最优控制理论
最优控制在满足约束的条件下,寻找使性能指标最优的控制律。从变分法到极小值原理再到 LQR,构成了现代控制理论的核心设计方法。
最优控制问题
一般形式
系统:
性能指标:
目标:寻找 使 最小(或最大)。
三种类型
| 类型 | 典型问题 | ||
|---|---|---|---|
| 状态调节器 | 0 | 使状态趋近零 | |
| 输出跟踪 | 0 | 使输出跟踪参考 | |
| 时间最优 | 0 | 最快到达目标 |
变分法
Euler-Lagrange 方程
无约束最优控制的基本工具。定义 Hamilton 函数:
最优条件:
- 状态方程:
- 协态方程:
- 控制方程:
- 横截条件:
局限性
变分法要求 无约束且 可解——不能处理控制量有上下界的情况。
极小值原理(Pontryagin)
核心定理
当控制量受约束 时,最优控制 满足:
即最优控制使 Hamilton 函数取最小值(而非简单的 )。
与变分法的区别
| 方法 | 控制约束 | 最优条件 |
|---|---|---|
| 变分法 | 无约束 | |
| 极小值原理 | 有约束 | 取最小值 |
时间最优控制(Bang-Bang 控制)
,:
控制量在极值之间切换(Bang-Bang)。
线性二次型最优控制(LQR)
问题描述
系统:
性能指标:
其中 (状态权重),(控制权重)。
最优控制律
其中 满足代数 Riccati 方程(ARE):
LQR 的性质
- 最优反馈增益
- 闭环系统 保证稳定(前提是 可稳定且 可观测)
- 至少有 相位裕度和无穷大增益裕度(鲁棒性极好)
和 的物理意义
| 参数 | 增大时的效果 |
|---|---|
| (状态权重) | 更积极消除状态偏差 → 控制量增大 → 响应更快 |
| (控制权重) | 更节省控制能量 → 控制量减小 → 响应更慢 |
和 的选取反映控制性能与能量消耗之间的权衡。
物理直觉
最优控制 = “最佳路径”
就像从 A 地到 B 地,有多种走法;最优控制找到使”代价”(时间/油耗/误差)最小的那条路径。
Hamilton 函数 = “瞬时代价”
:当前控制 不仅影响即时代价 ,还通过改变状态 影响未来代价。(协态)衡量”状态的边际价值”。
LQR = “自动调参”
LQR 的优势:给定 和 ,Riccati 方程自动算出最优反馈增益,无需手动调参。
与已有知识的关联
- 状态空间基础 → 状态空间分析与综合
- 反馈控制 → 反馈控制原理与系统组成
- 稳定性 → 线性系统时域分析(Lyapunov 方法)
- 离散 LQR → 离散控制系统(离散 Riccati 方程)
来源:胡寿松 自动控制原理 第八版 深度解析 Ch.10