news 2026/1/19 15:09:01

【GRNN-RBFNN-ILC算法】【轨迹跟踪】基于神经网络的迭代学习控制用于未知SISO非线性系统的轨迹跟踪（Matlab代码实现）

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张小明

前端开发工程师

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【GRNN-RBFNN-ILC算法】【轨迹跟踪】基于神经网络的迭代学习控制用于未知SISO非线性系统的轨迹跟踪（Matlab代码实现）

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💥1 概述

文献来源：

摘要：本文提出了一种基于神经网络的数据驱动迭代学习控制（ILC）算法，用于解决具有未知模型和重复任务的非线性单输入单输出（SISO）离散时间系统的轨迹跟踪问题。控制目标是使系统的输出在每次迭代过程中跟踪参考轨迹。因此，在每次迭代过程中的每个相对时间点，使用广义回归神经网络（GRNN）作为估计器来解决系统的关键参数，使用径向基函数神经网络（RBFNN）作为控制器来解决控制输入。与传统的ILC算法相比，动态线性化和准则函数最小化这两个复杂的求解过程被替换并简化为GRNN和RBFNN的迭代训练。所提出的算法是开箱即用的，并采用逐点方法计算系统迭代的每个相对时间点的控制输入，使系统的跟踪误差接近于零。此外，证明了在所提出的控制算法下，系统的跟踪误差是一致最终有界的。最后，通过数值示例展示了控制算法的有效性和优越性，无人车的路径跟踪实验进一步验证了其实用性。

关键词：数据驱动 迭代学习控制 GRNN RBFNN 跟踪误差

一、研究背景与问题定义

针对未知单输入单输出（SISO）非线性系统的轨迹跟踪问题，传统控制方法（如PID、模型预测控制）往往因系统非线性建模困难而效果受限。迭代学习控制（ILC）通过重复任务中的误差修正优化控制输入，但其性能依赖于系统模型的精确性。为解决这一问题，结合神经网络（NN）的数据驱动ILC方法被提出，其中广义回归神经网络（GRNN）与径向基函数神经网络（RBFNN）的结合（GRNN-RBFNN-ILC算法）展现出显著优势。

二、算法核心原理与架构

1.GRNN与RBFNN的协同作用

  • GRNN的角色：作为参数估计器，GRNN通过输入特征集的迭代构建，估计系统关键参数（如伪偏导数PPD）。其优势在于无需预设参考输出，直接利用训练数据逼近非线性关系，避免局部最小值问题。

    • 结构特性：四层网络（输入层、模式层、求和层、输出层），模式层中每个训练样本对应一个高斯核函数，输出为输入与样本距离的加权平均。
    • 训练特点：非迭代训练，仅需调整高斯核的宽度参数，适用于快速在线参数估计。

  • RBFNN的角色：作为控制器，RBFNN通过隐藏层的径向基函数（如高斯函数）进行非线性映射，输出层线性组合以生成控制输入。其输入特征集由GRNN的输出构建，通过最小化控制输入准则函数优化控制律。

    • 结构特性：三层网络（输入层、隐藏层、输出层），隐藏层神经元中心通过聚类算法确定，权重通过最小二乘法更新。
2.ILC框架的集成
  • 迭代优化机制：在每次迭代中，GRNN估计系统动态参数，RBFNN生成控制输入，ILC通过跟踪误差修正神经网络的权重，逐步降低误差。
  • 动态线性化的替代：传统ILC需通过动态线性化（如紧格式动态线性化，CFDL）处理非线性系统，而GRNN-RBFNN-ILC直接将此过程替换为神经网络的训练，简化了计算复杂度。

三、算法优势与创新点

1.数据驱动与模型无关性
  • 无需系统先验模型，仅依赖输入输出数据，适用于完全未知的非线性系统。
  • GRNN的非参数回归特性使其对噪声和异常数据具有鲁棒性，RBFNN的局部逼近能力则确保控制输入的精确性。
2.计算效率与收敛性
  • 快速训练：GRNN的单次前向计算替代传统迭代优化，RBFNN的线性输出权重更新进一步降低计算负担。
  • 一致最终有界性：理论证明跟踪误差在迭代过程中收敛至零附近，且误差上界可通过调整网络参数控制。
3.灵活性扩展
  • 逐点控制策略：在离散时间系统的每个相对时间点独立计算控制输入，避免全局优化带来的维度灾难。
  • 即插即用特性：算法无需针对不同系统重新设计，仅需调整网络结构与训练数据，适用性广泛。

四、性能验证与应用实例

1.仿真与实验结果
  • 数值示例：在典型SISO非线性系统（如非线性差分方程描述的系统）中，GRNN-RBFNN-ILC的最大跟踪误差随迭代次数呈指数下降，显著优于传统ILC（如CFDL-MFAC-ILC）。
  • 无人车路径跟踪：实验显示，在未知路面动力学条件下，算法可实现高精度轨迹跟踪，最大位置误差小于0.05m（迭代50次后），验证了实际应用潜力。
2.对比分析
  • 与传统ILC对比：动态线性化步骤的省略使计算时间减少约40%，且跟踪精度提升20%以上。
  • 与其他NN-ILC对比：GRNN-RBFNN-ILC在噪声环境下（信噪比<10dB）仍保持稳定，而ELM-RBFNN-ILC等方案出现明显振荡。

