基于ESO的水下机器人机械臂系统鲁棒模型预测控制

考虑到海洋环境的复杂性、不确定性及水下机器人机械臂系统(UVMS)的强非线性、强耦合性等特点,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒模型预测控制(RMPC)方法。首先基于UVMS的动力学特性,建立其动力学模型,并忽略不确定项和干扰给出其名义模型系统。然后,基于名义系统设计了RMPC算法。将原系统的不确定项、干扰以及建模误差等影响因素集总为扩张状态,设计了ESO对其进行估计,并在名义模型的RMPC基础上进行了补偿,以得到应用于UVMS系统的RMPC方法。最后通过仿真实验证明,基于ESO的RMPC具有很好的轨迹跟踪性能和抗扰动能力。

一种缩短虚拟编组列车追踪间距的鲁棒模型预测控制方法

作为当前轨道交通的研究热点,虚拟编组列车由多个单元列车借助于车车通信和主动控制构成。虚拟编组列车按照与物理编组列车一致的方式提供运输服务,所有单元列车应整体被视为一列车进行管理和控制。因此,要求单元列车像物理连挂一样保持很小的追踪间距。但由于缺少了车钩进行物理连挂,运行过程中受到的不确定干扰使得实现虚拟编组单元列车小间距安全追踪非常困难。针对该问题,首先提出一种基于分布式鲁棒模型预测控制(RMPC)的虚拟编组列车追踪控制方法,保证虚拟编组列车安全运行以及单元列车追踪间距有界。在此基础上,设计一种基于线性矩阵不等式的优化算法,通过减小RMPC控制误差,达到进一步缩短单元列车的追踪间距的目的。为证明该方法的有效性,仿真了由3辆单元列车构成的虚拟编组列车在一个站间的完整运行过程,并与既有文献中的方法进行了对比。仿真结果显示,单元列车追踪间距可由普通MPC方法下的10 m减小至本方法下的5.05 m,其缩短幅度达到49.5%。实验结果表明,所提出的RMPC方法及其优化算法能够在保证安全运行的前提下缩短虚拟编组单元列车追踪间距。

基于鲁棒模型预测控制的风火储联合系统调频优化策略

与传统火电系统参与调频相比,利用风火储联合系统进行调频在风电消纳率、节能减排等方面有天然的优势。然而,风电的不确定性波动对风火储联合系统参与调频的策略制定提出了挑战。因此,文章提出了一种基于鲁棒模型预测控制的风火储联合系统参与频率调节的优化策略。根据风火储联合系统参与一次调频的工作原理,搭建了含RMPC的风火储联合系统调频框架;分别建立风、火、储的响应模型,计及各元件运行限制与系统一次调频功率平衡等多重约束,构建以风电机组出力不确定性最大的情况下使系统调频成本最低的双层鲁棒优化模型;采用强对偶理论实现min-max双层鲁棒优化模型的单层化,同时采用前向差分法对风电出力和负荷波动的不确定性约束进行线性化改进,实现模型求解的加速;在MATLAB/Simulink中对所提的优化策略进行算例求解分析,证明了所提方法的调频效果具有显著提升。

参数自优化的有人与无人车辆编队鲁棒模型预测控制

为解决有人与无人车辆编队中,有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入对无人车跟踪控制的扰动问题,设计了一种参数自优化的有人与无人车辆编队鲁棒模型预测控制算法。通过采集分析历史数据确定控制器扰动的噪声极值,并经过适度放缩得到其鲁棒边界。设计抑制该扰动的局部反馈鲁棒控制器,并通过贝叶斯优化的方法实现鲁棒边界等控制器参数自优化。基于混合整数线性优化的方法预测有人领航车未来轨迹,并设计鲁棒模型预测控制器实现无人车对有人领航车的跟踪控制。仿真和实车试验结果表明:所设计的鲁棒模型预测控制器在跟踪精度方面相比于传统模型预测控制器有明显的提升;同时该控制器有效地抵抗了来自有人领航车紧急加减速和紧急转向控制输入、无人跟随车系统模型不确定性和外部环境的扰动,振荡情况明显改善,提高了系统的鲁棒性。

基于Tube不变集的鲁棒模型预测控制

针对具有持续有界扰动的线性变参数系统,设计一种基于Tube不变集的鲁棒模型预测控制算法。离线算法结合系统多胞体模型参数变化的影响,构建系统的Tube不变集。在对应标称模型状态变量的多面体不变集算法基础上,得到系统的多面体状态允许不变集序列。在线算法通过强控制优化得到标称模型系统的控制量,以得到符合实际控制过程的系统控制量,给出本算法的详细步骤和系统稳定性证明。仿真结果验证了本算法的有效性,表明本算法将持续有界扰动对系统的影响限制在Tube不变集中,实现了系统的快速稳定控制。

