控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第10期

• 基于动态内部主元分析和隐马尔科夫模型的动态过程故障检测与分类方法

  董洁,游培航,彭开香

  随着工业生产过程的扩大, 保证生产过程的安全平稳高效运行日益受到重视. 因此, 对工业过程进行及时有效的监测与故障诊断具有重要意义. 一般而言, 工业过程采集的数据具有较强的动态性, 有效提取数据中的动态信息并进行分析极其重要. 本文基于动态内部主元分析(DiPCA)进行动态性分析并结合隐马尔科夫模型(HMM), 提出了一种新的故障诊断框架, 实现了动态过程故障检测与故障分类. 首先, 利用DiPCA算法提取正常工况下数据的动态特征; 然后, 利用HMM能够有效处理时序数据的特点, 对所提取的动态特征进行建模, 构建了动态过程的故障检测框架; 并利用HMM强大的模式分类能力, 对故障数据进行建模, 实现故障的分类; 最后, 将提出的方法用于田纳西-伊斯曼过程, 验证了该方法的有效性与优越性.

• 混合交叉熵算法求解模糊分布式装配流水线低碳调度问题

  佘明哲,钱斌,胡蓉,吴丽萍,向凤红

  本文针对实际生产过程中普遍存在的不确定性, 采用模糊数表示工件的加工时间与产品的装配时间, 以同时最小化模糊最大完工时间和模糊总能耗为优化目标, 建立模糊分布式装配流水线低碳调度问题(fuzzy distributed assembly permutation flow-shop low-carbon scheduling problem, FDAPFLSP)的模型, 进而提出一种混合交叉熵算法(hybrid cross-entropy algorithm, HCEA)进行求解. 首先, 通过分析现有三角模糊数排序准则特点, 并考虑生产调度问题的基本约束, 设计一种实用的三角模糊数排序修正准则. 其次, 为增强算法性能, 设计一种自适应变邻域局部搜索以实现对解空间不同区域的有效搜索. 最后, 仿真实验与算法对比验证HCEA可有效求解FDAPFLSP.

• 欠驱动航天器李亚普诺夫函数非线性姿态控制

  夏德银

  摘要：本文提出了一种李亚普诺夫函数的非线性控制方法，用于完成欠驱动刚体航天器(under-actuated rigid spacecraft，UCRS)姿态系统的稳定控制，确保UCRS全程稳定飞行. 首先，根据已知的UCRS系统的动力学模型和利用( , )参数表述的运动学模型，变换得到动力学和运动学的一体化模型；其次，对于有驱动轴输出力矩作用的姿态控制通道，通过分别构造合适的李亚普诺夫函数，推导得到驱动轴控制力矩的耦合等式；再次，通过解算两个驱动轴控制力矩的耦合等式，推导得到驱动轴控制力矩的函数表达式，完成李亚普诺夫函数的非线性控制器(Lyapunov function nonlinear controller，LFNC)设计，确保姿态系统参数的一致收敛；最终，为了检验本文提出的LFNC的性能，进行了数值仿真实验，另外选取了奇异避免的反步控制器(singularity avoidance back-stepping controller，SABSC)进行比较，实验结果表明本文提出的控制器LFNC具有更好的控制性能.

• 基于自抗扰迭代学习控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制

  哀薇,胡林威,李向阳,李新玲

  针对开关磁阻电机双凸极结构和磁路饱和非线性导致开关磁阻电机转矩脉动大的问题, 本文基于一种新型的数据驱动控制方法——自抗扰迭代学习控制, 将开关磁阻电机看成是空间重复运动对象, 设计空间迭代域补偿机制用于抑制电机非线性特性所带来的换相转矩脉动. 提出了基于空间域扩张状态扰动补偿机制的转矩分配控制策略, 在无法精确获取电机非线性模型的情形下, 设计了非线性转矩补偿器和电流控制器对各相电流进行精确补偿和精确跟踪控制. 仿真研究表明, 基于自抗扰迭代学习的控制策略能显著快速地抑制开关磁阻电机的转矩脉动, 可望在开关磁阻电机的实际应用中发挥作用.

• 奇异Lur''e网络的自适应牵制聚类同步控制

  汤泽,轩德利,王艳,纪志成

  本文分别研究了由奇异和非奇异Lur''e系统组成的具有多种耦合方式时滞复杂动态网络的聚类同步问题. 通过设计一类牵制反馈控制器, 仅控制当前聚类中与其它聚类有直接连接的Lur''e系统, 从而有效减少控制器个数同时降低控制成本. 考虑到网络具有多种耦合方式, 本文合理构造Lyapunov 泛函, 并有效利用扇形条件、非线性函数类概念、S过程以及Lyapunov 稳定性定理等方法, 分别给出奇异和非奇异Lur''e 动态网络实现聚类同步的判定条件. 此外, 为有效节省控制成本, 针对控制强度设计一类自适应更新定律, 从而得到网络实现聚类同步的最优控制强度. 最后, 为了验证所得聚类同步判定条件和控制器的有效性, 对一类典型Lur''e网络聚类同步问题进行了数值仿真.

