دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس...

63

description

دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389. MPC Stability-1. کنترل پيش بين-دکتر توحيدخواه. Discrete-time MPC with Prescribed Degree of Stability. کنترل پيش بين-دکتر توحيدخواه. Finite Prediction Horizon: Re-visited. Example 4.1. . - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس...

Page 1: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389
Page 2: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

دانشگاه صنعتي اميركبيردانشكده مهندسي پزشكي

استاد درسدكتر فرزاد توحيدخواه

1389بهمن

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

MPC Stability-1

Page 3: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

Discrete-time MPC with Prescribed Degree of Stability

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 4: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Finite Prediction Horizon: Re-visited

Example 4.1.

Page 5: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Condition number of the Hessian matrix increasesas the prediction horizon Np increases.

Page 6: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Origin of the Problem

Using Laguerre functions (for real time):

Page 7: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

When there is an integrator in the system matrix A, the norms of the matrix power ||Am|| and the convolution sum ||φ(m)|| do not decay to zero, as m increases.Thus, the magnitudes of the elements in Ω increase as the prediction horizon Np increases. Hence, if the prediction horizon Np is large, a numerical conditioning problem occurs. This problem exists in the majority of the classical predictive controllers formulations, including GPC and DMC.

Page 8: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Traditional solution (previous chapter):

Use of an inner-loop state feedback stablization that may compromise the closed-loop performance when constraints become active, or the use of prediction horizon Np and control horizon Nc as the tuning parameters

Page 9: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Idea basis:

For a large Np, a large number is divided by another large number. This numerical problem becomes severe when the plant model itself is unstable, or when the dimension of the matrix A is large.

Page 10: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Solution:

1- Improving the numerical condition of MPC algorithms without guaranteeing closed-loop stability.

2- Asymptotic stability

3- Create a prescribed degree of closed-loop stability for the predictive control algorithm.

Page 11: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Use of Exponential Data Weighting

Page 12: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Continuous-time (in the LQR design):

eλt

Discrete-time:

{αj, j = 0, 1, 2 . . .},

α = eλt with t being the sampling interval.

Page 13: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Cost Function:

α = 1 the cost function becomes identical to the traditional cost function.

Page 14: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Exponentially Increasing Weight (α < 1):

Exponential weights α−2j , j = 1, 2, . . . ,Np, de-emphasizes the state x(ki + j | ki) at the current time and places emphasis on those at the future time.

Page 15: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Exponentially Decreasing Weight (α >1):

Exponential weights α−2j , j = 1, 2, . . . ,Np, more emphasizes the state x(ki + j | ki) at the current time and less emphasis on those at the future time.

Page 16: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Optimization of Exponentially Weighted Cost Function

Page 17: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 18: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Weighted incremental control:

Weighted state variable:

Page 19: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Theorem 4.1. The minimum solution of the exponentially weighted cost function J can be found by minimizing:

Page 20: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Example 4.2.

Consider the same double-integrator system given in Example 4.1. Examine how the parameter α used in the weighting affects the numerical condition and closed-loop control performance with constraints on the amplitude of the control signal as (only impose constraints on the first sample of the control)

α = 1/1.2 (exponentially increasing weight), α = 1 (no exponential weighting) and α = 1.2 (exponentially decreasing weighting)

Page 21: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 22: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 23: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

1- with exponentially increasing weighting, the Hessian matrix is poorly conditioned even for short predictionhorizon;

2- without exponential weighting the condition number increases rapidly as the prediction horizon increases.

3- with exponentially decreasing data weighting, the condition number converges to a finite value and is much smaller than the one obtained without using exponential weighting.

Page 24: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Obviously, it is not feasible to use exponentially increasing weighting in this context, as the numerical condition rapidly deteriorates as prediction horizon increases, when α < 1.

Page 25: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Interpretation of Results from Exponential Weighting

Page 26: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

The key point is that by transforming the exponentially weighted cost function to the traditional cost function, the augmented state-space model:

maximum modulusof all eigenvalues < 1

If

Page 27: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

With this simple modification, intuitively we understand that there is no guarantee on the closed-loop stability with an arbitrary choice of α > 1.

However, when α is chosen to be slightly larger than one for the class of stable plants with embedded integrator, the closed-loop predictive systems are often found to be stable with Q = CTC and a diagonal R matrix with small positive elements.

Page 28: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

For the first time, the prediction horizon Np can be selected to be sufficiently large to approximate the infinite prediction horizon case. Thus with Q ≥ 0 and R > 0, and sufficiently large (Np→∞), minimizing

is equivalent to the discrete-time linear quadratic regulator (DLQR) problem.

Page 29: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

The traditional DLQR problem is solved using the algebraic Riccati equation

controllable observable

Page 30: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

closed-loop system:

Because

Page 31: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

if

closed-loop system is stable.

