控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第6期

• 压电舵机动态迟滞建模与带有鲁棒干扰观测器的两自由度控制

  张臻,辛峰,周克敏

  压电宏纤维复合材料(MFC)驱动的舵机具有功耗低、质量小以及可靠性高等优点, 在无人飞行器领域有很大的应用潜力. 压电材料的动态迟滞非线性会降低舵机的控制精度和稳定性, MFC柔性结构使舵机易受外扰影响. 本文首先建立MFC 舵机Hammerstein动态迟滞非线性模型, 并设计了迟滞逆补偿器. 针对模型不确定性和外扰影响, 设计了带有鲁棒干扰观测器的二自由度控制器, 保证在外扰和模型不确定性下控制系统的鲁棒性. MFC舵机控制实验结果表明, 所设计的控制器具有良好的抗干扰性能和鲁棒性, 较传统干扰观测器显著提高了控制性能.

• 深度稀疏自编码网络识别飞行员疲劳状态

  储银雪,陆智俊,裘旭益,吴奇

  针对飞行员疲劳状态识别的复杂性和准确性，提出一种基于脑电信号的深度学习模型。首先对飞行员脑电信号进行滤波分解，提取delta波（0.5~4Hz）、theta波（5~8Hz）、alpha波（7~14Hz）、beta波（14~30Hz），提取基于脑电节律波的频域特征，作为识别模型的输入向量。其次，将一种基于深度稀疏自编码网络-Softmax模型用于飞行员疲劳状态识别，并与单层的稀疏自编码网络-softmax和传统方法PCA-Softmax模型识别结果进行比较。最后，实验结果显示，针对飞行员疲劳状态识别问题，所建立的学习模型具有很好的分类识别效果，具有较好的工程推广价值。

• 基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

  沈智鹏,邹天宇,王茹

  针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略。该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界。仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪。

• 基于自适应最优控制的有限时间微分对策制导律

  陈燕妮,刘春生,孙景亮

  针对固定末端时刻拦截机动目标的制导系统，本文首先构建了非线性有限时间微分对策框架，将导弹拦截非线性系统的最优问题转化为一般非线性系统的最优控制问题，并通过自适应动态规划算法(ADP)获得近似最优值函数与最优控制策略。为了有效实现该算法，本文利用一个具有时变权值和激活函数的评价网络来逼近Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)方程的解，并在线更新。通过李雅普诺夫法来证明本文提出的控制策略可保证闭环微分对策系统稳定性和评价网络权值近似误差的有界性。最后给出一个非线性导弹拦截目标系统的仿真例子验证了该方法的可行性和有效性。

• 有限时间内异构多智能体系统的协同输出调节

  魏文军,马羊琴,李宗刚

  为了实现异构多智能体系统在有限时间内完成协同输出调节,本文提出了分布式有限时间状态观测器控制算法和相应的输出反馈控制策略.应用图论、Lyapunov稳定性理论证明了所设计的观测器能够在有限时间内估计出外部系统状态,还证明了系统在有限时间内的稳定性,很好的解决了当部分跟随者无法获取外部命令时的有限时间输出调节问题.最后,通过Matlab数值仿真验证了该算法和协议的有效性,系统除了在有限时间内获得更快的收敛速度外,还具有良好的暂态性能.

• 基于新型帝国竞争算法的高维多目标柔性作业车间调度

  李明,雷德明

  摘要：针对高维多目标柔性作业车间调度问题(MaOFJSP)，提出了一种新型帝国竞争算法(ICA)以同时最小化最大完成时间、最大拖期、最大机器负荷和总能耗，该算法采用新方法构建初始帝国使得大多数殖民国家分配数量相近的殖民地，引入殖民国家的同化，并应用新的革命策略和帝国竞争方法以获得高质量解。最后通过大量实验测试ICA新策略对其性能的影响并将ICA与其它算法对比，实验结果表明新型ICA在求解MaOFJSP方面具有较强的优势。

• 线性/非线性切换扩张状态观测器

  陈志翔,高钦和

  为了解决非线性扩张状态观测器(nonlinear extended state observer,NLESO) 对大幅度扰动估计能力有限的问题,本文提出一种线性/非线性切换扩张状态观测器.首先分析了非线性扩张状态观测器对大幅度扰动估计能力有限的原因,然后提出在NLESO的非线性区间引入一段线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)弥补NLESO的缺陷,其次从理论上证明了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的收敛性.最后,通过数值仿真验证了提出的线性/非线性切换扩张状态观测器的可行性.