五、Matlab实现与代码结构

  • 核心模块：
    • GRNN参数估计：通过newgrnn函数构建网络，输入为历史控制输入与输出数据，输出为PPD估计值。
    • RBFNN控制生成：使用newrb函数动态增加隐藏层神经元，权重更新基于梯度下降法。
    • ILC迭代循环：逐点更新控制输入并记录误差，终止条件为误差阈值或最大迭代次数。
  • 代码示例片段：
    % 加载期望轨迹yd与初始控制输入u0 load('reference_trajectory.mat'); % GRNN参数估计 grnn = newgrnn([U_hist; Y_hist], PPD_est); % RBFNN控制器训练 rbfnn = newrb(PPD_est, U_opt, 0.01, 0.1); % ILC主循环 for k = 1:max_iter y_k = system_model(u_k); % 系统输出 e_k = yd - y_k; % 跟踪误差 PPD_est = sim(grnn, [u_k; y_k]); % GRNN估计PPD u_k = sim(rbfnn, PPD_est); % RBFNN生成控制输入 if norm(e_k) < threshold, break; end end

六、未来研究方向

  1. 收敛性条件优化：研究网络结构（如隐藏层节点数）与收敛速度的定量关系，提出自适应调整策略。
  2. 多场景扩展：针对MIMO系统、时变非线性系统及存在时滞的场景改进算法架构。
  3. 硬件加速：利用FPGA或GPU并行化神经网络计算，满足实时控制需求。

七、结论

GRNN-RBFNN-ILC算法通过融合GRNN的快速参数估计、RBFNN的精确控制生成及ILC的迭代优化机制，为未知SISO非线性系统的轨迹跟踪提供了高效解决方案。其数据驱动特性、模型无关性及一致收敛性使其在工业机器人、无人车控制等领域具有广泛应用前景。未来研究可进一步探索算法的理论边界与工程化实现，推动其在复杂系统中的落地。

📚2 运行结果

本文展示了使用GRNN-RBFNN-ILC算法实现控制系统的有效性。在第一部分中的程序展示了复杂重复SISO系统的轨迹跟踪控制效果，而在第二部分中的程序展示了系统最大误差的演变。此外，在第3部分中的程序分别展示了使用GRNN-RBFNN-ILC算法实现无人车跟踪参考路径1和参考路径2的效果，而第4部分中的程序展示了这两个示例中车辆最大误差的演变。这些程序可以更好地理解和应用GRNN-RBFNN-ILC算法。

2.1 第1部分

2.2 第2部分

2.3 第3部分

2.4 第4部分

部分代码：

%% 期望轨迹
load pd.mat
% figure
% plot(pd,'r')
% hold on
ypd = pd;
pd = ypd;

%% maxmin约束
q_max = 100;
q_min = -100;

MFAC_ILC_max = 100;
MFAC_ILC_min = 0;

% cm_11 = 0.1;
% rm_11 = 1;
%
% cm_q1 = 0.01;
% rm_q1 = 15;
%
% lammd1 = 2;
cm_11 = 0.01;
rm_11 = 100;

cm_q1 = 0.001;
rm_q1 = 100;

lammd1 = 2;
%% 载入信息
load p1_i1.mat
load q1_i1.mat
load MFAC_ILC11_i1.mat

k_length = length(p1_i1)-1;

%% 第一次迭代
for k = 1:1:k_length
% 输入
q(1, k) = q1_i1(k);
% 输出
p(1, k) = p1_i1(k);
p(1, k + 1) = p1_i1(k + 1);
% 伪雅可比矩阵
MFAC_ILC(1, k) = MFAC_ILC11_i1(k);
fenzi_11(1,k) = 0;
fenmu_11(1,k) = 0;
W_i_k_q1(2,k) = (2 * rand(1) - 1);
e(1,k) = pd(k) - p(1,k);
e(1,k+1) = pd(k+1) - p(1,k+1);
end

%% 第二次迭代
i = 2;
for k = 1:1:k_length
if k == 1
p(i, k) = pd(k);
e(i, k) = pd(k) - p(i, k);
q(i, k) = q1_i1(k);
a = 0.3 + 0.3*round(k / 50);
p(i, k + 1) = 0.4 * sin(q(i, k)) + ( a * q(i, k) ) ;
e(i, k + 1) = pd(k + 1) - p(i, k + 1);
else
MFAC_ILC_isub1_k = MFAC_ILC(i-1, k);

q_isub1_k = q(i-1, k);
q_isub2_k = 0;

p_isub1_kadd1 = p(i-1, k+1);
p_isub2_kadd1 = 0;
%% 11
delta_g11_isub1_kadd1 = [
MFAC_ILC_isub1_k;
q_isub1_k;
q_isub2_k;
p_isub2_kadd1;
p_isub1_kadd1
];

🎉3参考文献

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https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=1t2m0p70ys1b0mc05m1n0a50m9468204&site=xueshu_se&hitarticle=1

Neural network-based iterative learning control for trajectory tracking of unknown SISO nonlinear systems - 百度学术 (baidu.com)

🌈4 Matlab代码、数据

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