شماره ركورد
34360
پديد آورنده
شقايق عامري
عنوان
طراحي كنترل پيشبين مدل غيرخطي سريع مبتني بر ديناميك سيستم متحرك با رويكرد حل پيچيدگي محاسباتي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/29
استاد راهنما
دكتر حبيب نژاد كورايم
استاد مشاور
نداشتم
دانشكده
مكانيك
چكيده
يكي از چالشهاي اساسي در بهكارگيري كنترل پيشبين مدل غيرخطي در سامانههاي رباتيكي، زمان محاسباتي بالا در فرآيند حل مسئله بهينهسازي است. اين كنترلكننده در هر گام زماني، با حل يك مسئله بهينهسازي پيچيده بهصورت پيوسته، ورودي كنترلي بهينه را تعيين ميكند. چنين فرآيندي هرچند دقت و پايداري بالايي را تضمين ميكند، اما در سامانههاي بلادرنگ يا رباتهايي كه نياز به واكنش سريع دارند، ميتواند منجر به تأخير در پاسخ كنترلي و كاهش كارايي كلي سيستم شود. در اين پژوهش، براي رفع اين محدوديت، روشي مبتني بر رويداد با راهاندازي گوسي پيشنهاد شده است كه هدف آن كاهش تعداد دفعات حل مسئله بهينهسازي و در نتيجه كاهش زمان محاسباتي كنترلكننده است. در اين روش، به جاي اجراي مداوم فرآيند بهينهسازي در هر بازهي زماني، تصميمگيري دربارهي زمان حل بر اساس تغييرات گراديان خطاي بين حالت بهينه و حالت واقعي سيستم انجام ميشود. بدين ترتيب، تنها در صورت بروز تغييرات معنادار در وضعيت سيستم، حلقهي بهينهسازي فعال شده و ورودي كنترلي جديد محاسبه ميشود. اين رويكرد باعث ميشود كنترلكننده به صورت ناپيوسته اما هوشمندانه عمل كند و در عين حفظ دقت، مصرف منابع محاسباتي را به ميزان قابل توجهي كاهش دهد. در روشهاي كلاسيك كنترل پيشبين مدل غيرخطي، معمولاً از راهاندازي گرم براي تسريع فرآيند همگرايي استفاده ميشود. در اين تكنيك، پاسخ بهينهي بهدستآمده از حلقهي قبلي به عنوان مقدار اوليهي ورودي در حل مسئلهي جديد به كار ميرود. با اين حال، در روش پيشنهادي مبتني بر رويداد، چون حل مسئلهي بهينهسازي بهصورت ناپيوسته انجام ميشود، استفاده از مقدار قبلي بهعنوان نقطهي شروع ميتواند منجر به افت دقت در همگرايي و افزايش تعداد تكرارهاي محاسباتي گردد. براي رفع اين مشكل، در اين تحقيق از يك شبكه عصبي چندلايه بهعنوان تخمينگر هوشمند ورودي اوليهي بهينه استفاده شده است. اين شبكه با بهرهگيري از دادههاي گذشتهي سيستم، ورودي بهينهي جديد را با دقت بالا پيشبيني ميكند و بدين ترتيب، شرايط اوليهي مناسبتري را براي الگوريتم بهينهسازي فراهم ميسازد. نتيجه آن است كه هم دقت همگرايي افزايش مييابد و هم تعداد تكرارهاي محاسباتي كاهش پيدا ميكند. به علاوه، شبكه عصبي توانسته است اثر منفي ناشي از ناپيوستگي در روش رويدادمحور را جبران كرده و عملكرد سيستم را بهبود دهد. براي اعتبارسنجي روش پيشنهادي، شبيهسازيها و آزمايشهاي تجربي بر روي يك ربات متحرك چرخدار انجام گرفته است. نتايج بهدستآمده نشان ميدهد كه استفاده از رويداد راهاندازي گوسي هوشمند منجر به كاهش زمان حل به ميزان 64.74 درصد نسبت به كنترل پيشبين مدل غيرخطي كلاسيك شده است. همچنين، خطاي رديابي مسير نيز بهطور متوسط 20 درصد بهبود يافته است. اين يافتهها بيانگر آن است كه تركيب روش رويدادمحور با يادگيري عصبي ميتواند راهكاري مؤثر براي غلبه بر محدوديتهاي محاسباتي كنترل پيشبين مدل غيرخطي باشد. در واقع، اين رويكرد توانسته است بين سرعت محاسبات، پايداري و دقت رديابي مسير تعادلي بهينه برقرار سازد و كاربرد كنترل پيشبين مدل غيرخطي را در سامانههاي رباتيكي بلادرنگ، عمليتر و كارآمدتر نمايد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/23
عنوان به انگليسي
Design of fast nonlinear model predictive control based on dynamic moving system with computational complexity solution approach
تاريخ بهره برداري
10/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
شقايق عامري
چكيده به لاتين
One of the main challenges in implementing Nonlinear Model Predictive Control in robotic systems is the high computational time required to solve the optimization problem. At each time step, this controller determines the optimal control input by continuously solving a complex optimization problem. Although this process ensures high precision and stability, it can cause delays in control responses and reduce the overall system performance in real-time applications or robots that require rapid reactions. To address this limitation, this study proposes an event-based Gaussian initialization method, aimed at reducing the number of optimization iterations and consequently decreasing the overall computational time of the controller. In the proposed approach, instead of executing the optimization process continuously at every sampling instant, the optimization is triggered only when significant changes occur in the system’s state, based on the variation in the gradient of the error between the optimal and actual states. This mechanism allows the controller to operate discretely yet intelligently, significantly reducing computational load while maintaining accuracy and stability. In classical NMPC approaches, a warm-start technique is typically used to accelerate the convergence of the optimization process. In this technique, the optimal control input from the previous iteration is used as the initial guess for the next optimization step. However, in the proposed event-based framework, since the optimization is executed intermittently, reusing the previous solution as the starting point can lead to a decrease in convergence accuracy and an increase in the number of iterations required. To overcome this issue, a multi-layer neural network is integrated into the control structure as an intelligent estimator for the initial control input. By utilizing past system data, the neural network accurately predicts the new optimal input, providing a more suitable initialization condition for the optimization algorithm. As a result, both the convergence accuracy is improved and the number of required optimization iterations is reduced. Furthermore, the neural network successfully compensates for the loss of accuracy caused by the event-triggered discontinuities, leading to a smoother and more robust system performance. For validation, the proposed method was implemented and tested on a wheeled mobile robot platform through both simulations and real-world experiments. The results demonstrate that the intelligent Gaussian event-triggered initialization method reduces the optimization time by 64.74% compared to the conventional NMPC, while the trajectory tracking error is improved by approximately 20%. These findings highlight that combining event-based control with neural network learning provides an effective solution to the computational challenges of NMPC. In essence, the proposed approach achieves an optimal balance between computational efficiency, stability, and tracking accuracy, making NMPC more practical and efficient for real-time robotic applications.
كليدواژه هاي فارسي
كنترل پيشبين غيرخطي , كاهش زمان محاسباتي , رويداد راه اندازي گوسي , شبكه عصبي , ربات متحرك چرخدار
كليدواژه هاي لاتين
Nonlinear Model Predictive Control , Computational Time Reduction , Central Event-Triggered , Neural Network , Wheeled Mobile Robot
Author
Shaghayegh Ameri
SuperVisor
Moharam Habibnejad Korayem