控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第1期

• 类脑智能技术在无人系统上的应用

  赵欣怡,宗群,张睿隆,田栢苓,张秀云,冯聪

  随着人工智能与脑科学等前沿技术的迅速发展, 无人系统智能化研究正逐渐成为当今世界强国重点关注的战略发展方向, 研究与之相关的科学问题具有前瞻性、战略性和带动性. 文章首先分析了无人系统的发展需求,提出了面向需求的若干关键问题, 包括复杂环境与态势信息的感知与认知问题、整体效能最优的分布式任务决策问题、面向任务需求的路径实时规划问题、考虑高不确定环境的自学习控制问题、应对非预期情况的故障诊断及容错问题以及基于人机接口的人机交互问题; 随后, 系统阐述了类脑智能技术在解决这些问题上的国内外研究现状;最后, 论述了无人系统类脑智能化发展中依然存在的问题及未来发展趋势.

• 产业共性技术扩散的演化博弈分析

  马永红,苏鑫,赵越

  基于产业共性技术扩散的演化机理分析, 结合累积前景理论, 构建产业共性技术扩散三阶段演化博弈模型,研究不同演化阶段产业共性技术扩散的主体行为及影响机制. 结果表明: 政府对产业共性技术采纳起到决定性作用, 在产业共性技术二次创新过程中起到中介作用, 但对共性技术产品定价作用不大; 企业对二次创新方式的选择,更多考虑创新知识溢出而不是额外收益; 在附随产品扩散阶段, 产业共性技术的技术性能是影响扩散的首要因素.

• 基于多种群量子进化的区间二型模糊规则挖掘算法

  钱小毅,张宇献,张志锋,王建辉

  利用智能优化算法挖掘模糊分类规则能够解决模糊前件参数和无关项的组合优化问题, 但也存在依赖初始规则以及更新过程无指导等缺陷, 导致分类精度难以保证. 为此, 本文以二型模糊规则分类系统为框架, 采用模糊聚类得到代表性样本并启发式的产生初始规则, 以量子等位基因形式对规则进行编码生成多初始种群, 根据基因的优良性, 以变尺度变异操作实现等位基因的指导性进化. 在此基础上, 利用矛盾规则重构机制, 提高模糊规则分类系统的精度. 将所提出算法与FH–GBML–IVFS–Amp算法和GAGRAD算法进行了分类精度对比, 并在不同噪声水平下, 与C4.5算法、朴素贝叶斯分类器和BP神经网络进行分类鲁棒性比较, 实验结果表明所提出算法具有较好分类精度与鲁棒性.

• 基于多输出最小二乘支持向量回归建模的自适应非线性预测控制及应用

  戴鹏,周平,梁延灼,柴天佑

  提出一种可有效提高常规预测控制方法控制性能与计算效率的数据驱动自适应非线性模型预测控制方法. 首先, 为了提高多输出非线性系统最小二乘支持向量回归(least squares support vector regression, LS–SVR)建模的精度,考虑各维输出间的耦合关系, 采用在目标函数中加入样本整体拟合误差项, 实现多输出LS–SVR(multi-output LS–SVR,M–LS–SVR)预测建模, 同时采用粒子群算法优化模型参数; 其次, 针对动态过程建模的模型失配问题以及由于M–LS–SVR模型复杂导致传统智能算法求解预测控制律缓慢的问题, 提出自适应非线性模型预测控制策略, 包括两个非线性优化层: 第1层采用梯度下降算法实时优化模型和实际过程输出的偏差, 以自适应调节模型参数; 第2层采用具有全局收敛性和超线性收敛速度序列二次规划(sequential quadratic programming, SQP)算法设计非线性预测控制器, 以加速预测控制律的求解速度. Benchmark仿真实例及在高炉炼铁过程的数据试验表明: 所提基于M–LS–SVR预测建模的自适应非线性模型预测控制具有较快的求解速度、较好的设定值跟踪和干扰抑制性能以及较强的鲁棒性

• 基于案例推理增强学习的磨矿过程设定值优化

  代伟,王献伟,路兴龙,柴天佑

  磨矿粒度和循环负荷是磨矿过程产品质量与生产效率的关键运行指标, 相对于底层控制偏差, 回路设定值对其影响要严重的多. 然而, 磨矿过程受矿石成分与性质、设备状态等变化因素影响, 运行工况动态时变, 难以建立模型, 因此难以通过传统的模型方法优化回路设定值. 本文将增强学习与案例推理相结合, 提出一种数据驱动的磨矿过程设定值优化方法. 首先根据当前运行工况, 采用基于Prey-Predator 优化的案例推理方法, 决策出可行的基于Elman神经网络的Q函数网络模型; 然后利用实际运行数据, 在增强学习的框架下, 根据Q函数网络模型优化回路设定值. 在基于METSIM的磨矿流程模拟系统上进行实验研究, 结果表明所提方法可根据工况变化在线优化回路设定值, 实现磨矿运行指标的优化控制.

