正负压力气动系统的建模与混合整数非线性模型预测控制
系统与控制
2025-10-02 v1 系统与控制
摘要
正负压力调节是软体机器人执行器的关键技术，能够实现大范围运动和多样化的执行模式，但由于经济型气动阀引入的复杂非线性、振荡以及由单向体系结构引起的方向依赖分段动力学，该技术仍具挑战性。我们提出一种基于模型的控制框架，将基于物理建模的开关非线性植物模型(充气/减压模式)与混合整数非线性模型预测控制器(NMPC)耦合。控制器协同优化模式调度和PWM输入，以实现精准的参考轨迹跟踪，同时施加输入约束并惩罚能源消耗和过度切换。为使离散模式决策可计算，我们采用组合积分逼近法，将二元模式变量松化为阀门调度层中的连续替代变量。基于从实际系统辨识的参数，阶跃和正弦参考仿真验证了所提出的MI-NMPC，结果显示在精度、控制 effort 和切换方面始终呈现优势，显著优于传统PID控制和采用启发式模式选择的NMPC。
关键词
引用
@article{arxiv.2510.00433,
title = {Modeling and Mixed-Integer Nonlinear MPC of Positive-Negative Pressure Pneumatic Systems},
author = {Yu Mei and Xinyu Zhou and Xiaobo Tan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.00433},
year = {2025}
}
备注
Has been submitted to conference