• 改进的状态空间模型遗传算法及其全局收敛性分析

  齐战,李茂军,莫红,肖雨荷,刘芾

  基于状态空间模型遗传算法(GABS)是一种新型实数编码进化算法, 在工程优化问题中取得良好的应用效果. 针对GABS缺乏有效的数学模型及理论依据, 研究并建立了GABS的吸收态马尔可夫过程模型, 从可达状态集的角度对GABS 进行分析并证明GABS 不是全局收敛的. 基于此提出了一种扩张可达状态集的改进型GABS(MGABS), 改进方法的两种变异策略不仅扩张了算法的可达状态集、提高了种群多样性, 而且加快了算法的收敛速度与精度, 并证明了MGABS 具有全局收敛性. 最后利用经典测试函数验证了其综合性能明显优于其他三种算法,为算法在工程中的应用提供了理论依据.

• 锑浮选过程加药量自适应迭代学习控制

  李中美,黄梦哲,桂卫华

  针对现有的加药量控制方法需要浮选过程动态模型或是鲁棒性不足的问题, 提出一种基于自适应动态规划 (ADP) 的浮选过程加药量自适应迭代学习控制方法. 首先, 将药剂量控制问题转化为两级优化问题 (问题 1 和问题 2). 其中, 基于前馈控制原理求解问题 1 得出前馈补偿分量以抑制外界扰动. 然后, 采用基于值迭代的 ADP 算法, 求解问题 2 以得到最优反馈增益, 从而设计一个数据驱动的最优加药量控制策略使最终的生产指标 (精矿品位和尾矿品位) 跟踪给定值, 且药剂量消耗最少. 最后, 通过工业生产数据进行仿真验证, 证明所提方法的收敛性和稳定性.

• 工业信息物理系统数据注入攻击的事件触发弹性控制

  陈峰,孙子文

  工业信息物理系统(ICPS)恶劣的工业环境使得无线通信网络的通信资源有限, 且通信网络的脆弱性使得系统的稳定性容易受到数据注入攻击的破坏. 本文基于输入到状态理论, 采用H1观测器、预测器和事件触发器建立基于事件触发的ICPS模型来降低通信资源的利用率, 并构造基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块进行攻击补偿, 攻击补偿模块的参数随着攻击者攻击策略不同而进行改变, 实现对数据注入攻击的弹性控制. 用matlab软件进行仿真实验, 以倒立摆作为被控对象, 模拟基于事件触发的ICPS模型受到数据注入攻击时系统的稳定性能. 仿真结果表明, 事件触发控制策略和基于改进卡尔曼滤波器的攻击补偿模块的组合不仅能够保证系统期望的稳定性, 还能有效减少数据通过无线网络传输的次数.

• 激光聚变实验中诊断设备反馈控制瞄准技术

  李颖洁,陈铭,陈黎,张兴,杨品,杨正华

  在激光惯性约束聚变实验中，为实现诊断设备高精度自动瞄准，提出了一种采用靶图像自动识别，诊断设备离线标定，诊断搭载平台反馈控制的自动瞄准技术。首先，为计算像素偏差，自动确定出目标靶点的中心坐标；其次，对诊断设备瞄准系统进行离线标定，通过函数拟合建立起真实靶点的空间位置偏差与图像像素偏差间的关系；最后，根据通用诊断搭载平台的运动控制理论，由计算出的空间位置偏差对诊断搭载平台进行反馈控制从而实现高精度自动瞄准。在离线情况下通过微米级平移台控制靶点运动模拟靶点与诊断设备的相对运动，通过5次反馈控制测得瞄准精度。将诊断设备搭载在通用诊断搭载平台上进行在线验证，对于一般瞄准精度要求不高的诊断设备，经过两次反馈控制得到的瞄准效果即可满足实验需求，对于瞄准精度要求较高的诊断设备，经过五次反馈控制则可达到优于50μm的瞄准精度。瞄准效率得到了很大改善。

