控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第10期

• 车辆路径优化问题及求解方法研究综述

  庞燕,罗华丽,邢立宁,任腾

  车辆路径优化问题一直以来是物流研究领域的一个热点和难点. 现实生活的许多问题都可看作是VRP，因此国内外学者近年来不断提出多种车辆路径优化问题的改进模型及求解方法以解决愈加复杂的问题. 为进一步厘清国内外研究现状，在对车辆路径优化改进模型（如多时间窗口VRP模型、动态VRP模型和混合VRP模型等）进行总结分析的基础上，对车辆路径优化创新求解方法（如改进禁忌搜索算法、改进模拟退火算法、改进遗传算法和改进蚁群算法等）也进行了综述. 面向车辆路径优化问题在当前形势下面临的新挑战，展望了车辆路径优化问题的一些新研究方向，如多目标优化、算法的通用性和绿色调度等.

• 多目标跟踪中多传感器分布式控制策略

  陈辉,邓东明,韩崇昭

  分布式传感器网络技术在复杂的多目标跟踪系统中发挥了极其重要的作用. 本文针对多传感器多目标跟踪中的分布式传感器控制问题, 提出了基于信息论的多传感器控制策略. 首先, 本文利用随机有限集 (Random finiteset, RFS) 建模, 给出了多传感器多伯努利滤波器, 并通过一组参数化的多伯努利过程来近似多传感器多伯努利密度. 进一步的, 通过多伯努利滤波器的序贯蒙特卡罗实现, 设计采样方案对多伯努利密度进行粒子采样, 用一组带有权值的粒子集近似多目标状态空间分布. 随后, 借助巴氏距离 (Bhattacharyya distance) 作为传感器控制的评价函数用于多个传感器的独立并行控制方案的决策制定. 作为另外一个重要内容, 本文提出了一种基于多目标战术重要性评估的多传感器控制策略. 该控制方案旨在评估多目标战术重要性的基础上对威胁度最大的目标进行优先跟踪. 最后, 仿真实验验证了所提算法的有效性.

• 无速度输入多智能体系统的一致性

  董汉,程善,张冬梅

  本文研究了有无引导者的多智能体系统在非线性协议下的一致性问题. 当智能体速度信息无法获知时, 分别针对有无引导者的多智能体系统设计了包含辅助系统和智能体相对位移信息的非线性分布式协议. 借助图论、 Lyapunov稳定性理论、 Barbalat引理等方法, 推导出有无引导者的多智能体系统在连通无向通讯网络中实现一致的充分条件, 其次, 设计了一种新的能使引导―追随者多智能体系统在有向通讯网络中实现期望一致的协议. 最后, 数值仿真验证了结果的正确性.

• 基于事件触发非线性多智能体系统的固定时间一致性

  陈世明,邵赛

  本文研究了在有向拓扑下，带有非线性动力学多智能体系统的固定时间一致性问题.提出了一种新的基于事件触发机制的非线性控制策略，对于每个智能体给出了基于状态信息的事件触发条件，当状态误差满足所给条件时才触发事件，能有效的减小系统的能量耗散和控制器的更新频次.利用Lyapunov稳定性理论和代数图论，证明在该控制策略下，多智能体系统在固定时间能实现领导跟随一致性，且不存在Zeno行为.相较于有限时间一致性策略，采用固定时间一致性策略系统的收敛时间不再依赖于系统的初始状态.最后，仿真实例验证了理论结果的有效性.

• 切换正系统的渐近稳定性、L1增益及时变H∞控制

  熊建栋,黄琼,伍俊

  本文针对带有驻留时间约束的离散时间切换线性正系统, 提出了依赖驻留时间的时变分段线性余正Lyapunov 泛函方法, 得到确保系统渐近稳定的充分条件. 另外, 将此方法推广到离散切换正系统的L1 增益性分析中,得到系统具有未加权的γ-L1增益的充分条件. 进一步,对离散切换正系统设计一个时变H∞反馈控制, 使闭环系统具有最小γ-L1增益. 最后给出一个数值算例验证文中的结论.

• 控制方向未知的高次不确定非线性系统低复杂度预定性能控制

  丁超,石超,董新民,陈勇,刘棕成

  本文研究了控制方向未知的高次不确定非线性系统预定性能控制问题. 基于有理分式函数类型的误差转换, 通过设计具有切换形式的控制器, 提出了一种低复杂度的控制方法, 并利用Lyapunov理论和反证法证明了闭环系统稳定性. 与现有其他方法相比, 该方法具有适用范围广、跟踪精度高、容错能力强、控制器简单等优点. 仿真结果验证了本文结论.