• 选择性催化还原烟气脱硝深度结构和深度控制

  牛玉广,潘岩,陈曦

  针对火力发电厂氮氧化物排放环保要求日渐严格的现状, 以优化排污控制效果为目标, 提出了于喷氨格栅加装调节阀和测点的优化改造方案. 在此基础上参考受限玻尔兹曼机网络结构设计了多输出串级平面场深度控制结构方案;为实现选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)脱硝系统的深层优化, 提出单神经元自适应–模拟退火(singleneuron adaptive simulated annealing, SNASA)算法, 并作为优化方案的控制器对喷氨系统进行深度结构控制; 提出深度粒子群(deep particle swarm optimization, DPSO)算法, 在相同方案中作为控制器以实现喷氨系统的深度控制. 设计了控制品质系数, 为各系统的比较提供直观依据. 仿真结果表明: 所设计的两个基于深度网络的喷氨优化系统控制品质良好,鲁棒性强, 较基于传统方案的喷氨控制优势明显, 对工程现场有一定的指导意义

• 基于浸入和不变技术的非线性跟踪控制

  李晓静,吴爱国,张兆龙

  为实现欠驱动四旋翼飞行器的位置及偏航渐近跟踪, 本文基于浸入和不变技术(immersion and invariance,I&I)提出非线性跟踪控制方法. 针对四旋翼飞行器的欠驱动特性, 设计了内/外环分别为姿态和位置的双闭环结构, 并采用浸入和不变技术构建内/外环的稳定跟踪控制器, 利用李雅普诺夫定理保证闭环系统的渐近稳定性. 最后, 在MATLAB/Simulink环境下进行数值仿真, 验证了I&I控制方案的有效性.

• 一体化执行器饱和线性矩阵不等式跟踪容错控制器设计

  刘聪,钱坤,李颖晖,刘勇智,丁奇

  针对一类执行器幅值饱和的不确定非线性系统, 提出了基于线性矩阵不等式的一体化主动容错控制器设计方法. 考虑执行器传感器同时故障情形, 采用系统增维方法, 将原系统等效转化为仅含执行器故障虚拟系统, 简化了容错控制器设计. 其次采用凸组合法对执行器饱和非线性进行描述, 确保控制输入始终在幅值范围以内. 在此基础上, 设计了集自适应估计律与控制器于一体的主动容错控制器, 并将控制器增益解算方法, 转化线性矩阵不等式约束下的优化问题. 最后通过飞机数值算例验证了设计方法的有效性.

• 机械系统的快速有限时间跟踪控制及其在航天器交会中的应用(英文)

  张凯,段广仁

  针对一类具有匹配干扰的二阶机械系统, 本文研究了快速有限时间跟踪控制问题. 结合有限时间反步法和非奇异快速终端滑模, 本文提出了一种新的快速有限时间控制律, 并给出了控制器参数所需满足的充分条件以保证系统的快速有限时间稳定性. 进一步地, 在一定情形下, 所设计的快速有限时间控制律能够退化为经典的反步法、有限时间控制律和非奇异快速终端滑模控制律. 最终, 将所设计的控制律应用于航天器交会系统, 数值仿真结果验证了所提方法的有效性.

• 异质车联网环境下耦合映射跟驰模型的协同控制问题

  翟聪,巫威眺,黄玲

  本文考虑驾驶员的滞后反应时间随时间变化的特性, 提出了更符合实际的耦合映射跟驰模型, 利用李雅普诺夫函数理论, 推导了车队行驶满足稳定性的充分条件. 在此基础上, 考虑异质车联网环境下同时存在人工驾驶车辆和自动驾驶车辆根据车流的运行特性, 将人工驾驶车辆抽象为自动驾驶车辆传感器失效的情况, 设计了状态反馈速度控制器,使得闭环系统在部分传感器失效情况下仍然满足渐近稳定, 即可缓解交通拥挤问题, 利用MATLAB的LMIs工具箱求解得到该控制器的增益参数, 最后通过数值算例将控制器的性能与传统的Konishi反馈控制器和无控制器情形相比, 并分析了人工车辆的比例和位置对控制器效果的影响, 验证了本文方法的有效性.

