控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2019年第9期

• 从拓扑功能角度探析交流电力弹簧拓扑的衍化发展

  章云,杨高明,张桂东,陈思哲,张波

  本文系统的阐述了交流电力弹簧抑制电网电压波动的基本原理,归纳了现有的交流电力弹簧拓扑结构,包括第一代交流电力弹簧、第二代交流电力弹簧、第三代交流电力弹簧、三相交流电力弹簧、新型交流电力弹簧和统一的交流电力弹簧拓扑;从拓扑功能角度出发,探析了不同拓扑结构电力弹簧的衍化发展及其功能上的异同点, 提炼了它们不同的功能特点和应用场合.本文紧接着阐述了交流电力弹簧的相关控制方式,探讨了目前交流电力弹簧的优点及其还存在的缺陷,并对该技术未来的研究方向进行了展望.

• 基于单应性矩阵的移动机器人编队跟随控制

  曹雨,刘山

  本文针对以领航-跟随模型为代表的移动机器人编队系统提出了一种基于单应性的编队跟随控制方案,在给定理想队形间隔距离和理想期望图像的前提下,利用单应性矩阵构造可反映理想队形中跟随机器人实时位姿的虚拟机器人,将原先的编队问题转化为对虚拟机器人的轨迹跟踪问题。编队跟随过程中,领航机器人的速度采用估计的方式,利用单应性与速度之间的关系模型以及跟随机器人的实时速度能较为准确的估计领航速度,从而避免采用局部通信的方式,节省了编队实验成本。最后本文进行的半实物仿真以及实物实验均可验证所提出的编队跟随算法包括速度估计方法的实际有效性。

• 面向多星任务规划问题的改进遗传算法

  宋彦杰,王沛,张忠山,邢立宁,陈英武

  卫星数量的快速增加为管控卫星的工作增加了很大的难度，如何有效地进行任务规划，有效管理卫星资源，成为了卫星领域的一个重要问题.针对此问题, 本文构建了多星任务规划的数学模型, 将最大化任务收益作为优化目标. 本文分析了问题的难点并提出了一种包含两种优化策略的改进遗传算法，包括全局优化和局部优化两部分. 全局优化和局部优化根据种群改进情况进行自适应切换. 通过两种优化方法的结合可以提升任务规划的效果.本文还提出了一种任务规划算法，用于为改进遗传算法得到的任务序列选择合适的任务执行时间. 仿真实验证明本文提出的改进遗传算法可以很好地解决多星任务规划问题,与对比算法相比可以得到更优的规划结果. 改进遗传算法有很好的工程应用前景.

• 基于量子行为烟花算法的移动机器人路径规划及平滑

  薛裕颖,张祥银,张国梁,贾松敏

  针对移动机器人全局路径规划问题，提出一种基于量子行为烟花算法(Quantum-behaved fireworks algorithm, QFWA)的路径规划方法。改进算法在基本烟花算法(Fireworks algorithm, FWA)的基础上增加了基于量子行为的烟花爆炸策略。该策略使得种群在接近全局最优时具有较强的局部搜索能力，同时在种群远离全局最优位置时具有较强的全局搜索能力。改进算法提高了烟花爆炸产生火花的多样性和算法的收敛速度。在Benchmark测试函数上将改进算法与其他几种优化算法进行了对比，结果表明改进算法的性能优于其他算法。将QFWA应用于求解移动机器人路径规划问题，并采用均值滤波结合人工势场法对规划出的路径进行平滑处理。仿真实验结果表明改进方法在移动机器人路径规划问题上的可行性和有效性。