• 基于Kullback-Leibler距离的闭环系统传感器微小故障诊断

  陶松兵,柴毅,王一鸣,吴光伟

  在闭环控制系统中, 当故障幅值较小时, 由故障带来的影响会被控制量所掩盖. 因此, 闭环系统中的微小故障诊断实现更为复杂. 本文针对闭环系统中的传感器故障, 提出了基于Kullback-Leibler( KL )距离的微小故障在线检测与估计方法. 本文首先介绍了KL距离的定义及其在多变量故障检测中的应用, 然后提出了结合KL距离与快速移动窗口主成分分析( Moving window principal component analysis, MWPCA )的在线微小故障检测与估计模型. 在高斯分布的假设下, 利用系统输入输出残差构造MWPCA 的数据矩阵, 然后通过在线更新数据矩阵主成分的均值与方差实现KL距离的在线更新, 最终实现闭环系统中传感器的在线故障检测与估计. 仿真实验表明, 该方法能有效实现具有低故障-噪声比( Fault-to-noise ratio, FNR ) 特性的微小故障诊断.

• 基于经验模态分解和支持向量机的滚动轴承故障诊断

  徐可,陈宗海,张陈斌,董广忠

  本文针对滚动轴承的故障诊断问题，首先提出一种自适应波形匹配的延拓方法对经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)存在的端点效应进行改进，然后基于改进的EMD和粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)优化的支持向量机(Support Vector Machine, SVM)设计了一种两阶段的滚动轴承故障诊断方法。离线阶段对典型的正常、故障振动信号进行EMD分解并提取能量信息作为特征，送入PSO-SVM进行训练并保存模型待用，在线阶段对实时的振动信号进行EMD分解并提取特征，利用离线阶段训练好的模型进行诊断并输出诊断结果。使用美国西储大学轴承数据对该方法进行了验证，实验结果证明了该方法的有效性。

• 线性系统传感器故障的区间估计

  张文瀚,王振华,沈毅

  本文研究了离散时间线性系统传感器故障的区间估计问题. 通过将传感器故障视为增广状态, 原始系统转化为一个等效的广义系统. 基于所得到的广义系统, 利用H∞技术设计鲁棒增广状态观测器, 从而得到系统传感器故障的估计. 然后通过中心对称多胞体分析以实现对故障的区间估计. 与已有的方法相比, 本文所提出的方法具有更宽松的设计条件, 并且可以得到更加准确的故障区间估计. 最后, 通过一个四容水箱系统的数值仿真验证了所提方法的有效性和优越性.

• 可控励磁直线同步电动机的全局积分Terminal滑模控制

  蓝益鹏,王靖腾,刘欣

  为提高可控励磁直线磁悬浮同步电动机进给系统的快速性与鲁棒性, 提出全局积分Terminal滑模控制策略. 构造新型的全局积分Terminal滑模面, 对系统状态任意初值可在有限时间内收敛到零点,在趋近律中引入衰减因子, 可减小系统抖振; 在构造滑模面和趋近律的基础上设计全局积分Terminal滑模速度控制器; 为进一步削弱滑模控制的抖振, 减小切换增益, 用径向基函数神经网络设计扰动观测器, 并对扰动进行前馈补偿控制. 仿真结果表明全局积分Terminal滑模控制策略能够明显改善系统的动态性能, 缩短误差的收敛时间, 提高系统抑制扰动的能力, 削弱系统的抖振, 增强系统的鲁棒性.

• 改进型MRAS无速度传感器的无轴承异步电机矢量控制

  孙宇新,唐敬伟,施凯,朱熀秋

  无轴承异步电机（Bearingless Induction Motor, BIM）的转子磁链电压模型中含有纯积分环节，其积分初值和累计误差会影响磁链观测精度，进而使转速估计产生严重失真。为了实现BIM无速度传感器运行，本文借鉴模型参考自适应法（model reference adaptive system, MRAS）基本结构，将改进二阶广义积分器与锁频环结合以代替原有纯积分器，提出了一种新的基于MRAS的BIM无速度传感器控制方法，构建了BIM转子磁链定向无速度传感器矢量控制系统。并且，基于Matlab/Simulink的仿真验证和基于dSPACE的实验结果表明:与传统电压模型观测方法相比，所提出的转子磁链电压模型有效避免了纯积分环节带来的直流偏移和积分初值影响，有着更好的观测效果。同时，基于无轴承异步电机转子磁链定向无速度传感器矢量控制系统，电机能稳定悬浮运行，估算转速和实测转速具有很好的一致性。

• 基于自适应多核潜结构映射选择性集成模型的磨机负荷参数预测

  汤健,乔俊飞,刘卓,周晓杰

  磨机负荷参数是影响选矿流程产品质量和产量的难以检测关键过程变量。磨机研磨产生的具有多尺度、高维和共线性等特性的多源机械信号频谱与磨机负荷参数间存在复杂的非线性映射关系。核潜结构映射(KPLS)算法适合构建基于频谱数据的磨机负荷参数预测(MLPF)模型。如何进行多核参数的自适应选择和多源信息的选择性融合是目前待解决的开放性问题。针对上述难点，本文提出一种面向MLPF的自适应多核潜结构映射选择性集成(SEN)模型。首先，基于经验模态分解(EEMD)和时频变换技术处理多源机械信号，得到基于不同时间尺度候选子信号的频谱数据；接着，采用KPLS和分支定界选择性集成(BBSEN)算法，构建基于多尺度频谱的候选子子模型和SEN子模型，其多核参数从依据先验知识确定的候选集合内自适应选择；最后，从候选子子模型和SEN子模型中优选获得不同时间尺度的候选子信号模型，并再次采用BBSEN算法优选集成子信号模型并加权组合，构建最终的MLPF模型。基于实验球磨机的实际运行数据仿真验证了所提方法的有效性。

