控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第5期

• 间隙引发的变载非线性及其闭环辨识

  张珩,肖歆昕

  阐明了齿轮传动位置伺服系统间隙除产生熟知的前向迟滞非线性之外, 还将因系统往复运动中加卸载相交替的反向调制致使驱动电机动力学参数同步跳变所出现的变载非线性现象. 推导建立了这类非线性在一阶谐波意义下的串联式等效频域模型及其近似计算公式, 分析了相应的幅相特性. 进一步面向服役中系统提出了直接通过闭环弱自激振荡控制所实现的间隙辨识新方法, 给出了控制器的结构及其参数整定策略. 此外, 文中还给出了含高斯白噪声测量的仿真算例, 充分验证了闭环间隙辨识方法的有效性和便捷性.

• 自由漂浮空间机器人轨迹跟踪的模型预测控制

  宁昕,武耀发

  针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题, 采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究. 在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上, 建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型; 在给定系统的性能指标和各类约束的情况下, 基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器, 并证明控制器的稳定性, 控制器中引入任务空间滑膜变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪; 以平面二杆自由漂浮空间机器人为例, 对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证. 仿真结果表明, 该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪, 还能满足各类约束.

• 线性时不变系统的切换控制器设计及H2性能实现

  吴伟林,谢巍,何伟,张浪文

  在复杂的控制系统中, 使用单一的线性时不变(LTI)控制器不能有效地处理对象的动态变化或者满足系统更多的性能要求, 基于此本文主要针对于一个LTI对象设计一个切换控制器, 该切换控制器包含多个预先且独立设计的LTI控制器, 所有的这些LTI控制器都能够使闭环系统稳定且满足相应H2控制性能准则. 基于本文提出的H2性能状态空间实现方法, 设计的切换控制器不仅可以保证在任意切换的情况下整个闭环系统满足某一H2性能, 而且可以保证局部子系统的切换点满足相应的H2性能, 仿真结果验证了方法的有效性.

• 不确定非线性系统的L∞观测器

  韩渭辛,王振华,沈毅

  针对具有参数不确定性和未知干扰的Lipschitz非线性系统, 提出了一种L∞观测器设计方法. 在未知干扰有界的假设下, 基于Lyapunov稳定性理论给出了误差系统满足L∞性能指标的设计条件, 并将其转化为方便求解的线性矩阵不等式形式. 所提出的L∞观测器不仅具有峰值到峰值形式的干扰抑制性能, 而且能够给出估计误差的实时范围. 最后, 通过一个单连杆机械臂的仿真算例验证了所提出方法的有效性.

• 有限频域约束下串联弹性驱动器的刚度控制

  于宁波,邹武林

  工程实际中的被控对象都具有明显的有限频域特性, 但目前的物理人机交互研究大多是针对全频域性能指标来设计阻抗控制器, 由此得到的控制器往往失之保守. 本文针对绳牵引串联弹性驱动下的人机物理交互问题, 采用有限频域性能约束方法来提升系统在设定频段的刚度控制性能. 首先, 分析绳牵引串联弹性驱动的刚度控制目标并将其转化成有限频域性能约束下的H∞控制问题. 其次, 根据广义Kalman-Yakubovich-Popov (KYP)引理, 将有限频域性能约束转化成矩阵不等式条件, 进而分解变换成有关全信息控制器和待求的静态输出反馈控制器的条件. 然后, 求解出一个满足条件的全信息控制器, 并迭代优化得到输出反馈控制器. 仿真和实验结果都表明, 本文方法在设定频段取得了更加精确的刚度控制效果.

• 多智能体系统一致性问题的控制器与拓扑协同优化设计

  马丹,张宝峰,王璐瑶

  本文考虑多智能体系统一致性问题的控制与拓扑协同优化设计. 首先在给定的二次性能指标下, 对多智能体系统的分布式一致性控制协议寻优, 得到依赖于网络拓扑图拉普拉斯矩阵的最优控制器. 其次, 为进一步最大限度地减少拓扑之间的连边, 又不降低多智能体系统的收敛速度, 通过权衡系统的通信能量和控制能量, 寻求网络拓扑的优化设计, 给出了拓扑优化算法和多智能体系统特征值的优化方法. 最后, 仿真研究验证了在控制器优化的基础上进一步寻求拓扑优化, 可大大提升系统的一致性性能.