• 智能车辆深度强化学习的模型迁移轨迹规划方法

  余伶俐,邵玄雅,龙子威,魏亚东,周开军

  针对智能驾驶车辆传统路径规划中出现车辆模型跟踪误差和过度依赖问题，提出一种基于深度强化学习的模型迁移的智能驾驶车辆轨迹规划方法。首先，提取真实环境的抽象模型，该模型利用深度确定性策略梯度(DDPG)和车辆动力学模型，共同训练逼近最优智能驾驶的强化学习模型；其次，通过模型迁移策略将实际场景问题迁移至虚拟抽象模型中，根据该环境中训练好的深度强化学习模型计算控制与轨迹序列；而后，根据真实环境中评价函数选择最优轨迹序列。实验结果表明，所提方法能够处理连续输入状态，并生成连续控制的转角控制序列，减少横向跟踪误差；同时通过模型迁移能够提高模型的泛化性能，减小过度依赖问题。

• 不确定线性系统的可达集估计

  张值豪,韩渭辛,沈毅,王振华

  本文针对线性不确定系统, 研究了系统状态可达集估计问题. 在已知参考输入, 未知扰动有界的条件下, 提出了一种新的可达集估计方法, 并把所提方法推广到系统不稳定的情况, 分别估计出不稳定系统的闭环可达集和开 环可达集. 通过分析动态系统的李雅普诺夫函数, 将求取系统可达集的问题转化为线性矩阵不等式优化问题, 并将 可达集范围用椭球集形式表述. 最后分别通过数值仿真分析, 验证了所提出方法对线性系统可达集估计的有效性.

• 一类函数完全未知的随机非线性系统自适应H∞跟踪控制

  李小华,刘辉,刘晓平

  针对一类函数完全未知的严格反馈随机非线性系统, 提出了一种基于backstepping技术的鲁棒 H∞自适应神经跟踪控制器设计的新方法. 该方法可在随机非线性系统是依概率一致最终有界的情况下, 保证随机非线性系统 H∞性能指标, 且 H∞踪踪控制器容易获得. 同时该方法去除了一些文献中神经网络逼近误差需要平方可积的假设. 文中使用RBF神经网络逼近打包的未知非线性函数. 所设计的控制器能够保证闭环系统跟踪误差及其它所有信号都是依概率有界的, 且对外界干扰具有鲁棒 H∞抑制作用. 最后, 仿真结果验证了所提方法的有效性和正确性.

• 倾转式三旋翼无人机的有限时间收敛控制设计

  王征宇,鲜斌

  倾转式三旋翼无人机是一种多旋翼无人机的特殊构型, 其兼具单旋翼无人机与普通多旋翼无人机的特点. 然而目前对于此类无人机的鲁棒控制设计研究成果较少, 多数已有的控制方法未考虑外界扰动以及模型的参数不确定性对此类无人机控制的影响. 为此本文针对倾转式三旋翼无人机动力学模型存在的转动惯量未知, 以及飞行中受到未知外界扰动影响的情况, 基于super-twisting算法, 设计了一种新型非线性鲁棒控制方法. 通过基于Lyapunov的稳定性分析方法, 证明了闭环系统的稳定性, 并得到在有限时间内三旋翼无人机的姿态跟踪误差收敛的结果. 本文中所提出的控制算法, 在倾转式三旋翼无人机实验平台上进行了实时飞行控制实验, 取得了较好的控制效果.

• 认知无人机–环境系统的防碰撞稳定性

  魏瑞轩,倪天,赵晓林,张兴宇

  借鉴人在复杂动态环境中的自主防碰撞行为, 可以构建具有认知防碰撞能力的无人机. 针对认知防碰撞决策的有效性问题, 将认知无人机与环境的动态交互过程作为整体, 通过分析认知无人机–环境系统状态的运动模式, 基于混合时间集建立了认知无人机–环境系统的脉冲微分包含(impulse differential inclusions, IDI)模型. 按照认知无人机防碰撞过程的IDI运行机理, 将系统状态空间划分为三类运行域, 建立了认知无人机–环境系统的防碰撞稳定性定义, 进而运用IDI理论, 导出了使认知无人机–环境系统防碰撞稳定的充要条件. 仿真实验结果表明, 导出的防碰撞稳定条件可以为无人机认知防碰撞决策的有效性提供依据.

