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。

考虑侧风稳定性的汽车轨迹跟踪自适应时域模型预测控制

为扩展模型预测控制的应用场景,提高智能汽车在极端风环境下的轨迹跟踪精度,提出了一种考虑侧风稳定性的自适应时域控制方法。首先,以跨海桥梁上轿车超车过程为研究对象,采用汽车空气动力学与系统动力学耦合方法建立轿车超车的侧风稳定性分析模型;接着,建立汽车侧偏安全风险模型,以侧偏风险等级、车速及横向误差为参考设计时域自适应调节器,实现预测时域和控制时域的动态调节;最后,采用CarSim和Simulink搭建联合仿真场景,通过五次多项式规划超车轨迹,验证控制器的跟踪精度及鲁棒性。结果表明:与固定时域及变权重模型预测控制器相比,改进后的控制器可以更好地抵抗“风-车-桥”的气动干扰,以较低的实时性代价提高了车辆轨迹跟踪精度,汽车侧风稳定性得到明显提升。

显式非线性车辆稳定性预测控制模型保真度分析

为了同时兼顾车辆运动控制与控制分配,并且考虑模型可信度的影响,提出了一种显式非线性车辆稳定性预测控制模型保真度分析方法。利用多参数非线性规划问题的多参数二次规划逼近算法生成显式解,基于最优控制问题,结合运动控制和控制分配方面,提出了一种显式非线性模型预测控制车辆稳定性控制方法。进一步通过驻留试验中的客观指标对不同预测模型的控制器进行评估。最后通过仿真实验可以得到模型保真度对显式非线性模型预测车辆稳定性控制器性能的影响。

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。

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。

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。

基于约束最优模型预测抗干扰的槽式太阳能集热场出口温度控制方法研究

槽式太阳能集热场出口温度的控制对槽式太阳能发电系统的安全性和经济性至关重要。通常,集热场出口温度要求维持在设定值附近或跟踪设定值变化,但是集热场中存在的变量约束和多源扰动增加了该控制目标实现的难度。为此,该文提出一种约束最优模型预测抗干扰控制方法,首先通过模型转化将多源扰动重构为单一集总扰动并设计扩张状态观测器估计该集总扰动,进而提出一种稳态目标值动态优化方法以兼顾变量约束、抗干扰和设定值跟踪等多重控制性能,并提出一种带扰动补偿的最大受控容许集构造方法将无穷数量约束转换为有限数量约束,采用双模态控制策略求解等效二次规划型约束优化问题。最后,仿真结果表明,与对比控制方法相比,该方法虽然牺牲了一定运行速度,但能在控制作用及其增量满足约束进而保证系统安全性的前提下,以较小的超调量和动态偏差实现对复杂光照强度变动、集热场入口温度波动、导热油流量波动以及参数摄动等扰动的有效抑制和设定值跟踪的控制目标。该方法可用于解决包括槽式太阳能集热场在内的一类热工对象变量受限下的多源扰动抑制和设定值跟踪问题。

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。

四轮轮毂驱动车辆横向稳定性的底盘协同控制

为了改善四轮轮毂驱动车辆的横向稳定性,本文提出一种综合转矩协调和主动后轮转向的底盘协同控制策略。该策略旨在跟踪期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角的同时,有效抑制车身侧倾。基于轮毂电机驱动产生的垂向反力特性,设计了车辆纵向、横摆和侧倾运动的转矩协调解耦控制策略。为降低车辆横向动力学建模时忽略的非线性因素及模型不确定性对控制性能的影响,面向底盘协同控制设计了一种基于扰动观测器的模型预测控制方法,对非线性特性和不确定性进行估计和补偿。同时开展了硬件在环测试,通过双移线工况验证了所提出方法的有效性。结果表明,所提出的底盘协同控制策略能够有效提升车辆的横向稳定性,并减小车身侧倾运动;包含扰动观测的控制策略相比于无扰动观测补偿,对期望横摆角速度和质心侧偏角的跟踪误差分别降低了56.9%和27.3%,而车身侧倾角和侧倾角速度分别降低了8.9%和12.5%。

高速汽车侧风稳定性控制

针对汽车在侧风环境中容易失稳的问题,基于模型预测控制(model predictive control,MPC)理论提出了一种分层式直接横摆力矩控制(direct yaw moment control,DYC)策略,以使得汽车突遇侧风干扰时能够较好地维持稳定性。上层控制器依据MPC理论精确计算并输出必要的横摆力矩,以确保车辆稳定行驶并将其传递给下层控制器;下层控制器接收到横摆力矩后,将横摆力矩精确地分配到每个车轮上。为验证所设计的MPC直接横摆力矩控制器的性能,采用Carsim与Simulink联合仿真平台进行仿真,并与基于滑模控制理论的控制器进行对比分析。结果表明:本研究提出的基于MPC的控制器,控制效果优于滑模控制器,有效提高了汽车的侧风稳定性。

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。