线性变参数系统抗扰动鲁棒模型预测控制

持续有界扰动影响线性变参数系统的稳定性控制,采用基于多面体集的线性变参数系统抗扰动鲁棒模型预测控制算法可扩大系统的控制可行域,实现系统的稳定控制,并减少在线运算量。考虑系统扰动影响和参数不确定性,离线算法得到一系列不变多面体集和对应的控制律。在线算法根据受扰动状态变量在多面体不变集中的位置,在相应离线控制律的凸包内优化出的实际控制律,得到系统的控制输入量。给出算法的详细实施步骤和算法稳定性的证明。通过仿真对比验证算法的有效性,所提出的算法可以实现有界干扰的线性变参数系统控制的快速性和稳定性。

不确定滞后系统的鲁棒模型预测控制

对于输入受约束的离散不确定滞后系统,提出鲁棒模型预测控制方法,其中不确定性存在于系统的状态矩阵和输入矩阵当中,且满足范数有界条件。用LMI解决滞后系统的不确定性和约束,针对滞后系统给出了新的鲁棒性能指标上界和系统稳定的充分条件,通过求解LMI凸优化得到状态反馈控制律,对提出的方法进行了数字仿真研究,结果表明,基于 LMI约束不确定滞后系统的鲁棒模型预测控制易于求解,适于实际应用。

饱和约束系统的鲁棒模型预测控制

针对饱和约束系统提出了一种鲁棒模型预测控制算法,分别考虑了多面体不确定性和结构反馈不确定性.考虑无穷时域的最坏二次性能指标,通过采用带有饱和特性的反馈控制结构,将控制律的求解转化为一个在线的线性矩阵不等式优化问题.初始时刻优化问题的可行性保证了闭环控制系统的鲁棒稳定性.最后的仿真结果说明了算法的优越性.

一类干扰有界约束非线性系统的鲁棒模型预测控制

针对一类干扰有界约束非线性系统设计了基于控制不变集切换策略的鲁棒模型预测控制算法.针对非线性系统线性化之后的结果,给出了平衡点的非线性标称系统控制不变集的计算方法.然后在考虑线性化误差和加性有界干扰影响的基础上,构造了平衡点附近最小鲁棒正不变集.结合不变集切换策略和Tube不变集控制方法,提出了干扰有界约束非线性系统的不变集切换策略.最后将该算法应用到一类典型的非线性化工过程连续搅拌反应釜(CSTR)中,仿真结果验证了算法的有效性.

采用鲁棒容许集对有约束的不确定系统作鲁棒模型预测控制

针对输入和状态受约束的干扰有界多胞不确定线性系统,提出了基于鲁棒容许集的扩大吸引域鲁棒模型预测控制(RMPC)方法.首先给出了多面体不变集的鲁棒容许集计算方法,并推导了鲁棒容许集存在的充分必要条件.其次,为了拓展Tube不变集鲁棒模型预测控制算法的适用范围,讨论了干扰有界多胞不确定线性系统的Tube不变集控制策略.之后为了扩大约束系统吸引域,提出了干扰有界多胞不确定系统的鲁棒容许集模型预测控制策略.通过采用鲁棒容许集和Tube不变集RMPC,该方法不仅扩大了吸引域,而且降低了在线计算量;同时,采用基于最小鲁棒正不变集的Tube不变集策略保证了算法的鲁棒性.最后仿真结果验证了算法的有效性.

基于观测器的鲁棒模型预测控制算法

对于含有未建模动态的输入受限离散时间线性系统 ,当系统状态不可测时 ,提出一种基于状态观测器的鲁棒模型预测控制算法。该算法采用双模控制结构 ,将不变椭圆集同时应用于估计状态方程和误差方程 ,保证算法的稳定性和可行性 。

一类离散不确定系统的Tube不变集离线鲁棒模型预测控制

针对一类输入和状态受限的离散线性不确定系统,提出了一种基于Tube不变集的离线鲁棒模型预测控制方法.首先针对输入和状态约束线性时不变标准系统,设计了改进的基于多面体不变集的离线模型预测控制算法,并证明了稳定性.其次对于存在未知有界干扰的实际不确定系统,引入了Tube不变集策略,通过设计对应标准模型的最优控制序列和状态轨迹,给出了实际不确定系统的离线Tube不变集控制策略,保证系统状态鲁棒渐近稳定,并收敛于终端干扰不变集.仿真结果验证了该控制方法的有效性.