Page 32: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Second method:

For stability

Page 33: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

By choosing α > 1, there is no guarantee that the closed-loop of the original system will be stable. But, if α is chosen to be slightly larger than unity, thenthe closed-loop system A−BK would often be stable.

Indeed, a large number of simulation tests show that this simple modification usually produces a stable closed-loop system, if the unstable modes from the augmented model come from the embedded integrators. However, a proper choice of the weightmatrices Q and R is important to create the degree of stability 1 − ε for the transformed system.

Page 34: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Asymptotic Closed-loop Stability with Exponential Weighting

Page 35: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Modification of Q and R Matrices

Basic idea:

The exponentially decreasing weight α > 1 increased the magnitudes of the actual closed-loop eigenvalues by the α factor. If the new Q and R matrices are selected to decrease the magnitudes of the eigen-values of the exponentially weighted system by a factor of α−1, then the magnitudes of the actual closed-loop eigenvalues become unchanged

Page 36: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Theorem 4.2.

Page 37: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 38: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Interpretation of the Results

The essence of the results lies in the fact that the two cost functions lead to the same optimal control. However, the commonly used cost function is limited to a finite prediction horizon for the class of predictive control algorithms that have embedded integrators. In contrast, the exponentially weighted cost function removes the problem because the model used in the prediction is modified to be stable using the factor α. As a result, the prediction horizon Np can be selected to be sufficiently large without numerical problems. Hence, asymptotic closed-loop stability is guaranteed

Page 39: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Example 4.3. Consider the simple double-integrator system described in 4.1

Design a MPC with an integrator for disturbance rejection,

Calculate the closed-loop eigenvalues, gain matrix via the cost function using exponential data weighting with α = 1.6 and compare the results with the case without weighting (α = 1)

Page 40: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

With exponential data weighting

Page 41: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 42: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 43: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 44: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Without exponential data weighting (α = 1)

Page 45: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 46: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

MIMO system

Page 47: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Example 4.4.

Page 48: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 49: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 50: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 51: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 52: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 53: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 54: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 55: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

دانشگاه صنعتي اميركبيردانشكده مهندسي پزشكي

مبحث پايداریتنظيم

سجاد جعفرياستاد درس

دكتر فرزاد توحيدخواه1387بهمن

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 56: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

پايداری

MPC( خواص ny , nu با تغيير افق ها )متفاوت مي شود. يعني مثالً مي تواند حتي

پايدار و ناپايدار شود

خطي هنوز در حوزه پايداري و MPCحتي مقاوم بودن آن داراي مسائل جديد است

غيرخطي مسائل فوق حادتر شده و MPC در خطي MPCموضوعات جديدتري نسبت به

وجود دارد

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 57: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

GPCروشهای بررسی پايداري

سيستم 1 قطبهاي كردن )پايدار كالسPيك -روشهاي حلقPه بسPته )يPا مقاديPر ويژPه سPيستم حلقPه بسPته(( اگر قطب هPا يPا مقاديPر ويژPه در داخPل دايره واحPد بود سيستم پايدار اسPت. در غيPر ايPن صPورت سPيستم ناپايدار است.

(z=1)پايدار مرزي

بPا محدوديت MPC-حPل 2 هزينPه همراه تابPع بPا مقيPد حالت نهايي صفر

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 58: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

اشكاالت

(Hard Constraints)پيچيدگي روش ناشي از محدوديت سخت 1.

. خطاي آفست در خروجي2

(u. اشباع در ورودي )3

. امكان نرسيدن به پاسخ مطلوب4

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 59: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

GPCروشهای بررسی پايداري

- روش لياپانوف3

شبيه 4 روش -سازي

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 60: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

پايدار است اگر براي هر مربوط به :تعريف

:وجود داشته باشد به طوريكه مقدار

0X )(xfX 0

)(

ttXX ||)(|| ||)(||

روش لياپانوف

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 61: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

روش لياپانوف

پايدار اگر اسPت ناپايدار .نباشد 0X مربوط به :تعريف )(xfX

0X مربوط به :تعريف )(xfX پايدار مجانبي است اگر پايدار باشد

را چنان يافت كهو بتوان ttxX )( ||)(||

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 62: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

قضيه لياپانوف

روش لياپانوف

xfX)( يكي از نقاطP تعادل x=0فرض كنيد باشد. در اين صورت اگرVتابعي پايدار لياپانوفي است اگرx=0 باشد، آنگاه V(x)>0 پيوسته و مشتق پذير باشد و

) عالوه بر آن پايدار مجانبي است اگر ) 0V x ( ) 0V x

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

Page 63: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1389

مثال

روش لياپانوف

)()( kAxkx 1)( )()( PXxPkpxkxV TT

)()()()()()( kPxkxkPxkxkVkVV TT 111

QkxPPAAkxkPxkxkPAxAkxQ

TTTTT )()()()()()()(

Q.بايد منفي معين باشد

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه