The main topics of this master’s project are control theory, system identification and convex optimization. The objective is to develop, implement and test methods for optimal input signal design and for control of a nonlinear dynamical system using MPC. The thesis begins with a theoretical part, in which some known results in these fields are summarized. In the applied part of the thesis, methods are developed and exemplified in MATLAB. Optimal input signal design is performed on specific FIR, ARX and DCmotor systems which are all controlled by an MPC. The implementation works very well for the FIR and ARX systems. The estimates of the true parameters fulfill the pre-specified requirements when using the optimal input signal constructed. An unexpected behavior is obtained of the estimates for the DC-motor system. Some additional approximations which were made in the design of the optimal input signal are thought to be the cause. Although, the source of the odd behavior were never confirmed. To be able to have a user-friendly environment for optimal input signal design, further work is necessary to overcome numerical problems in the implementation. A general method of implementing MPC of nonlinear dynamical systems is constructed. It is problematic to use MPC to control a nonlinear system. The reason for this is that a nonlinear system in general corresponds to a non-convex optimization problem in the MPC algorithm. Our method is based on making the problem convex through a linearization of the nonlinear system dynamics. The method is tested on simulations of a reaction wheel pendulum and a two link robot arm. It works very well and the systems fulfill the control objectives. Each optimization problem takes about 0.3-1 second to solve when using cvx. This is in some situations too slow to be able to control a system in reality. Further work is recommended on implementing our method with another solver so that it can be tested on an actual system which requires new updates every milli- or microsecond. / Design av optimal insignal och MPC för ickelinjära dynamiska system Detta examensarbete berör områden som reglerteknik, systemidentifiering och konvex optimering. Syftet är att utveckla metoder för design av en optimal insignal och för att använda MPC på ickelinjära dynamiska system. Rapporten börjar med en teoretisk del som sammanfattar kända resultat inom dessa områden. Därefter följer beskrivningar av de metoder som har utvecklats och de exemplifieras genom simulering i MATLAB. En metod för att designa en optimal insignal för specifika FIR-, ARX och DC-system har utvecklats. Systemen styrs med hjälp av en MPC regulator. Metoden fungerar utmärkt för FIR- och ARX-system. Ett oväntat resultat erhålls för fallet med DC-motorn. Vi tror att det beror på de approximationer som har gjorts särskilt för detta system men det har inte kunnat bekräftas. För att skapa en användarvänlig miljö för design av en optimal insignal givet ett system och en regulator så krävs ytterligare arbete. Det bör fokusera på att eliminera de numeriska problem som uppstår när metoden implementeras i MATLAB. En allmän metod för att använda MPC på ickelinjära dynamiska system har implementerats. Ett ickelinjärt system ger generellt upphov till ett ickekonvext optimeringsproblem i MPC algoritmen. Det är därför problematiskt att använda MPC för att reglera ickelinjära system. Vår metod bygger på att göra problemet konvext genom att linjärisera det icke linjära systemet. Metoden har testats på simuleringar av en pendel och en två-länkad robotarm. Den presterar väldigt bra och systemen uppnår önskat beteende. Optimeringsproblemet tar cirka 0,3-1 sekund att lösa när vi använder cvx. Detta är i vissa fall för långsamt för att kunna reglera ett verkligt system. Ytterligare arbete där metoden implementeras med en annan lösare rekommenderas. Detta skulle möjliggöra att man kan testa den på ett verkligt system som kräver uppdateringar varje milli- eller mikrosekund.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-105134 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Annergren, Mariette |
| Publisher | KTH, Reglerteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0024 seconds