• 输入受限的非仿射无人帆船航向系统自适应动态面控制

  沈智鹏,邹天宇,郭坦坦

  针对输入受限和控制方向未知的无人帆船航向控制问题,考虑系统模型存在动态不确定和未知外界扰动的情况,本文提出一种基于非仿射航向运动数学模型的最小参数自适应递归滑模动态面控制策略。该策略通过Taylor展开方法将非仿射模型转化为具有线性结构的仿射时变系统,采用最小参数学习神经网络逼近无人帆船模型不确定部分,并利用双曲正切函数处理控制输入饱和现象,引入Nussbaum函数处理系统中未知控制方向问题,同时综合考虑帆船艏摇角速度误差和航向误差之间关系设计递归滑模动态面舵角控制律,并设计参数自适应律对神经网络逼近误差与复合干扰总和的界进行估计。选取李雅普诺夫函数证明了所设计控制器能够保证航向闭环系统内所有信号的一致最终有界性。最后,基于一艘12m无人帆船进行仿真验证,结果表明无人帆船航向控制响应速度快,所设计的控制器能有效地处理模型不确定项和风浪等外界扰动,具有较强的鲁棒性。

• SINS/GNSS/CNS组合导航自适应容错联邦滤波方法

  张 闯,赵修斌,庞春雷,冯 波,高 超

  针对子系统发生缓变故障会影响联邦滤波器精度的问题,分析了信息分配因子对子滤波器精度和鲁棒性、全局估计精度以及故障检测效率的影响。在此基础上,研究了一种自适应容错联邦滤波方案。通过对量测噪声阵进行自适应调节来降低未检测出来的故障信息对故障子滤波器和全局估计精度的影响,进而提升无故障子滤波器的精度和系统重构能力；根据子滤波器故障检测函数值来动态调节信息分配因子,可进一步提升故障检测效率。仿真结果表明,相比于传统的容错联邦滤波,该方法能有效降低故障信息对滤波精度的影响,具有较高的全局估计精度。

• 风洞试验绳牵引并联支撑系统自适应滑模控制

  刘骏,王晓光,王宇奇,林麒

  针对绳牵引并联支撑系统在风洞试验中的应用，提出一种自适应滑模控制方法以提高飞行器模型动态试验的运动精度。首先，详细分析了系统不确定因素，并重点考虑了气动力与绳弹性变形的影响，重构了系统动力学方程；基于奇异摄动理论，提出一种复合控制律，其中对慢变状态量采用自适应连续非奇异终端滑模控制，对快变状态量采用微分控制；通过李雅普诺夫函数法对系统的稳定性进行了分析，确定了控制律中微分增益项的影响。最后，以两种典型的动态轨迹为例，考虑气动力建模，对所设计控制律进行多参数仿真分析。结果表明该复合控制律可以减小绳弹性以及气动力等不确定性参数对跟踪误差的影响，提高运动控制精度，因此该控制方法有效可行，可为绳牵引并联支撑的动态试验应用提供理论指导。

• 直流降压变换器的降阶扩张状态观测器与滑模控制设计与实现

  王军晓,戎佳艺,俞立

  本文针对直流降压变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响, 提出了基于降阶扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+RESO). 首先设计降阶扩张状态观测器对系统状态, 负载电阻扰动和输入电压变化进行估计, 然后基于估计值利用滑模控制技术设计控制器, 实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性. 值得注意的是, 不同于\!\cite{1}所提出的基于扩张状态观测器的滑模控制方法(SMC+ESO), 本文所提出的方法采用降阶扩张状态观测器, 实现简单, 且无需电流传感器, 减小了实际应用的成本. 利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性. 仿真和实验结果表明, 与已有的基于扩张状态观测器的滑模控制方法相比, 所提出的控制方法更好地改善了系统的跟踪性能和对干扰和不确定性的鲁棒性能, 且减少了成本.