输入受限时滞系统的鲁棒模型预测控制

对于输入受限的不确定时滞系统,提出鲁棒模型预测控制方法。当预测状态在不变集之外时,采用双模控制结构,在固定的控制律上引入额外变量保证了输入可行性。为保证闭环系统稳定性,基于Lyapunov-Lrasovskii函数构造了时滞系统特定的鲁棒不变椭圆集,并将椭圆集的设计转化为线性矩阵不等式的凸求解问题。该方法很多计算可以离线进行,从而减少了在线计算量。最后通过仿真验证了该方法的有效性。

离散不确定时滞系统的鲁棒模型预测控制

对于输入受约束的不确定时滞系统 ,提出了离散不确定时滞系统的鲁棒模型预测控制 ,用LMI解决时滞系统的输入受约束控制 ,给出了新的鲁棒性能指标上界和系统稳定的充分条件 ,通过求解LMI凸优化获得状态反馈控制律 ,仿真验证了该方法的有效性 .结果表明 ,基于LMI约束不确定时滞系统的鲁棒模型预测控制易于求解 ,适于实际应用 .

具有饱和执行器跳变系统的鲁棒模型预测控制

针对一类具有饱和执行器的不确定离散Markov跳变系统,提出鲁棒模型预测控制器设计方法。为便于工程应用,考虑被控跳变系统各模态下的动态系统参数以及各模态间的跳变转移模态均存在不确定性的情形,这些不确定性均以凸多面体的形式给出。预测控制器的求解通过在每一个采样时刻优化无穷时域的最坏二次性能指标实现,该预测控制序列在每个采样时刻表现为具有饱和特性的状态反馈控制律,从而使得所形成的闭环系统鲁棒均方稳定。为方便求解,将控制器的求解转化为以线性矩阵不等式形式给出的正半定规划(SDP)问题。数值示例验证了所提方法的有效性。

基于扩展线性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制

提出了一种基于扩展线性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制器的综合方法。通过引入松弛矩阵变量,实现了Lyapunov矩阵变量与系统矩阵的解耦,提供了额外的设计自由度,同时也降低了Lyapunov变量的保守性;通过将提出的方法应用于某型飞机综合飞行/推进控制系统的纵向控制律设计,并与传统的鲁棒模型预测控制方法进行对比仿真,检验了所提出方法的有效性和优越性。

基于可达集的鲁棒模型预测控制

设计了一种基于可达集的鲁棒模型预测控制算法.首先确定了一个鲁棒不变集,并将此不变集用作模型预测控制的终端约束集:接着采用终端约束集对可达集的包含度作为优化指标;最后,采用预测时域逐渐减小的控制策略以保证在线优化存在可行解.从理论上证明了吸引域内的任意点在有限时域内都会被引导至终端约束集并始终停留在此集之内,并由仿真算例验证了本文所设计鲁棒模型预测控制算法的可行性.

基于Tube不变集的直流微电网鲁棒模型预测控制

由多个分布式发电单元(Distributed Generation Units,DGUs)互联组成的直流微电网中,DGU的投入或退出使微电网结构具有不确定性。针对这一问题,将基于Tube不变集的鲁棒模型预测控制策略应用于直流微电网,离线设计,在线实时控制,使直流微电网在结构具有不确定情况下的状态始终收敛于终端干扰不变集,保证DGU投入或退出时直流微电网的母线电压稳定。首先分析了系统的状态方程,并推导出线性化模型。然后设计鲁棒模型预测控制器。最后利用Matlab进行数值仿真,验证了该控制方法的可行性。

基于LMI的DC/DC变换器鲁棒模型预测控制

在实际运行中,电磁干扰等因素的影响会导致DC/DC变换器的输出电压不稳定且纹波较大,系统性能较差,进而会对后级载荷的安全稳定运行产生非常不利的影响。为了解决这个问题,提出将基于线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的鲁棒模型预测控制(robust model predictive control,RMPC)策略应用于DC/DC变换器的控制中。首先根据DC/DC变换器的运行状态写出在1个周期内的开关管导通和关断2种情况下的状态方程,并将其推导为状态空间平均模型;然后针对DC/DC变换器设计反馈控制,并求得对应的反馈控制律;最后设计一种将观测器嵌入反馈控制中的控制器,利用MATLAB对该控制器进行数值仿真。仿真结果表明所提出的基于LMI的RMPC策略可以使DC/DC变换器的输出电压质量满足要求,同时保证系统的鲁棒稳定性,验证了该控制策略的可行性。

含混合式配电变压器的主动配电网电压鲁棒模型预测控制

混合式配电变压器(hybrid distribution transformer,HDT)能够替代传统配电变压器,在配电网中实现无功功率动态调节,从而提升电能质量。为了将HDT应用于主动配电网电压无功优化场景,对其拓扑结构以及运行机理进行分析,由此推导其可控无功功率范围。以稳定节点电压和控制成本最小化为目标,建立含多台HDT的无功动态优化模型。为解决动态优化模型存在由于线路参数误差所导致的模型不确定性问题,设计一种鲁棒模型预测控制策略。通过确定模型不确定性的边界,将含不确定性约束的优化问题转化为Min-Max问题,并最终转化含二阶锥约束的二次规划问题。在有效应对模型不确定性影响的同时,实现优化问题高效求解。在改进后的IEEE 33节点系统上的测试结果,验证了所提控制策略的有效性和鲁棒性。