• 中央空调系统并联水泵节能优化群智能控制算法

  YU,ZHANG,Zhao,Qian,LIU

  本文针对现有中央空调系统中并联水泵优化算法在群智能控制方面适应性不足问 题，提出了一种基于群智能平台的并联水泵优化算法。首先建立了并联水泵工作特性模型及 适应度函数，其次提出了一种分布式的估计算法，每个水泵通过与相邻水泵交互信息完成对 并联水泵运行的优化，最后分别以大小相同冷冻水循环泵系统和大小不同冷冻水循环泵系统 进行仿真验证并同时与集中式估计算法做对比。结果表明，该分布式算法可在满足末端流量 需求的情况下，对大小相同并联水泵进行台数配置和转速比优化；在末端流量变化时，不同 大小水泵可通过转速比等比例调节,实现对转速比的优化。

• 考虑需求中断和购买者过度自信的应急物资动员链协调

  史文强,孔昭君,汪明月

  以需求中断为背景,考虑常规采购和紧急采购,运用数量弹性契约构建了包含一个过度自信购买者(政府机构)和一个动员供应企业的应急物资动员链模型,得出了不同情境下的协调机制,探讨了紧急采购单价、契约参数、过度自信水平等因素对政府最优订货决策的影响。最后,结合汶川地震救灾帐篷动员背景进行算例分析。结果表明：当需求中断时,适当调整常规、紧急采购单价和契约参数能够协调应急物资动员链。当购买者为过度自信时,紧急采购调整单价高于非过度自信的情况；而供应企业会设置更低的常规采购单价以协调动员链。另外,过度自信会对应急物资动员链的最优订货量和整体期望利润产生负面影响。

• 作业型飞行机器人抓取后重心偏移的轨迹跟踪控制

  陈彦杰,占巍巍,张振国,何炳蔚,王耀南

  作业型飞行机器人是指能够对环境施加主动影响的飞行机器人, 它通常由旋翼飞行器与机械臂组合而成.本文针对作业型飞行机器人在动态飞行抓取后, 重心位置变化产生的系统控制难题, 设计了有效的跟踪控制策略.首先, 在系统建模时引入重心偏移系统参数和重心偏移控制参数, 并考虑惯性张量不为常数, 提高了系统建模的精度.然后, 在姿态解算时, 考虑重心偏移对系统性能的影响, 构建包含重心偏移系统参数的解算方法, 得到更高精度的期望翻滚角和期望俯仰角.接着, 设计了基于滑模控制的重心偏移补偿位置控制器, 实现了有效的位置跟踪控制.同时, 在姿态反演控制器的基础上, 加入自适应律估计重心偏移控制参数和变化的惯性张量, 再通过小脑神经网络逼近惯性张量的真实值, 提高姿态控制器的精度.最后, 给出了所设计控制器的稳定性证明, 并在仿真环境下验证了所提出的方法的有效性和优越性.

• 连续时间传递函数的赋值化指数积分变换逼近辨识

  张珩,肖歆昕

  通过将常规的复域Laplace变换直接化简为实域上的指数积分变换,提出了连续时间传递函数辨识的赋值化指数积分变换逼近(AVE)方法.其主要特征是以采样序列为基础先行沿时间轴构造不同赋值下系统变量的指数积分变换(EIT)逼近,继而沿指数变量方向实现模型参数估计的二维化在线递推计算.文中分析了有限EIT逼近的渐近收敛性和时间连续化逼近的代数精度,以及具有一定噪声抑制能力的指数因子赋值条件.在一致激励和有界响应前提下, 通过相对复杂而苛刻的仿真算例,充分验证了AVE方法对各种典型工况的有效性,清晰表明了它对于最小相位及非最小相位系统, 开环或闭环的系统运行方式,乃至刚性参数情形, 所具有的宽泛适应性.

• 基于判别正则化的局部保留投影

  高云龙,胡康立,钟淑鑫,潘金艳,张逸松

  局部保留投影（Locality preserving projections，LPP）是一种常用的线性化流形学习方法，其通过线性嵌入来保留基于图所描述的流形数据本质结构特征，因此LPP对图的依赖性强，且在嵌入过程中缺少对图描述的进一步分析和挖掘。当图对数据本质结构特征描述不恰当时，LPP在嵌入过程中不易实现流形数据本质结构的有效提取。为了解决这个问题，本文在给定流形数据图描述的条件下，通过引入局部相似度阈值进行局部判别分析，并据此建立判别正则化局部保留投影（简称DRLPP）。该方法能够在现有图描述的条件下，有效突出不同流形结构在线性嵌入空间中的可分性。在人造合成数据集和实际标准数据集上对DRLPP以及相关算法进行对比实验，实验结果证明了DRLPP的有效性。