• 非线性和非高斯性共存的序批次反应处理过程故障诊断(英文)

  常鹏,乔俊飞,王普,高学金

  序批式反应器（SBR）的处理过程的数据具有非高斯分布和高度非线性的特点，传统特征提取方法在进行特征提取时仅仅考虑信息最大化而忽略数据的簇结构信息导致数据特征提取的不完整。由于多向核熵成分分析是一种新的监测方法，在监测过程中的应用表明能够克服传统监测方法的缺陷，减少误报警率。因此本文结合多向核熵成分分析的的优势，提出多向核熵独立成分分析方法用于SBR过程监测及故障诊断。首先，将三维SBR过程数据利用一种新的数据展开技术变为二维数据；其次，利用核熵成分分析将展开后的二维数据映射到高维空间用独立成分分析进行独立成分提取；最后提出一种基于多向核熵独立成分分析的故障诊断方法进行故障诊断。将该方法和传统方法应用于80升的SBR处理过程的监测结果表明，本文提出的方法优于传统的多向独立成分分析方法。

• 带扰动的多非完整移动机器人分布式有限时间一致性控制

  姜玉涛,刘忠信,陈增强

  论文研究多个非完整移动机器人在控制输入存在干扰时, 有限时间一致性控制问题. 利用坐标变换, 将多移动机器人系统的一致性问题转化为非完整约束链式系统的一致性问题, 在控制输入带有未知有界干扰的条件下,设计了一种分布式控制算法, 并利用Lyapunov理论证明了该算法能够使移动机器人的各个状态在有限时间内达到一致. 最后通过数值仿真证明了算法的有效性

• 欠驱动水面机器人变周期全局渐近镇定控制

  张鹏飞,郭戈

  为了实现欠驱动水面机器人的全局渐近镇定, 首先借助微分同胚变换, 将欠驱动水面机器人的镇定问题转化成对由两个串级子系统构成的二阶欠驱动系统的镇定问题. 针对转换后的系统, 本文提出一种光滑的变周期控制方法, 以实现对该系统的全局渐近镇定. 与已有文献中控制律使用常数周期的方法相比, 本文方法根据系统状态实时调整控制律周期, 从而提高系统在原点附近的收敛速率. 随后, 基于上述方法, 给出了水面机器人变周期控制算法, 实现原系统的全局渐近镇定. 最后, 仿真对比结果验证所提变周期控制方法的有效性.

• 一类受约束非线性系统的有限时间优化镇定

  淳于丹丹,苏佰丽,孙宗耀

  研究了一类状态和控制均受约束的非线性系统的有限时间镇定问题. 设计有限时间优化控制器使得系统的状态在有限时间内进入预先设定的区域, 进而设计有限时间鲁棒镇定控制器使得系统的状态在有限时间内收敛到原点. Lyapunov函数分析给出吸引域的估计, 并确保在不同状态下, 设计的控制器使得闭环系统有限时间稳定. 仿真算例验证算法的有效性.

• 单峰混沌系统的相空间均匀化及动力学特性

  徐辉,佟晓筠,张淼,刘杨,王翥

  由经典一维混沌映射构造密码系统存在短周期轨道、密钥空间小和相空间分布不均匀等安全性缺陷. 为解决经典一维混沌密码的安全性问题, 提出了一种新型的一维单峰混沌系统及其改进的复合形式. 采用普适性均匀化算法来获得等概率分布的混沌序列并给出了概率密度数学证明. 对改进的单峰混沌系统的遍历性、李雅普诺夫指数、相空间和分岔、信息熵和近似熵等动力学和随机特性指标进行了计算和分析. 通过与相关研究的对比可知, 改进的单峰混沌系统具有稳定的李雅普诺夫指数、扩展的相空间、均匀的概率密度和更高的近似熵值. 理论推导和数值计算论证了本方案可以满足密码系统中非线性部件的安全属性要求.