• 自动编码器与典型相关分析方法联合驱动的工业过程质量监测

  董洁,孙瑞琪,彭开香,唐鹏

  摘要：随着工业生产规模的扩大及复杂性增加，生产过程的质量安全日益受到重视，而质量监测是保证生产安全和产品质量的重要手段。为了有效的分析利用高维工业大数据，特征提取作为一种有效的降维方法，被逐步应用到工业过程中。 本文将自动编码器（AE）特征提取方法和典型相关分析方法（CCA）有机结合，提出了一种联合驱动的质量监测模型及其质量相关的故障检测方法。首先，利用AE算法对输入样本进行无监督自动学习和重构，实现数据的特征提取和降维；其次，利用CCA算法实现特征与质量变量关联最大化，建立质量变量与特征变量的关系模型；根据监测模型的潜结构投影，构建T2统计量和SPE统计量及其相应控制限。将提出的方法用于分析带钢热连轧过程现场实际数据，结果表明，基于AE-CCA的质量监测方法能够准确的检测出故障，并且检测效果优于传统的核典型相关分析(KCCA)算法。

• 基于专用卡尔曼滤波器思想的陀螺故障诊断

  李利亮,牛睿,邵志杰,沈毅

  本文针对卫星姿态确定系统, 提出了一种基于专用卡尔曼滤波器思想的陀螺故障诊断方法. 利用卫星姿态 运动方程设计了一种加性卡尔曼滤波器, 用于生成作为故障征兆信号的残差. 结合专用观测器思想和卡尔曼滤波 器, 提出了利用卡尔曼滤波器组的故障检测与分离律. 另外, 给出了一种基于3-σ的阈值计算方法, 用于设计故障诊 断中所用的检测阈值. 仿真结果验证了所提出方法的有效性.

• 基于快速动力学辨识的免外部传感器机器人碰撞检测

  甘亚辉,曹鹏飞,戴先中

  针对人机协作时机器人极有可能与人发生碰撞所导致的安全问题，提出一种基于动力学模型、无需要外部传感器的机器人碰撞检测方案. 首先，根据对机器人低速下的动力学特性分析，采用逐次动力学辨识，在对机器人重力及摩擦力使用最小二乘法辨识后，运用Lasso对复杂的残余力矩进行辨识以获得简化模型，避免了复杂符号推导. 然后，针对模型的不确定性，根据优化设计运动状态相关的动态阈值来处理残差的异常峰值. 最后，以轻型工业机械臂为实验平台，让机器人执行作业轨迹与人类发生碰撞以验证碰撞检测算法. 实验结果证明了碰撞检测方法的可行性和简单性，其能够实现对机器人快速动力学辨识，并可以实现灵敏准确碰撞检测，保证人机协作时操作人员的安全.

• 故障检测中核参数优化方法性能评估

  张凯,齐恬婧,彭开香,储若慧

  近年来, 基于核主元分析与核偏最小二乘的方法经常被应用于过程监控与故障检测领域以克服工业过程的非线性. 研究发现此类方法的检测性能很大程度上受核参数的影响, 而目前学术界对该参数的优化方法研究较少. 因此, 本文以最常用的高斯核方法为例, 首先总结了三类常用的核参数优化方法: 二分法、基于BP神经网络的重构法和基于样本分类的重构法; 其次重点分析每个方法的特点和它们之间的联系, 并评估它们的性能; 最后将上述方法设计成一个核参数优化系统应用于热连轧过程的故障检测中. 应用结果表明, 优化后的核参数能显著提高故障检测性能.

• 基于自控网系统的混杂控制

  万军,赵不贿

  混杂控制系统通常是复杂的非线性控制系统, 难以用统一的模型进行建模. David和Alla提出的混杂Petri网, 虽然可以解决一般混杂系统的建模问题, 并得到了广泛的应用, 但对于传统的如PID这类控制器, 缺乏统一建模的能力. 探讨了基于广义自控网系统的混杂控制方法, 实现了对混杂控制器中监控器和数字控制器进行统一的Petri网建模. 仿真实例设计了基于广义同步自控网系统的电加热炉控制系统, 给出了可根据不同温度状态实施多种控制策略的变结构数字控制器模型, 并详细分析了控制器的性能, 证明了广义自控网系统具有十分强大的建模能力和广泛的应用前景.