• 基于网络流的嵌入式互联网中流量控制与优化

  田鹤,赵海,邵士亮

  针对嵌入式互联网中实时应用的受限问题，本文提出优化网络资源，平衡网络流量的解决问题思路。基于此，采用图论中的最大流最小割定理，在最小物理网络拓扑结构中构建流量控制模型，并提出一种动态离散粒子群优化算法（DDPSO）。DDPSO通过优化模型中的最大流函数继而优化控制网络流量。仿真实验证明：本文提出的DDPSO算法在定义域内具有较好的收敛性；当采用分级优化策略优化控制网络流量时，本文提出的优化策略可以有效优化网络流量，充分利用网络资源，以保证实时应用要求。

• 切换滤波方法在深度图像噪声处理中的应用

  陈雪燕,余雷,费树岷

  基于Kinect深度图像的互动投影系统受到多种混合噪声干扰。单一的滤波方法只针对特定噪声，往往难以取得很好的效果，通常要将几种滤波方法联合使用。一般的联合滤波虽然可以保证图像的精确度，但算法复杂度高、耗时较长，影响了互动投影系统的实时性。针对上述矛盾，本文首次将切换系统方法引入到数字图像滤波领域，提出了一种随机切换滤波算法，并将其应用到实际的互动感投影系统中。实验结果表明，切换滤波算法既能很好地去除噪声，又能保证跟踪的实时性，达到了良好的目标跟踪效果，可以广泛应用于各种图像滤波处理系统中。

• 力矩输入有界的柔性关节机器人轨迹跟踪控制

  刘华山,金元林,程新,王泽宇,齐洁,刘洋

  为解决柔性关节机器人在关节驱动力矩输出受限情况下的轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于奇异摄动理论的有界控制器. 首先, 利用奇异摄动理论将柔性关节机器人动力学模型解耦成快、慢两个子系统. 然后, 引入一类平滑饱和函数和径向基函数神经网络非线性逼近手段, 依据反步策略设计了针对慢子系统的有界控制器. 在快子系统的有界控制器设计中, 通过关节弹性力矩跟踪误差的滤波处理加速系统的收敛. 同时, 在快、慢子系统控制器中均采用模糊逻辑实现控制参数的在线动态自调整. 此外, 结合李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明. 最后, 通过仿真对比实验验证了所提出控制方法的有效性和优越性.

• 模糊网络博弈的合作联盟优化对策研究

  苗治平,李翠,史西兵

  模糊网络博弈主要关注如何将联盟收益分配给合作联盟的每个参与者，其广义模糊博弈解同时引入参与度和调整系数，不仅实现了参与者以部分资源参与合作联盟的愿望，而且满足了保留部分收益值用于联盟再发展的需求。本文作为引文[20]的后续深入研究，对模糊网络博弈的解进行拓展，提出广义模糊核心解、广义模糊谈判集解的概念，并证明当满足超可加性的前提下，模糊网络博弈的广义模糊核心解与其广义模糊谈判集解具有等价关系，并刻画了模糊网络博弈广义核心解的非空性，算例分析结果表明合作联盟广义分配方案的存在性，为合作联盟优化对策提供服务。

• 小车倒立摆的自适应动态面控制

  黄辉先,丁灿,刘嘉婷

  针对一类含有参数扰动和外部扰动的不确定欠驱动系统提出了一种改进自适应动态面控制方法.首先通过坐标变换,将小车倒立摆模型转换成部分反馈形式,由半严格形式模型设计动态面控制器.利用模糊逻辑处理系统不确定性的能力设计自适应控制器,然后在传统动态面控制器设计中采用跟踪微分器来得到原稳定化函数的精确微分,解决传统反步法的“微分爆炸”,显著提升闭环系统的性能.采用李雅普洛夫方法,设计适当的参数,系统跟踪误差能收敛到原点,仿真结果验证了该方法的有效性.

• 输出重定义方法设计垂直/短距起降飞机高度控制器

  朱斌,陈庆伟

  垂直/短距起降飞机是一类典型的非最小相位系统. 系统的负调特性使得飞机高度响应比较缓慢, 并且会在初始阶段响应为负, 从而出现不期望的掉高现象. 针对该问题, 本文设计了新的最小相位预估控制器, 通过调节近似输出零点的方法提高系统的动态响应; 对于负调部分, 采用两步参数整定的方法设计PID控制器, 达到抑制负调的作用. 最后, 对飞机的高度俯仰控制进行了仿真验证, 结果表明设计的控制器对飞机高度初始负调具有明显的抑制作用, 并且缩短了回复上升所需的时间.