略的有效性.

具有稳定性的约束预测控制

通过对不稳定模型的一个简单分解处理 ,得到了一种能够满足输入约束条件的稳定的广义预测控制器 ,并说明了只要约束假设满足一定的合理性条件 ,对于不稳定对象总存在渐近稳定的控制律 ,同时降低了计算复杂度 .

基于模型预测控制的车辆轨迹跟踪稳定性研究

因车辆的实际行驶环境非常复杂,导致车辆轨迹跟踪算法的稳定性问题成为智能驾驶技术发展的重点和难点之一。然而,目前基于模型预测控制的车辆轨迹跟踪算法在车辆轨迹预测求解过程中,二次规划方程变量上下限设置不当可能会产生预测轨迹偏离期望轨迹的问题。针对这一问题,基于车辆的2自由度动力学模型,建立了运动学的空间状态方程,提出了基于车辆2自由度动力学模型的车辆轨迹预测改进算法,采用MPC控制算法,建立以控制增量和状态增量为变量的优化控制目标,并根据文献中的车辆机械特性极限和车辆纵横向综合能力实验数据对模型添加适当的控制增量约束和状态增量约束,通过滚动优化和反馈校正实现轨迹跟踪,解决了车辆轨迹预测求解过程中二次规划方程变量上下限设置不当导致的车辆预测轨迹偏离期望轨迹的问题。研究结果表明:基于车辆横向动力学模型的车辆轨迹预测改进方法可以更加准确地预测车辆轨迹,并能更加稳定地跟踪期望轨迹。

约束预测控制的可行解与稳定性

针对工业过程控制中广泛存在的约束问题，给出了混合约束状态反馈预测控制算法，进而研究了闭环系统的稳定性及其与预测控制优化问题可行解的关系。

低附着系数路面车道保持模型预测控制及汽车稳定性控制

提出了车道保持模型预测控制算法。在低附着系数路面上分析了双移线工况下转向角和侧向加速度二次低通滤波之差的峰值与汽车失稳程度之间的关系,基于可测信号(转向角、侧向加速度、横摆角速度和车速)提出了模糊控制算法,设计了汽车稳定性控制器。为了阻止低速和不严重失稳工况下汽车稳定性控制器的误启动,提出了不稳定指标模糊控制算法;为了避免汽车稳定性系数急速减小,设计了稳定性系数保持器。CarSim/Simulink仿真结果表明,在低附着系数路面上所设计的转向控制器和汽车稳定性控制器具有更好的车道保持能力和稳定性。

非参数模型预测控制系统的预测二次稳定性

提出了预测二次稳定性（ＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＱｕａｄｒａｔｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙ，ＰＱＳ）概念，利用有界不确定对象的非参数模型和预测状态反馈，研究了系统ＰＱＳ成立的充要条件，并从理论上给出了严格的证明，同时给出了确定反馈阵的Ｒｉｃｃａｔｉ不等式．证明了具有ＰＱＳ系统的闭环输入输出稳定性，从理论上解决了一类简单。

基于多参数控制的分布式驱动电动汽车操纵稳定性控制策略研究

为改善高速低附着路面上的车辆动力学性能,本文针对分布式驱动电动汽车提出一种基于多参数控制的操纵稳定性控制策略,包括上层轨迹跟踪控制和下层转矩分配控制。上层控制器设计基于2自由度车辆模型和驾驶员预瞄偏差模型,提出了MPC轨迹跟踪控制策略,实现对侧向偏差、横摆角偏差、质心侧偏角、横摆角速度的多参数控制。下层控制器以轮胎负荷率最小为优化目标,获得4个车轮电机转矩的最优分配量,借助于7自由度动力学模型,在双移线、蛇行工况下完成了CarSim-Simulink联合仿真。结果表明:提出的控制策略改善了高速、低附着工况下的操纵稳定性和轨迹跟踪精度。

考虑车辆侧偏刚度变化的MPC稳定性控制方法

针对侧向行驶车辆易发生转向失稳,构建了一种考虑轮胎侧偏刚度变化的车辆稳定性控制方法,以避免轮胎侧向力饱和,提高行车安全性.采用前、后轴轮胎侧偏角分段拟合方法建立轮胎侧偏刚度拟合模型,将拟合过的侧偏刚度引入到车辆动力学模型中,准确描述车辆当前的动态性能.为了避免轮胎侧向力饱和引起的转向失稳,本文提出一种基于模型预测控制(model predictive control,MPC)算法的前后轴约束的轮胎侧偏角的车辆稳定性控制方法,以优化车辆的转向性能.仿真结果表明,车辆稳定性控制方法能够将前后轴的轮胎侧偏角抑制在一定范围内,根据侧偏刚度的变化,避免车辆侧滑现象的发生,提高了车辆的稳定性.

地形跟随中航迹跟踪模型预测控制方案设计

针对地形跟随飞行中的航迹跟踪问题,设计了航迹跟踪模型预测控制器,并讨论了模型预测控制中时域参数切换的自适应方案设计。首先,结合被控对象的特点,设计了用于实现全局稳定跟踪参考航迹的模型预测航迹控制器,并对控制器展开了稳定性分析。然后,充分发挥模型预测控制的预测能力,进行了航迹跟踪方法和综合误差评价策略设计。同时,通过分析不同航迹段的跟踪需求,设计了自适应调整模型预测控制中时域参数的优化方案。仿真验证结果表明,自适应方案相比固定时域方案航迹跟踪精度更高、飞行颠簸小、稳定性好,预设的评价指标函数能有效评估跟踪性能。