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ParNMPC–用于实时非线性模型预测控制的并行优化工具包。 (英语) Zbl 1482.93169号

摘要:非线性模型预测控制(NMPC)的实时优化一直具有挑战性,尤其是在快速采样和大规模应用中。本文提出了一种高效实现NMPC高并行性的方法,称为ParNMPC。介绍了ParNMPC的实现细节,包括适用于并行化的专用离散化方法、统一使用牛顿法和并行法进行搜索方向计算的框架、保证收敛的线搜索方法以及内点方法的温启动策略。为了评估ParNMPC在不同配置下的性能,给出了三个实验,包括四旋翼的闭环仿真、实验室直升机的真实控制示例和机器人操作器的闭环仿真。这些实验表明了ParNMPC在串行和并行方面的有效性和效率。

MSC公司:

93B45码 模型预测控制
93C83号 涉及计算机的控制/观察系统(过程控制等)
93立方厘米 控制理论中的非线性系统
93-08 系统和控制理论相关问题的计算方法
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Amdahl,G.M.(1967年)。实现大规模计算能力的单处理器方法的有效性。《Sprint联合计算机会议记录》(第483-485页)。美国大西洋城。
[2] Bock,H.G.(1983年)。常微分方程参数识别技术的最新进展。在P.Deuflhard和E.Hairer(编辑)中,微分方程和积分方程中反问题的数值处理(第2卷)。波士顿Birkhäuser·Zbl 0516.65067号
[3] Bock,H.G.和Plitt,K.J.(1984)。直接求解最优控制问题的多重打靶算法。在第九届IFAC世界大会的会议记录中(第1603-1608页)。匈牙利布达佩斯。
[4] Brentari,M.、Bosetti,P.、Queinnec,I.和Zaccarian,L.(2018年)。Quanser三自由度直升机的基准模型。Rapport LAAS 18040,hal-01711135。
[5] Carpentier,J.,Saurel,G.,Buondonno,G.、Mirabel,J.、Lamiraux,F.、Stasse,O.和Mansard,N.(2019年)。Pinocchio C++库:刚体动力学算法及其分析导数的快速灵活实现。在第11届IEEE/SICE系统集成国际研讨会论文集(第614-619页)。法国巴黎。
[6] Chen,Y.、Bruschetta,M.、Picotti,E.和Beghi,A.(2019年)。MATMPC-一个基于MATLAB的实时非线性模型预测控制工具箱。第18届欧洲控制会议记录(第3365-3370页)。意大利那不勒斯。
[7] 达贡,L。;Menon,R.,OpenMP:共享内存编程的行业标准API,IEEE计算科学与工程,5,1,46-55(1998)·数字对象标识代码:10.1109/99.660313
[8] Deng,H.和Ohtsuka,T.(2018年)。非线性模型预测控制的高度并行化牛顿型方法。第六届IFAC非线性模型预测控制会议记录(第426-432页)。美国麦迪逊。
[9] 邓,H。;Ohtsuka,T.,非线性模型预测控制的并行Newton型方法,Automatica,109(2019)·Zbl 1429.93094号 ·doi:10.1016/j.automatica.2019.108560
[10] Diehl,M。;博克·H·G。;Schlöder,J.P.,最优反馈控制中非线性优化的实时迭代方案,SIAM控制与优化杂志,43,5,1714-1736(2005)·Zbl 1078.65060号 ·doi:10.1137/S0363012902400713
[11] Diehl,M.、Ferreau,H.J.和Haverbeke,N.(2009年)。非线性MPC和移动时域估计的有效数值方法。L.Magni、D.M.Raimondo和F.Allgöwer(编辑),非线性模型预测控制(第384卷)。斯普林格·Zbl 1195.93038号
[12] 恩格尔特,T。;Völz,A。;Mesmer,F。;莱茵,S。;Graichen,K.,使用基于梯度的增广拉格朗日方法(GRAMPC)的嵌入式非线性模型预测控制软件框架,优化与工程,20,3,769-809(2019)·兹比尔07123819 ·doi:10.1007/s11081-018-9417-2
[13] 费罗,H.J。;柯奇斯,C。;Potschka,A。;博克·H·G。;Diehl,M.,qpOASES:二次规划的参数活动集算法,《数学规划计算》,6,4,327-363(2014)·兹比尔1302.90146 ·doi:10.1007/s12532-014-0071-1
[14] 弗莱彻,R。;Leyffer,S.,《无惩罚函数的非线性规划》,《数学规划》,91,2,239-269(2002)·Zbl 1049.90088号 ·doi:10.1007/s101070100244
[15] Frasch,J.V。;Sager,S。;Diehl,M.,动态优化问题的并行二次规划方法,数学规划计算,7,3,289-329(2015)·Zbl 1321.90094号 ·doi:10.1007/s12532-015-0081-7
[16] Frison,G.、Kufoalor,D.K.M.、Imsland,L.和Jörgensen,J.B.(2014)。嵌入式设备上线性模型预测控制求解器的高效实现。2014年IEEE控制应用会议记录(第1954-1959页)。法国安提布斯。
[17] Frison,G.、Sörensen,H.H.B.、Dammann,B.和Jörgensen,J.B.(2014)。用于线性模型预测控制的高性能小型求解器。《2014年欧洲控制会议记录》(第128-133页)。法国斯特拉斯堡。
[18] Hehn,M.和D'Andrea,R.(2011)。一个飞行的倒立摆。《IEEE机器人与自动化国际会议论文集》(第763-770页)。中国上海。
[19] Houska,B。;费罗,H。;Diehl,M.,微秒范围内非线性MPC的自动生成实时迭代算法,Automatica,47,10,2279-2285(2011)·兹比尔1227.65054 ·doi:10.1016/j.automatica.2011.08.020
[20] Jerez,J.L.、Constantinides,G.A.和Kerrigan,E.C.(2011年)。约束预测控制的稀疏二次规划求解器的FPGA实现。第19届ACM/SIGDA现场可编程门阵列国际研讨会论文集(第209-218页)。美国蒙特雷。
[21] 赫雷斯,J.L。;Goulart,P.J。;里克特,S。;Constantinides,G.A。;科里根,E.C。;Morari,M.,兆赫速率下模型预测控制的嵌入式在线优化,IEEE自动控制汇刊,59,12,3238-3251(2014)·Zbl 1360.93235号 ·doi:10.109/TAC.9
[22] J.卡尔马里。;贝克曼,J。;Visala,A.,使用梯度投影和代码生成的非线性模型预测控制工具包,《控制工程实践》,39,56-66(2015)·doi:10.1016/j.connengprac.2015.01.002
[23] 川崎,S。;小野,T。;大冢,T。;Inoue,K.,《模型预测控制系统的输入值预测并行预计算》,IEICE信息与系统学报,101,12,2864-2877(2018)·doi:10.1587/transinf.2018PAP0003
[24] Kouzoupis,D.、Quirynen,R.、Houska,B.和Diehl,M.(2016)。用于高度并行化直接最优控制的基于块的ALADIN方案。《2016年美国控制会议记录》(第1124-1129页)。美国波士顿。
[25] McLeod,R.M.,向量值函数的中值定理,《爱丁堡数学学会学报》,14,3,197-209(1965)·Zbl 0135.34301号 ·doi:10.1017/S0013091500008786
[26] Nesterov,Y.E.(1983年)。一种求解具有收敛速度的凸规划问题的方法。《苏联数学Doklady》(第269卷,第543-547页)。
[27] 尼尔森,I。;Axehill,D.,模型预测控制二阶搜索方向的直接并行计算,IEEE自动控制汇刊,64,7,2845-2860(2018)·Zbl 1482.93004号 ·doi:10.1109/TAC.9
[28] Nocedal,J。;Wright,S.J.,数值优化(2006),Springer科学与商业媒体·Zbl 1104.65059号
[29] Ohtsuka,T.,用于非线性后退地平线控制快速计算的延拓/GMRES方法,Automatica,40,4563-574(2004)·Zbl 1168.93340号 ·doi:10.1016/j.automatica.2003.11.005
[30] Quirynen,R.(2017)。嵌入式优化的数值模拟方法(未发表的博士论文)。阿尔伯特·路德维希弗赖堡大学·Zbl 1356.65158号
[31] 罗林斯,J.B.、安吉丽,D.和贝茨,C.N.(2012)。经济模型预测控制基础。第51届IEEE决策与控制会议记录(第3851-3861页)。夏威夷毛伊岛。
[32] 萨阿德,Y。;Schultz,M.H.,GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法,SIAM科学与统计计算杂志,7,3,856-869(1986)·兹伯利0599.65018 ·doi:10.1137/0907058
[33] Soudbakhsh,D.和Annaswamy,A.M.(2013年)。并行模型预测控制。《2013年美国控制会议记录》(第1715-1720页)。美国华盛顿特区。
[34] 斯特里克,O.V。;Bulirsch,R.,轨道优化的直接和间接方法,《运筹学年鉴》,37,1,357-373(1992)·Zbl 0784.49023号 ·doi:10.1007/BF02071065
[35] 托里西,G。;语法,S。;史密斯,R.S。;Morari,M.,非线性模型预测控制的投影梯度和约束线性化方法,SIAM控制与优化杂志,56,3,1968-1999(2018)·Zbl 1391.90581号 ·doi:10.1137/16M1098103
[36] Verschueren,R.、Frison,G.、Kouzoupis,D.、van Duijkeren,N.、Zanelli,A.、Quirynen,R.和Diehl,M.(2018年)。面向嵌入式优化的模块化软件包。第六届IFAC非线性模型预测控制会议记录(第426-432页)。美国麦迪逊。
[37] 瓦希特,A。;Biegler,L.,《非线性规划的线搜索滤波方法:动机和全局收敛》,SIAM优化杂志,16,1,1-31(2006)·Zbl 1114.90128号 ·doi:10.1137/S1052623403426556
[38] 瓦希特,A。;Biegler,L.T.,《关于大规模非线性规划中点内滤波器线搜索算法的实现》,《数学规划》,106,1,25-57(2006)·Zbl 1134.90542号 ·doi:10.1007/s10107-004-0559-y
[39] Wang,Y。;Boyd,S.,使用在线优化的快速模型预测控制,IEEE控制系统技术汇刊,18,2,267-278(2010)·doi:10.1109/TCST.2009.2017934
[40] Yamashita,H.,约束优化的全局收敛原对偶内点法,优化方法与软件,10,2,443-469(1998)·Zbl 0946.90110号 ·doi:10.1080/10556789808805723
[41] 杨,X。;Biegler,L.T.,高级多步非线性模型预测控制,过程控制杂志,23,8,1116-1128(2013)·doi:10.1016/j.jprocont.2013.06.011
[42] 扎内利,A。;Domahidi,A。;赫雷斯,J。;Morari,M.,《FORCES NLP:多级非线性非凸程序中点内方法的有效实现》,《国际控制杂志》,93,1,13-29(2017)·兹比尔1430.93069 ·doi:10.1080/00207179.2017.1316017
[43] Zanelli,A.、Quirynen,R.、Herez,J.和Diehl,M.(2017年)。一种基于同伦的NMPC非线性内点方法。第20届国际会计师联合会世界大会会议记录(第13188-13193页)。法国图卢兹。
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