• 带有超大型挠性网状天线航天器姿控系统的参数化多目标设计

  武云丽,林波,曾海波

  本文研究了带有超大型挠性附件的卫星的姿态控制问题。关于挠性航天器振动抑制与姿态控制，绝大多数已有的控制方法都是针对某一单一指标提出的。然而工程上要同时兼顾精度、快速性、平稳性、挠性部件的振动抑制以及各种鲁棒性，因此挠性航天器的姿态控制系统设计实际上是一个典型的多目标设计问题。本文针对具有超大挠性网状天线卫星的俯仰通道姿态系统，提出了一种基于输出反馈的鲁棒极点配置的参数化多目标设计方法。首先给出了系统能控与能观的充分必要条件，然后给出了动态补偿器以及特征向量矩阵的参数化表达，并在此基础上进一步对自由参向量进行了多目标优化，使得控制系统具有：（1）配置到期望区域的极点；（2）较低的特征值灵敏度；（3）较强的高阶未建模动态抑制能力；（4）尽可能小的控制增益。最后，本文根据卫星工程参数进行了控制器设计与仿真验证，仿真结果表明本文提出的方法可以在动态响应、高阶未建模动态抑制能力、控制量峰值等方面优于传统的PID 控制器。

• 基于主元分析得分重构差分的故障检测策略

  张成,郭青秀,李元,高宪文

  基于主元分析(principal component analysis, PCA)的统计过程控制方法通常假设数据的生成过程是独立同分布的. 当数据存在多模态结构或过程变量非线性相关时, PCA方法的故障检测性能将受到影响. 针对上述问题, 本文提出一种基于PCA得分重构差分的故障检测策略. 首先, 应用PCA将输入空间分解为主元子空间和残差子空间; 接下来, 应用k近邻规则重构当前样本得分向量并计算样本的得分重构差分向量; 最后, 计算得分重构差分向量的统计值并进行故障检测. 本文方法不仅可以降低数据多模态和变量非线性相关等特征对过程故障检测的影响, 同时可以降低统计量的自相关性、提高过程故障检测率. 将本文方法在两个模拟例子和田纳西-伊斯曼(Tennessee Eastman, TE)过程中进行测试, 并与PCA、核主元分析(Kernel PCA, KPCA)、动态主元分析(Dynamic PCA, DPCA) 和k最近邻故障检测(Fault detection based on k nearest neighbors, FD-kNN)方法进行对比分析, 测试结果证明了本文方法的有效性.

• 多非线性多视角局部保持投影的步态识别

  陈晓云,康叶媛,叶先宝

  已知样本与待识别样本的视角差异是影响步态识别精度的主要因素, 子空间方法将不同视角的步态投影到公共子空间, 能有效避免视角差异的影响. 但现有方法多通过学习投影矩阵对样本进行线性投影, 难以保持多视角步态数据的原始非线性结构. 针对于此, 本文提出多非线性多视角局部保持投影. 先用非线性函数族实现样本的多次非线性投影, 再基于局部结构保持原则将不同视角的样本投影到公共子空间, 最后在公共子空间中进行最近邻分类识别. 在多视角步态库CASIA(B)进行步态识别实验, 结果表明本文方法在多种视角组合下优于其它投影方法.

• 应用控制变迁的柔性制造系统死锁控制策略

  李绍勇,孙智冬,蔡颖,厚彩琴,韩喜莲,马兵善

  不同于目前许多文献中基于添加控制库所的死锁预防策略, 本文提出了控制变迁方程(control transition equation, CTE)的概念和相应的基于添加控制变迁(control transition, CT)的死锁控制策略(deadlock control policy,DCP). 通过分析存在死锁的原网(N0, M0)的可达图(reachability graph, RG), 该DCP求解出所有死锁标识(deadlock marking, DM). 基于CTE, 构造出所需的控制变迁. 然后, 对每个DM添加相应的CT, 进而消除了原网(N0, M0)中的死锁标识, 得到了活性受控网系统(N*,M*). 通过理论分析和相关算例的应用, 该DCP的正确性和有效性得到了验证. 此外, 该DCP获取的(N*,M*)可达数目与(N0,M0)是相同的, 即最大可达数(maximally reachable number, MRN).