• 考虑柔性机器检修的钢管热轧批量调度方法

  汪洋,吴子轩,李铁克,王柏琳

  本文从无缝钢管生产管理中提取并定义了周期性机器柔性检修环境下的钢管热轧批量调度问题，针对无缝钢管热轧阶段的生产特点，将其抽象为一类考虑序列相关设置成本和机器柔性检修的单机调度问题，建立了以最小化机器闲置时间和机器调整时间为优化目标的数学模型。分析闲置时间和检修时点的关系，证明了闲置时间最小化性质，结合问题特征设计了两阶段启发式算法。算法第一阶段采用最小轧机调整时间规则获取具有最小机器调整时间的初始批量轧制序列，第二阶段对初始轧制序列进行全局寻优搜索。基于实际生产数据设计了多种问题规模的对比实验，实验结果表明模型和算法对求解该类问题具有较好效果。

• 双源供应下损失厌恶零售商的订货及补贴策略

  余建军,朱丹,钟远光,谢维

  供需不匹配一直是供应链管理领域的难点问题，多源采购策略被企业广泛应用于解决该问题。本研究考虑风险厌恶型零售商向上游两家供应商订货的问题，其中供应商1供应不可靠但价格较低，供应商2供应可靠但价格较高。为了缓解降低供应商1的供应不可靠性，零售商可以通过提前支付部分货款的方式帮助供应商1提高供应链可靠性。本研究首先构建了零售商只采用供应商1或2的采购策略，接着构建了零售商采用双源供应采购策略的模型。本研究发现，在双源供应情况下，随着零售商提前支付比例的增加，零售商将增加供应商1的订货量而降低供应商2的订货量，最优期望效用也随之增加。研究还发现相比于单源采购而言，双源供应条件下零售商所获得的最优期望效用更大。本研究也探讨了双源供应情况下，损失厌恶程度、随机需求对零售商最优策略的影响

• 状态约束下连铸结晶器振动位移系统的抗干扰控制

  李强,方一鸣,李建雄,马壮

  针对伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统中存在的机械加工精度误差、摩擦非线性等不确定性和负载转矩扰动等问题，考虑伺服电机单方向变速转动产生的状态约束，提出了一种基于切换函数的抗干扰控制方案。首先，针对系统中状态约束且不可测及前向通道含有非线性周期函数（近似正弦函数，逆解非唯一）传递关系的问题，通过建立偏心轴转角误差与结晶器振动位移之间的函数关系，解决系统自身的状态约束问题。其次，针对系统存在的不确定性和负载转矩扰动问题，设计切换函数重构系统中存在的整体不确定性，通过扩张状态观测器对整体不确定性进行估计，将估计值与滑模控制方法相结合设计输出反馈控制器，实现结晶器振动位移的跟踪控制。最后，通过Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性，通过仿真验证了本文所提方法的有效性。

• 基于火焰动态纹理的电熔镁炉工况识别

  赵磊,卢绍文,郑秀萍

  电熔镁炉制备电熔镁砂的工艺过程中，会交替出现正常熔炼、加料和欠烧等不同工况，针对不同的工况需要采取相应的处理方式来保证生产过程的正常进行。目前，工况的识别主要依靠人工完成，这种方式存在工人劳动强度大、容易漏检误检等问题。本文依据不同工况下炉口火焰具有不同的动态可视化特征，提出一种基于动态纹理的工况识别技术。首先，通过建立炉口火焰的线性动态系统模型来刻画图像的动态特性，然后，设计了基于子空间角度的核函数来度量火焰动态模型相似度。对比实验表明本文设计的基于子空间角度的工况分类器具有更好的分类精度及鲁棒性。