扰动不变集与实际轨迹可行性保证

一、扰动不变集的性质

1.1 鲁棒控制不变集

定义(鲁棒控制不变集):集合 称为系统 的鲁棒控制不变集,如果:

物理意义:一旦状态进入 ,存在控制律使其永远留在 内,无论扰动如何。

1.2 误差不变集

误差动态:

定义(误差不变集):集合 称为误差动态的鲁棒不变集,如果:

1.3 最小不变集

定义(最小鲁棒不变集 MRPI):

显式公式:

收敛条件:(谱半径小于 1)


二、不变集的计算方法

2.1 迭代算法

算法(多面体不变集计算):

输入:A_K = A-BK, W, X, U
输出:E (不变集近似)

1. 初始化:E₀ = {0}
2. For k = 0, 1, 2, ...:
   E_{k+1} = conv(E_k ∪ (A_K E_k ⊕ W))
   If E_{k+1} = E_k (或数值收敛):
       Return E = E_k

其中 表示凸包。

2.2 有限步终止条件

命题:对于某些系统,不变集可在有限步内精确计算:

终止条件:

2.3 椭球不变集

命题:若 ,则不变集可近似为椭球:

Lyapunov 方程: 满足

其中 与 相关。

2.4 数值工具

工具功能
MPT3 (MATLAB)多面体运算、不变集计算
YALMIP优化建模、LMI 求解
PPL精确多面体运算

三、鲁棒递归可行性

3.1 定义

定义(鲁棒递归可行性):Tube MPC 问题是鲁棒递归可行的,如果:

其中 是鲁棒可行域。

3.2 鲁棒可行域

定义:

其中 是标称 MPC 的可行域。

展开:

3.3 可行性传递机制

命题:若 Tube MPC 在时刻 可行,则在时刻 仍可行。

证明思路:

  1. 时刻 :存在标称轨迹 和控制
  2. 实际控制:
  3. 实际状态:
  4. 误差:(不变性)
  5. 标称状态:
  6. 可行性:,问题可行

四、稳定性分析

4.1 稳定性定理

定理(Tube MPC 稳定性):对于 Tube MPC,若:

  1. 标称 MPC 设计保证标称系统渐近稳定
  2. 误差不变集 有界
  3. 紧缩约束 非空

则受扰闭环系统满足:

即状态收敛到以原点为中心、 为边界的集合内。

4.2 证明思路

Lyapunov 函数:使用标称最优值函数

下降性(对标称系统):

实际状态:

稳态界:

由于 且 :

4.3 输入 - 状态稳定性 (ISS)

命题:Tube MPC 闭环系统满足 ISS 性质:

其中:

  • 是 函数
  • 是 函数(扰动增益)

五、实际轨迹约束满足

5.1 状态约束满足

命题:若标称状态 且 ,则:

证明:

5.2 输入约束满足

命题:若标称控制 且 ,则:

证明:

5.3 终端约束满足

命题:若标称终端状态 且 ,则:

其中 。


六、Tube MPC 算法总结

6.1 离线计算

  1. 选择反馈增益 使 稳定
  2. 计算误差不变集
  3. 计算紧缩约束:

6.2 在线优化

每个时刻 :

  1. 测量状态
  2. 计算误差 ( 来自上一时刻)
  3. 求解标称 MPC:
  4. 实施控制:

6.3 理论保证

保证条件
递归可行性
约束满足
有界稳定性

七、数值示例

7.1 系统参数

7.2 设计参数

7.3 仿真结果

场景:,参考

时刻标称状态 误差 实际状态
0
5
10
20

观察:

  • 标称轨迹
  • 误差 始终成立
  • 实际轨迹 在 Tube 内收敛

八、总结

概念公式/结论
误差不变集
鲁棒可行性
约束满足
稳定性
ISS

核心结论

Tube MPC 的理论保证:

  1. 不变集:误差 始终在 内
  2. 递归可行性:若初始可行,则永远可行
  3. 约束满足:实际状态/输入满足原始约束
  4. 稳定性:状态收敛到有界集

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2026-04-10初始版本