拘束条件と可変ダイナミクスを含む非線形系の実時間最適制御アルゴリズム

具有约束和可变动态的非线性系统的实时最优控制算法

基本信息

批准号：
15760319
负责人：
大塚敏之
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では,非線形モデル予測制御(Receding Horizon制御)の実時間アルゴリズムに対する改良を行った.モデル予測制御とは,各時刻で有限時間未来までの最適制御問題を解き,得られた最適制御の初期値のみを実際の制御入力として用いるフィードバック制御手法である.計算量の大きい非線形最適制御問題を実時間で解かなければならないため実装が困難だったが,代表者が効率的なアルゴリズムを近年提案し,いくつかの適用例によって有効性を示した.ただし,拘束条件や可変ダイナミクス等を含む複雑な問題では数値計算が発散してしまう場合もあったので,本研究では計算精度と安定性の向上に重点を置いた.平成15年度には,解くべき問題を数値計算に適した形へ等価変換する前処理と呼ばれる手法を導入してある程度の精度向上に成功した.そして,ひもでつながれたホバークラフト模型の曳航制御実験に前処理を適用し,従来は不可能だった計算が実装可能となることを示した.平成16年度には,さらに精度を向上させるため,最適化問題の定式化自体を見直した.従来は制御入力の系列のみを最適化問題の未知変数としてシステムの状態や共状態は入力の関数と見なしていたが,状態と共状態も未知変数として扱えば,最適性条件の誤差が多数の条件に分散されて誤差の下限値が減少するため,結果的に精度の向上が期待される.そのような定式化を数値計算によって評価したところ,従来の定式化では計算が破綻するが新たな定式化によって初めて計算可能となる例が確認された.したがって,問題のサイズ増大が問題にならない範囲においてではあるが,定式化の変更によって計算限界を一層広げることができた.以上と異なるアプローチで拘束条件を扱う例として,デザー衛星の力学を利用した切替制御則を提案し,衛星をつなぐデザー(ひも)を切れた場合でも母船との衝突回避が保証できることを示した.

在本研究中，非线性模型预测控制（Receding我们改进了Horizon控制的实时算法）。模型预测控制是反馈控制，它解决了未来有限时间内每次最优控制问题，并且仅使用获得的最优控制的初始值作为它是一种控制方法，由于需要实时求解大量计算的非线性最优控制问题，因此实施起来很困难，但代表们最近提出了一种有效的算法，并通过几个应用实例证明了其有效性。我展示了然而，在涉及约束、变量动力学等复杂问题中，数值计算有时会出现发散，因此在本研究中我们重点关注提高适合数值计算的计算精度和稳定性功率问题。通过引入一种称为预处理的方法，对形状进行等效转换，我们成功地在一定程度上提高了精度。我们还将预处理应用于通过绳子连接的气垫船模型的拖曳控制实验，并且能够实现以前的计算什么是可能的。 2004财年，我们修改了优化问题的表述，以进一步提高精度。按照惯例，优化问题中仅将控制输入的序列视为未知变量，系统的状态和共状态是我认为的。是输入的函数，但是如果状态和共状态也被视为未知变量，则最优性条件中的误差分布在许多条件上，降低了误差的下限，因此，精度有望提高。这样通过数值计算评估发现，我们已经确认了新公式计算失败的情况，但使用新公式第一次变得可计算。因此，虽然问题规模的增加不是问题，但更改公式可以进一步推动计算极限。作为使用与上述不同的方法处理约束条件的示例，我们提出了一种利用抖动卫星动力学的切换控制律，即使连接卫星的抖动（串）也可以避免与母船相撞我们已经证明我们可以保证这一点。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

前処理付きC/GMRESアルゴリズムによる曳航系の非線形Receding Horizon制御

使用带有预处理的 C/GMRES 算法的拖曳系统的非线性后退地平线控制

DOI：
发表时间：
2004
期刊：
第4回計測自動制御学会制御部門大会資料
影响因子：
0
作者：
谷田拓磨;大塚敏之
通讯作者：
大塚敏之

An optimal path generator using a receding horizon control scheme for intelligent automobiles

DOI：
10.1109/cca.2004.1387604
发表时间：
2004-09
期刊：
Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Control Applications, 2004.
影响因子：
0
作者：
T. Kawabe;H. Nishira;T. Ohtsuka
通讯作者：
T. Kawabe;H. Nishira;T. Ohtsuka

大塚敏之: "はめ込みによるモデル構造簡略化の代数的特徴づけ"計測自動制御学会論文集. 39・12. 1117-1123 (2003)

Toshiyuki Otsuka：“通过插入简化模型结构的代数表征”仪器与控制工程师学会会刊 39・12（2003 年）。