• 增强分布估计算法求解低碳分布式流水线调度

  杨晓林,胡蓉,钱斌,吴丽萍

  针对低碳分布式流水线调度问题(low carbon scheduling of distributed flow shop problem, DFSP_LC),提出了一种基于序关系的增强分布估计算法(enhanced estimation of distribution algorithm based on ordered relationship, OEEDA),用于最小化最大完成时间和总碳排放量. 在OEEDA的第一阶段,利用基于贝叶斯统计推断的分布估计算法(estimation of distribution algorithm based on Bayesian statistical inference, BEDA)在问题解空间进行一定时间的搜索,用于发现优质解并将其保存于非劣解集中.在OEEDA的第二阶段,提出了基于序关系的四维矩阵(four-dimensional matrix based on ordered relationship, OFDM)对优质解的序关系(即工件块结构及其位置信息)进行有效学习和积累,进而设计了在解中固定部分块结构的采样机制,可更加明确地指导算法的全局搜索方向.同时, 引入基于解、工厂间、工厂内的三种不同Insert融合的搜索方式,对两个阶段全局搜索得到的优质解区域进行较为细致的局部搜索.最后,通过仿真实验和算法对比验证了OEEDA 的有效性.

• 均衡流量和饱和度的交通瓶颈控制

  朱海峰,刘畅,温熙华,刘彦斌,韦学武,刘云鹏

  为快速疏散交通瓶颈, 提出一种均衡流量和饱和度的交通控制方法. 首先, 利用过车数据获得各路段与瓶颈的关联度, 据此得到相关路段, 并依据路段剩余空间和排队增长趋势确定可控与不可控路段; 其次, 依据瓶颈的流量和排队长度, 确定总消散量, 并分配到可控路段上; 可控路段再依据约束条件动态调节分配量, 并进行绿灯时长优化; 同时不可控路段将多余流量均衡到周边路段; 然后, 以饱和度均衡为目标进行配时优化. 从而, 该方法可消散已识别瓶颈, 消除潜在瓶颈. 最后, 通过仿真实验对所提方法的有效性进了验证.

• 基于星凸随机超曲面的扩展目标伽马高斯混合势概率假设密度滤波器

  李翠芸,王精毅,姬红兵,刘远

  针对杂波和漏检情况下扩展目标形状估计精度低的问题，提出了一种基于星凸随机超曲面（SRHM）的扩展目标伽玛高斯混合势概率假设密度(CPHD)滤波器。该算法在高斯混合概率假设密度滤波的框架下，首先将目标形状建模为星凸随机超曲面，然后通过CPHD滤波估计出目标的质心位置和目标数目，最后通过将目标的质心位置作为目标形状的中心点来结合量测对目标形状进行估计。其中，算法通过自适应估计尺度变换因子和对形状边界进行约束优化，解决了星凸随机超曲面模型存在着边界形状不规则的问题。通过杂波环境下未知数目的扩展目标仿真实验，验证了所提算法的有效性和可行性。

• 基于频域近似的线性系统自抗扰参数整定

  张彬文,谭文,李健

  采用带宽法进行线性自抗扰控制器 (Linear active disturbance rejection control, LADRC)参数整定是目前被普遍接受的调参方法，便于工程人员理解，但由于控制器阶数和相对增益的选择问题限制了其推广。现有的很多基于模型的控制算法都有相对成熟且便于理解的整定方法，同时可以获得满意的控制性能，因此，本文提出基于频域近似的LADRC参数整定方法。该方法通过基于模型的（本文以广义自抗扰控制为例）控制算法求得反馈控制器，然后通过在一定频域内将二阶LADRC与其近似，通过求解非线性方程组的解来得到相应的LADRC参数整定：b0、ωc和ωo。实验仿真表明，通过该方法整定的控制器既保持了LADRC的特性同时继承了反馈控制器的部分优良特性，其结构简单，便于工程实现，为工程人员提供了一种新的参数整定思路。