دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس...

46

description

دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387. MPC with Laguerre Functions-2. کنترل پيش بين-دکتر توحيدخواه. Example 3. - 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 1387
Page 2: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

دانشگاه صنعتي اميركبيردانشكده مهندسي پزشكي

استاد درسدكتر فرزاد توحيدخواه

1387بهمن

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

MPC with Laguerre Functions-2

Page 3: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 3

Illustrate that as N increases, for a given Laguerre pole a, the control trajectory converges to the optimal solution generated by using a linear quadratic regulator. Use the same system and design parameters as in Example 2, where the augmented system model is described by the matrices:

We use the MATLAB program called ‘dlqr’ to find the state feedback control gain matrix K as:

K = [0.8350 0.6113].

Page 4: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The sum of squared errors between the DLQR and DMPC trajectories is:

Page 5: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 6: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 4. Continue the study from Example 3.3 with the identical system and design parameters, except that the weight on the control is reduced from R = 1 to R = 0.1. Examine the incremental control trajectory u(ki +m) for this performance specification, and compare the trajectory with the one from DLQR solution.

Page 7: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The optimal control gain vector:

Page 8: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

• With a smaller weight R = 0.1, the feedback control gain K has increased from that in Example 3. The DLQR control trajectory has faster response speed.

Page 9: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 10: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 11: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Closed-loop Poles of a DLQR System

Page 12: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

In the DLQR design, when we choose Q = CTC, the closed-loop poles are uniquely determined by the weighting parameter R = rω > 0 in the single inputand single-output case with their values given bythe inside-the-unit-circle zeros of the equation:

Page 13: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

In the multi-input and multi-output case:

Page 14: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Verify this property by re-examining solutions from the previous examples 2, 3, 4.

Page 15: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The zeros are 1.5589 ± j0.9563, 0.4661 ± j0.2859 from which the closed-loop poles of the DLQR system are found to be 0.4661 ± j0.2859. We reduced R from 1 to 0.1,

The zeros are 1.8228 ± j2.3858, 0.2022 ± j0.2647 from which the closed-loop poles of the DLQR system are found to be 0.2022±j0.2647. Indeed, these poles confirmed with the computation of the actual closed-loop poles through the system matrix A−BKlqr.

Page 16: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

When the weight parameter R is reduced, the closed-loop poles move towards the origin of the complex plane, hence the closed-loop response speed is faster, as we have observed from the responses in the examples.

Page 17: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Use of Laguerre Parameters as Tuning Parameters

Page 18: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The choice of a scaling factor a and a smaller N for the Laguerre functions affects the closed-loop performance of the DMPC system, although for a large N the performance converges to the underlying optimal DLQR system. However, when N is small, the potential here is to use a as the performance fine-tuning ‘knob’.

Page 19: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 5.

Page 20: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Examine the effect of parameter a and N on the closed-loop performance. Assume at time ki = 10, x(ki) = [0.1 0.2 0.3]T .

Page 21: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Case A. We fix the parameter N with a large value (N = 8), and vary the pole location α by choosing α = 0, α = 0.4, and α = 0.8. Table 3 shows the comparison results for the cases where N is large while a changes. It is seenfrom Table 3 that the closed-loop predictive control system is very similar to the underlying DLQR system and the effect of α is quite small when N is large.

Page 22: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Table 3- Closed-loop eigenvalues and feedback gain vector when N = 8 and α varies from 0 to 0.8

Page 23: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Case B. For the second case, we fix N with a smaller value (N = 2), and vary the parameter α. Table 4 summarizes the comparison results. It is seen that with a smaller N, the closed-loop poles and gain of the predictive control system are functions of the Laguerre pole α.

Page 24: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Table 4. Closed-loop eigenvalues and feedback gain vector when N = 2 and α varies from 0 to 0.9

Page 25: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

We observe that the parameters α and N affect the closed-loop control performance, particularly when N is small. This is particularly useful in the situation when the optimal DLQR system does not provide us with satisfactory performance, and these additional tuning parameters help us with fine tuning of the closed-loop performance.

Page 26: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Constrained Control Using Laguerre Functions

Page 27: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

With parameterization of the control signal trajectory using Laguerre functions, we have the flexibility to choose the locations of the future constraints.This could potentially reduce the number of constraints within the prediction horizon, and hence the on-line computational load for large-scale systems.In addition, because of the existing exponential decay factor in the Laguerre functions, the difference of the control signal is ensured to converge to zeroafter the transient period. Thus, it is sufficient in the majority of cases that the constraints are imposed in the transient period of the response. This in turn will reduce the number of constraints.

Page 28: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

1 Constraints on the Difference of the Control Variable

Page 29: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 30: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 31: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 6. Suppose that a continuous-time system is described by the transfer function

Page 32: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Optimal solution without constraints. Key: line (1) DMPC; line (2) DLQR

Page 33: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

It is seen from this figure that with this choice of α and N, without constraints, the responses are almostidentical. Incidentally, if the parameter α = 0, which corresponds to the traditional approach, then N is required to be approximately 40 in order to achieve similar performance. To ensure that the constraints are satisfied for the whole response, the first 15 samples of u are put into the constrained solution.

Page 34: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Optimal solution with constraints

Page 35: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The constrained results within one optimization window.Although there are 30 constraints imposed, there are only three active constraints, which can be found through visual inspection of Figure 3.10a. The first two samples and the 17th sample are the activated constraints in the solution. By comparing Figure 3.10 with Figure 3.9 it can be seen that activated constraints resulted in little performance deterioration.

Page 36: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

2 Constraints on the Amplitudes of the Control Signal

Page 37: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 38: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 7

Page 39: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Optimal solution with constraints on u. Key: line (1) without constraints; line (2) with constraints

Page 40: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 41: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 42: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

It is seen from Figure b that some of the constraints on the control signal were not met. By studying the multipliers, it is noticed that there were eight active constraints and the multipliers could not converge because the active constraints were in conflict. The values of the positive multipliers are listed after 88 iterations in the calculation as:

Page 43: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Numerically, the Mact matrix has row dependence, and as a result, the constraints are compromised (see Figure 12). One comment relates to the number of constraints used in this example. Although there are 192 constraints used in the optimization, there are only 8 active constraints. The rest of the constraints are inactive and have no effect on the optimal solution. Because of receding horizon control, where thefirst sample of the optimal control

is implemented, so from this point of view, only the constraint on the first sample had an effect in this example.

Page 44: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 45: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 46: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Stability Analysis