• 非线性量化小脑模型关节控制器神经网络控制器

  邱亚,李鑫,陈薇,段泽民

  常规CMAC神经网络采用线性均匀量化, 稳态控制精度与量化级数相关, 增加量化级数可提高稳态精度但会导致内存空间和计算量的增加. 本文提出一种可采用幂函数、高斯、分段三种非线性量化方法的非线性量CMAC神经网络, 并分析了非线性量化CMAC的收敛性, 解释了非线性量化提高稳态精度高的本质. 面向一阶惯性环节、二阶系统、一阶时变系统及二阶时变系统, 分别跟踪方波、斜坡、正弦波、三角波和加速度等输入信号, 仿真验证了非线性量化CMAC神经网络控制器的有效性, 给出了不同非线性量化方法的适用性. 结果表明, 非线性量化CMAC参数容易设定, 物理意义清晰, 与常规CMAC对比, 其快速性和控制精度显著提高, 可以有效解决实际复杂非线性时变系统的控制.

• 基于多策略融合粒子群的无人机对地攻击模糊博弈决策

  赵玉亮,宋业新,张建军,康丽文

  针对无人机协同对地攻击的复杂性和不确定性，联合防空火力压制与对地目标打击任务，引入存活因子、摩擦因子和状态因子等概念，考虑目标威胁度的模糊性，结合生存概率和武器消耗等因素，建立一种多阶段的模糊多目标任务分配规划模型.为更好地描述攻击任务的对抗性和多策略性，以博弈论为框架，将规划模型转化为模糊多目标双矩阵博弈综合集结模型；利用必要性理论将集结模型中的不确定性目标清晰化处理，进而运用熵权法对多个目标进行加权求和，将其转化为单目标双矩阵博弈模型.提出基于多策略融合粒子群算法的纳什均衡求解方法，通过引入自适应惯性权重、动态反向学习与局部变异策略，在增强种群多样性的同时保证粒子群局部精确搜索能力.算例仿真结果验证了所提模型和方法的有效性.

• 太阳能无人机群基于通信决策的节能连接控制

  薛阳,王舒,张亚飞,王琳,俞志程

  太阳能无人机的展弦比随着续航要求的提高而不断增大, 而拥有大展弦比的无人机不利于快速部署, 针对该问题提出了一种太阳能无人机群基于通信决策的节能连接控制策略, 并给出了确定最优连接顺序的方法, 达到将多架中小型太阳能无人机进行连接, 组成更节能的大展弦比无人机的目的. 首先, 利用扩展卡尔曼滤波对无人机的状态进行估算. 其次, 通过信息熵评估态势对无人机的飞行轨迹和航速进行调整. 最后, 通过仿真演示了虚拟无人机的实时连接过程. 研究结果证明了按最优连接顺序将无人机连接后可以显著降低编队整体的最终能量消耗, 而基于态势感知的通信策略能够有效降低通信频次, 优化编队的连接控制.

• 基于改进分段Gauss伪谱法的带推力高超声速 飞行器再入轨迹规划

  蔺君,何英姿,黄盘兴

  再入轨迹规划是高超声速飞行器领域的热点问题, 已吸引了众多国内外专家的关注. Gauss伪谱法及以分段Gauss伪谱法是解决轨迹规划问题的一类有效工具. 然而, 发动机多次点火熄火导致推力不连续以及点火时刻控制输入的连续性要求是带推力高超声速飞行器再入轨迹优化面临的新挑战. 本文将问题简化为多脉冲再入轨迹规划问题, 基于改进分段Gauss伪谱法生成满足多条件约束的最优再入轨迹. 通过设置分段Gauss伪谱法连续性条件,确保飞行器状态与控制输入在分段点处连续衔接. 通过无动力自由再入与带推力再入算例对改进分段高斯伪谱法进行说明, 仿真结果也表明, 改进分段高斯伪谱法可有效求解带推力高超声速飞行器再入轨迹规划.

• 高超声速飞行器非仿射模型的预设性能反演控制

  李小兵,赵思源,卜祥伟,何阳光

  针对高超声速飞行器高动态、快时变、强耦合、不确定与多约束的非仿射模型,设计了一种无需估计或逼近的新型预设性能反演控制方法。将高超声速飞行器纵向运动模型分解为速度子系统和高度子系统并表示为非仿射形式,并对两个子系统分别设计预设性能反演控制器。所设计的控制器不再需要虚拟控制律对时间求导,避免了“微分膨胀问题”。通过设计性能函数,保证跟踪误差限定在预期范围内,使控制器具有满意的瞬态性能和稳态性能,同时明显降低了计算量。最后,通过仿真验证了控制器的有效性及可行性。

