标称系统约束紧缩原理

一、Minkowski 和与差

1.1 Minkowski 和

定义(Minkowski 和):两个集合 的 Minkowski 和定义为:

几何意义:将集合 沿 的所有点平移后取并集。

示例:

1.2 Minkowski 差

定义(Minkowski 差):两个集合 的 Minkowski 差定义为:

等价定义:

几何意义:从 中”侵蚀”掉所有可能被 占据的部分。

示意图:

  A          A ⊖ B
┌─────┐     ┌───┐
│  ┌──┼─┐   │   │  ← 收缩后的集合
│  │  │ │   │   │
└──┼──┘ │   └───┘
   └────┘
   B (扰动集)

1.3 多面体的 Minkowski 运算

命题:对于多面体 和 :

Minkowski 和: 仍是多面体,但表示复杂。

Minkowski 差:若 是有界多面体,则:

其中 是逐元素计算的最大值。


二、状态约束紧缩

2.1 原始约束与紧缩约束

原始状态约束:

误差不变集:

紧缩状态约束:

2.2 紧缩量计算

定义紧缩向量:

其中最大值是逐元素计算的:

紧缩约束:

2.3 箱型约束示例

原始约束:

误差集:

紧缩约束:

紧缩量:(误差集的最大范围)


三、输入约束紧缩

3.1 原始输入约束

原始约束:

实际控制律:

3.2 紧缩推导

为保证 ,需:

即:

定义紧缩输入约束:

3.3 紧缩量计算

输入紧缩向量:

紧缩约束:

3.4 箱型输入约束示例

原始约束:

输入紧缩:


四、终端集紧缩

4.1 标称终端集

标称终端集 通常选为控制不变集:

4.2 鲁棒终端集

鲁棒终端集 需考虑误差:

性质:若 且 ,则 。

4.3 椭球终端集示例

标称终端集:

误差不变集:

紧缩终端集(保守近似):

其中 。


五、紧缩约束的保守性

5.1 保守性来源

来源说明
最坏情况扰动 考虑所有可能误差
固定反馈增益 固定,不能在线调整
集合近似 的数值近似可能保守

5.2 保守性与性能权衡

设计保守性性能
大扰动集 高低
紧终端集 高低
大反馈增益 低( 小)可能高增益代价

5.3 减小保守性的方法

方法 1:优化反馈增益

选择 使得 最小:

方法 2:时变 Tube

允许 Tube 截面 随时问变化,初始较大,逐渐收敛。

方法 3:弹性 Tube

允许暂时违反约束,但加入惩罚项。


六、数值示例

6.1 系统参数

约束:,

扰动:

6.2 反馈增益设计

选择 ,则 (稳定)。

6.3 误差不变集

6.4 紧缩约束

状态约束:

输入约束:

6.5 保守性分析

约束原始范围紧缩后范围收缩比例
13%
33%

七、总结

概念公式
Minkowski 差
状态紧缩
输入紧缩
终端紧缩
紧缩量

核心结论

约束紧缩的原理:

  1. Minkowski 差:数学工具,计算”安全”区域
  2. 状态紧缩: 保证
  3. 输入紧缩: 保证
  4. 保守性:紧缩导致可行域缩小,需权衡鲁棒性与性能

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2026-04-10初始版本