• 弱连接多子群分子动理论优化算法

  范朝冬,刘颖南,章兢,易灵芝,肖乐意

  针对分子动理论优化算法拓扑结构与“群集”现象的不足, 提出了一种弱连接多子群分子动理论优化算法. 该算法分为上下两层, 下层由一系列分子子群执行启发式快速搜索, 以提高算法的收敛速度; 上层中的混沌扰动子群基于混沌扰动机制, 以便停滞状态的分子子群能跳出局部极值; 上层中的免疫局部学习子群选取下层中的部分优秀个体进行局部学习, 以实现精细化搜索而提高算法的收敛精度. 仿真结果表明, 该算法在寻优精度、收敛速度以及求解偏移函数等方面均有良好的性能.

• 基于扩张状态观测器的 连铸结晶器振动位移系统自适应滑模控制

  李建雄,张文博,章启宇,方一鸣

  针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在时变负载转矩、参数不确定性等问题, 本文提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的自适应非奇异终端滑模(nonsingular terminal sliding mode,NTSM)控制方法. 首先, 设计ESO对系统存在的综合扰动和不可测状态进行估计. 然后, 采用分层设计的方法, 分别对位移跟踪子系统和电流环子系统设计基于ESO的自适应NTSM控制器和滑模控制器. 为削弱ESO估计误差对跟踪精度的影响, 在NTSM控制器中引入了自适应增益. 可以证明, 所设计的控制器能够保证闭环系统所有信号有界,系统状态可渐近收敛到原点附近的小邻域内. 最后, 仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.

• 基于概率分布区间的纳米操作机器人路径规划

  袁帅,邢景怡,尧晓,栾方军,赵升彬

  在原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)机器人化纳米操作中, 由于探针在任务空间中位置不确定性随着时间和探针移动的增加而逐渐增大, 使得探针无法精确定位, 导致纳米操作效率低下. 针对此问题, 本文参考宏观机器人利用路标定位的策略, 提出基于概率分布区间的探针路径规划方法, 在分析路标观测中探针定位精度的基础上,通过定义概率分布区间规划探针扫描路径以及观测距离, 建立路标邻接矩阵. 然后使用Dijkstra算法和蚁群算法对纳米操作的探针进行路径规划. 仿真与实验结果验证了该方法的有效性. 最后针对任务空间中缺乏路标的情况, 提出主动配置路标方法, 进一步有助于推动AFM纳米操作在微纳器件装配中的实际应用.

• 非匹配不确定系统的滑模控制及在电机控制中的应用

  王坤,王建美,王芳,华长春

  针对具有匹配与非匹配不确定的非线性系统, 设计基于干扰观测器和多幂次趋近律的滑模控制策略. 首先,通过干扰观测器估计系统的不确定, 实现估计误差在有限时间内收敛; 其次, 基于积分型滑模面, 并结合多幂次趋近律, 设计了连续滑模控制律, 避免了传统滑模的抖振问题. 与基于单幂次和双幂次趋近律的滑模控制策略相比, 所设计的基于多幂次趋近律的控制策略, 提高了系统的收敛速度. 最后, 通过数值仿真和永磁同步电机控制仿真验证了所设计的控制策略的有效性.

• 液压支护平台的异步自抗扰平衡控制

  何勇,郭一楠,巩敦卫

  迈步式超前支护液压支架主要用于煤矿综掘迎头巷道的临时支护, 其关键部件之一是支护平台. 巷道底板难以保持水平等因素的影响, 使得液压支护平台很难平衡, 从而影响了巷道支护的快速性与有效性. 为了保持液压支护平台的平衡性, 本文提出了该平台的异步自抗扰平衡控制方法. 首先, 借鉴平台传统四缸同步控制方法, 提出逐高双向异步控制方法, 基于此方法得到每一立柱油缸位移解耦后的期望值; 然后, 根据立柱油缸位移控制系统特性, 设计了自抗扰控制器, 保证每一立柱油缸的位移在复杂工况下精确的达到期望值; 最后, 将所提方法应用于煤矿综掘巷道迈步式超前支护液压支架调平中, 建立了基于MATLAB和AMESim的仿真系统. 不同场景的仿真结果表明, 液压支护平台在负载和倾角突变时, 所提方法仍能很好的保持液压支护平台的平衡, 且具有比传统PI控制以及GM(1; 1)灰色预测控制具有更优越的动态性能.