• 基于局部保持投影–加权k近邻规则的 多模态间歇过程故障检测策略

  张成,郭青秀,冯立伟,李元

  针对多模态间歇过程故障检测问题，本文提出一种基于局部保持投影—加权k近邻规则(Locality Preserving Projections—Weighted k Nearest Neighbors, LPP-WkNN)的故障检测策略。首先，应用局部保持投影(Locality Preserving Projections, LPP)方法将原始数据投影到低维主元子空间；接下来，在主元子空间中，应用样本第k近邻的局部近邻集确定每个样本的权重并计算权重统计量DW；最后，应用核密度估计方法确定Dw控制限并进行故障检测。本文方法应用LPP对过程数据进行维数约减，既能够降低训练过程离群点对模型的影响，又能够降低在线故障检测的计算复杂度。同时，WkNN方法通过引入权重规则能够使得过程故障检测统计量分布具有单模态结构。相比传统的kNN统计量，本文引入的权重统计量具有更高的故障检测性能。通过数值例子和半导体蚀刻过程的仿真实验，并与主元分析(Principal Component Analysis, PCA)、kNN、WkNN、LPP-kNN等方法进行比较，实验结果验证了本文方法的有效性。

• 风力机系统基于H_/H∞未知输入观测器的故障诊断

  陈宣含,沈艳霞,吴定会

  针对实际工程中风力机传动系统未知输入难以完全解耦的问题，提出一种基于H_/H∞未知输入观测器（UIO）的故障诊断方法。利用未知输入观测器的等式条件将未知输入分解为可解耦与不可解耦两部分，并将可解耦部分从估计误差中消除。利用H_/H∞性能指标设计未知输入观测器的残差产生器，使残差对未知输入中不可解耦部分具有鲁棒性并对故障信号具有敏感性，并在观测器参数设计过程中引入松弛矩阵，从而实现风力机传动系统传感器的故障诊断。考虑到残差信号的随机特性，采用统计理论确定故障检测阈值，使故障诊断结果更具可靠性。经仿真验证该方法可对风力机传动系统传感器加性故障和乘性故障进行有效诊断。

• 基于极限动态规划算法的微电网一体化调度与控制

  陈俊斌,余涛,殷林飞,唐建林

  随着电力电子技术的发展，微电网已成为分布式发电的必然趋势。传统的多时间尺度控制策略之间的配合使用已经很难同时满足高品质频率稳定控制和经济调度的要求。为解决此问题，本文提出极限动态规划算法。所提算法以自适应动态规划算法为框架，以极限学习机作为其评价模块，模型模块，执行模块，预测模块的内核。基于所提算法的微电网一体化调控控制器能替代传统模式下“下垂控制+自动发电控制+经济调度”多时间尺度控制组合策略。最后，为验证所提算法的有效性，在5个节点的微电网模型进行仿真，结果验证了所提极限动态规划算法的可行性和有效性。

• 联合车速–队列感知的路边单元分组调度随机优化

  代亮,张亚楠,钱超,孟芸,黄鹤

  路边单元(RSU)是车联网中为其无线覆盖范围内过往车辆提供信息服务的基础设施，路边单元间的分组传输可通过移动车辆“存储-载带-转发”的方式进行，其传输过程中分组的端到端时延由源RSU 缓存中的排队时延与车辆载带过程的传播时延两部分组成。为使RSU间分组传输过程中平均端到端时延最小化，本文提出一种联合车速-队列感知的路边单元分组调度随机优化方法, 该方法根据源RSU缓存队列长度和经过源RSU覆盖范围的车辆速度状态作分组调度决策。通过马尔科夫决策(MDP)框架对分组传输过程中的平均排队时延和平均传播时延进行分析，建立一个非线性平均端到端时延最小化问题并求解。仿真结果表明，所提出的RSU分组调度随机优化方法可以显著降低RSU间分组传输过程中的平均端到端时延，并提高系统中分组传输的吞吐量。

• 稳态调度下单臂组合设备时间延迟分析与优化

  潘春荣,熊文清

  在半导体晶圆制造过程中，驻留时间延迟过长对晶圆质量具有消极影响。本文研究单臂组合设备稳态调度中如何合理地分配机械手等待时间，抵消驻留时间延迟的问题。首先，采用Petri网模型描述晶圆制造过程，分析了单臂组合设备稳态调度的时间特性，获得了稳态下工序驻留时间延迟计算表达式。其次，通过解构机械手等待时间对驻留时间延迟的影响机理，提出了一种机械手等待时间分配优先级规则。进一步，将虚拟瓶颈工序用于辅助分配机械手等待时间，结合优先级规则，提出了一种单臂组合设备稳态调度启发式算法。最后，通过例子验证了算法的可行性与有效性。与传统拉式策略和尽早加工策略对比，该算法能有效地减少单臂组合设备稳态调度下的驻留时间延迟并能满足晶圆制造的严格要求。

