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基于 RBF-ARX 模型的倒立摆快速鲁棒 MPC 方法。

RBF-ARX model-based fast robust MPC approach to an inverted pendulum.

机构信息

School of Automation, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China.

School of Automation, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China.

出版信息

ISA Trans. 2019 Oct;93:255-267. doi: 10.1016/j.isatra.2019.02.035. Epub 2019 Mar 8.

DOI:10.1016/j.isatra.2019.02.035
PMID:30876756
Abstract

In general, the online computation burden of robust model predictive control (RMPC) is very heavy, and the mechanical model of a plant, which is used in RMPC, is hard to obtain precisely in real industry. These issues may largely restrict the applicability of RMPC in real applications. This paper proposes a RBF-ARX (state-dependent Auto-Regressive model with eXogenous input and Radial Basis Function network type coefficients) model-based efficient robust predictive control (RBF-ARX-ERPC) approach to an inverted pendulum system, which is a complete and systematic method for designing robust MPC controller because it integrates the RBF-ARX modeling method and a fast RMPC approach. First, based on the offline identified RBF-ARX model without offset term, two convex polytopic sets are constructed to wrap the globally nonlinear behavior of the system. Then, the optimization problem of implementing a quasi-min-max MPC algorithm including several linear matrix inequalities (LMIs) is formulated, and it is solved offline to synthesize a sequence of explicit control laws that correspond to a sequence of asymptotically stable invariant ellipsoids, of which all the optimization results are stored in a look-up table. During the online real-time control, the controller only needs to carry out a simple state-vector computation and bisection search. The proposed approach is applied to an actual linear one-stage inverted pendulum (LOSIP), which is a fast-responding and nonlinear plant. The real-time control experiments demonstrate the effectiveness of the proposed RBF-ARX model-based efficient RMPC approach.

摘要

一般来说,鲁棒模型预测控制(RMPC)的在线计算负担非常重,并且在实际工业中,用于 RMPC 的植物机械模型很难精确获得。这些问题可能会在很大程度上限制 RMPC 在实际应用中的适用性。本文提出了一种基于 RBF-ARX(状态相关的自回归模型,具有外生输入和径向基函数网络类型系数)模型的高效鲁棒预测控制(RBF-ARX-ERPC)方法,用于倒立摆系统,这是一种设计鲁棒 MPC 控制器的完整而系统的方法,因为它集成了 RBF-ARX 建模方法和快速 RMPC 方法。首先,基于没有偏置项的离线识别的 RBF-ARX 模型,构建了两个凸多面体集合来包围系统的全局非线性行为。然后,制定了实施准最小最大 MPC 算法的优化问题,该算法包括几个线性矩阵不等式(LMIs),并离线求解以综合一系列显式控制律,这些控制律对应于一系列渐近稳定的不变椭球,所有的优化结果都存储在一个查找表中。在在线实时控制期间,控制器只需要进行简单的状态向量计算和二分搜索。所提出的方法应用于实际的一阶线性倒立摆(LOSIP),这是一个快速响应和非线性的植物。实时控制实验证明了所提出的基于 RBF-ARX 模型的高效 RMPC 方法的有效性。

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