• 考虑订单组批特性的特种铝锭组炉优化

  张浩,库涛,张丁一

  铝锭熔炼是特种铝合金生产的首道工序，直接影响后面工序的生产效率和产成品质量。针对熔炼过程中，由于产品种类多样以及批量大小不一导致的制定组炉计划效率低以及组炉结果不优等问题，本文考虑熔炼炉工艺、设备特点以及订单组批规则等约束条件，建立以最小炉次数和最大订单铸锭占用比例为目标的组炉优化模型。分析该模型的特点，采用以订单分配百分比为决策变量的实数编码规则。提出一种基于冯诺伊曼拓扑结构的粒子群算法对其进行求解，并融入局部聚性算子改善算法寻优能力。设计基于真实生产数据的仿真实验，实验结果说明该模型和所提出的求解算法能够有效地解决特种铝锭组炉优化问题，符合企业实际需求。

• 动力定位的分数阶双环自适应终端滑模控制

  薛晗,邵哲平,潘家财,张锋,钟纪锋

  为了解决具有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统的控制问题,本文提出了一种基于分数阶双环自适应快速终端滑模控制算法,证明了闭环系统的稳定性,设计了自适应控制律,计算了滑模的收敛时间。控制系统由外环位置姿态环和内环速度环构成,外环滑模控制实现自动定位于期望位置和姿态,内环滑模控制实现对速度和角速度的定位。通过切换函数的设计,对不确定性和外加干扰具有较强的鲁棒性,避免系统出现抖振现象。对双环滑模控制器进行仿真,计算出动力定位外界环境扰动的变速运动情况下的前进位置、横荡位置、艏向角度、前进速度、横荡速度、艏向角速度、前进控制力、横荡控制力和艏向控制力矩等。对外环控制率增益λ2等参数对控制性能的影响进行了比较分析。结果表明,分数阶双环自适应终端滑模控制动态响应要稍快于传统双环控制,且超调量小,调整时间更短,所设计的控制器对有非线性和环境干扰的船舶动力定位系统都具有较强的鲁棒性。本算法为不确定性系统的变结构控制提供了新的解决方案,扩展了滑模控制算法的应用领域。

• 跳跃海豚群算法

  王艳娇,史新梦

  针对海豚群算法收敛速度慢、容易陷入局部最优等缺陷, 提出一种跳跃海豚群算法. 在搜寻阶段, 考虑进化时期对算法的影响, 对固定长度的声波参数实施自适应操作, 平衡算法的全局搜索和局部开发能力; 为加快算法的收敛速度, 在搜寻阶段之后加入跳跃步骤, 使个体直接跳到邻域最优解; 改进了捕猎阶段位置更新方式, 并加入变异扰动因子, 加快算法收敛速度的同时维持了种群的多样性; 为避免算法陷入局部最优, 在捕猎阶段后加入早熟收敛机制. 与6种进化算法在16个标准测试函数上进行测试, 结果表明, 本文算法较其他算法在收敛速度、收敛精度以及鲁棒性上优势明显.

• 变频泵控锚杆钻臂摆角动态滑模自适应控制

  郭一楠,陆希望,张振,巩敦卫

  巷道支护锚杆/锚索安装过程中, 液压锚杆钻机钻臂通常人工控制, 定位精度低, 导致钻杆安装偏离设计位置, 引起设备故障和巷道坍塌. 因此, 设计一种基于动态切换函数的滑模自适应摆角控制器. 针对变频泵控液压锚杆钻臂旋转系统存在的诸多内外部干扰, 设计自适应律和动态滑模控制器, 有效降低抖振和抑制干扰. 联合仿真实验表明, 动态滑模自适应摆角控制能够有效克服诸多不确定性对系统的影响, 无超调的准确跟踪设定值, 满足煤炭安全规程中锚杆/锚索安装偏转角控制和巷道稳定支护的需求.

• 不同竞争结构下闭环供应链碳减排和低碳推广决策

  李辉,汪传旭,徐朗

  为了研究闭环供应链的竞争减排和竞争低碳推广问题,分别构建了两个制造商和一个零售商分散决策结构(模型HR)、一个制造商和两个零售商分散决策结构(模型MH),两个制造商和两个零售商分散决策结构(模型HH)和两个制造商和两个零售商纵向合作结构(模型CC),通过对比前三种结构(模型HR、MH和HH)的决策结果,研究制造商竞争和零售商竞争对不同供应链结构决策的影响。通过对比后两种结构(模型HH和CC)的决策结果,研究供应链企业纵向合作对供应链竞争决策的影响。研究表明：零售商之间的横向竞争能够提高制造商的废旧产品回收水平。两个制造商和两个零售商纵向合作结构的回收水平和低碳推广努力程度最高以及市场需求最大,该结构的减排水平高低受到制造商的竞争强度和零售商的竞争强度影响。最后,结合算例分析,进一步对比四种不同供应链结构的决策结果和利润。