• 一类受扰旋转单摆系统的建模与跟踪控制设计

  李健,李俊艳,吴昭景

  本文考虑一类受扰旋转单摆系统的建模与跟踪控制问题. 首先, 利用动静法和相对运动原理建立受扰情形下空间旋转摆系统的动力学模型. 然后, 分别以实际跟踪和渐近跟踪为控制目标, 给出相应的控制设计方法. 具体地,利用向量式的反推控制设计方法与不确定性动态补偿机制, 给出自适应实际跟踪控制器, 保证闭环系统所有状态都有界且在有限时间内系统输出到达并保持在参考信号给定的邻域内. 利用反推设计方法, 并结合扰动的学习、切换补偿机制设计自适应切换渐近跟踪控制器, 通过在线调节控制器参数, 保证闭环系统所有状态都有界且系统输出渐近跟踪到给定的参考信号. 最后, 仿真实验验证所提理论结果的有效性. 值得指出的是, 与相关文献相比, 本文所给出的控制设计方法允许系统同时含有未知参数和扰动, 并且扰动不必有已知上界, 因而具有更强的抑制不确定性的能力.

• 非仿射纯反馈系统自适应神经网络快速预设性能控制

  胡剑波,王应洋,刘炳琪,宋仕元

  鉴于在纯反馈系统控制器设计过程中广泛采用的反推法需要逐级设计虚拟控制律, 设计过程复杂, 本文通过变量替换将一类未知非仿射纯反馈系统变换为等效的积分链式系统. 利用有限时间收敛的微分器对转换系统的状态进行估计, 并构造时变的误差面. 通过对误差面的瞬态与稳态值进行性能约束并设计自适应预设性能控制器, 实现了对跟踪误差的预设性能控制. 最后, 基于Lyapunov理论进行了稳定性分析, 证明了闭环系统所有信号半全局最终一致有界. 仿真算例表明了控制方法的有效性.

• 非线性变参数系统的混合 H2/H∞控制

  朱平芳,周燕茹,曾建平

  本文研究了一类非线性变参数系统的混合 H2/H∞ 保性能控制问题. 基于Lyapunov稳定性理论, 建立了状态反馈混合 H2/H∞ 保性能控制的可解性条件. 该条件是依赖于状态和参数的线性矩阵不等式, 显式地体现了系统的时变和非线性特性, 通过多项式平方和方法, 可以转化为优化问题. 特别地, 本文构造一种新颖的控制器和Lyapounov范数. 在此基础上, 研究了基于多项式平方技术的不确定非线性变参数系统混合 H2/H∞ 保性能控制问题. 最后, 通过倾转旋翼飞行器实例和数值仿真均验证本文方法的可行性和有效性.

• 求解异构并行机调度问题的混合多目标教-学优化算法

  宋强

  以异构并行机调度问题为研究对象，考虑了一类以优化总加权完工时间和加权延误总和的调度问题。首先，基于问题描述构建了该问题的混合整数规划模型。其次，提出了混合多目标教-学优化算法。在算法设计中，结合问题的特点设计序列编码方法，并采用分解技术来实现多目标调度问题的求解。此外，该算法通过融合多种交叉算子来定义个体进化过程，并通过与变邻域搜索算法的混合来提升其优化效果。最后，给出了仿真实验与分析，测试结果验证了多目标教-学优化算法求解该调度问题的优越性。

• 基于改进的随机森林和密度聚类的短期负荷频域预测方法

  张金金,张倩,马愿,李智

  精确的负荷预测对于电力系统的有效调度和安全运行至关重要. 本文提出基于改进的随机森林(IRF)和密度的聚类 (DBSCAN)的频域组合预测方法. 首先, 采用经验小波变换 (EWT)分解负荷, 得到不同的固有模态分量 (IMFs); 其次，根据各分量特征采用合理的方法进行预测。其中, 低频、中频分量采用IRF预测; 高频分量使用DBSCAN根据气象因素温度和湿度聚类, 再根据每类的样本特性选择处理方法. 最后, 叠加各分量的预测值, 获取负荷预测值. 根据某地市现场负荷数据进行实验，预测结果分别与EWT-IRF、EWT-随机森林 (RF)、经验模态分解(EMD)- IRF模型的预测结果进行对比. 结果表明, 提出的模型具有更高的预测精度, 反映了实际负荷的随机性.

• 故障下随机多智能体系统的混合无源/H∞容错一致性

  柯彦冰,顾凯炀,徐宇飞,李建宁

  本文研究了在有向拓扑结构下, 马尔可夫跳变故障多智能体系统的混合无源/H∞容错一致性问题. 首先, 针对系统中的执行器偏移故障, 基于增广矩阵方法设计故障观测器以估计未知的偏移故障. 进而, 利用所估故障信息, 基于混合无源/H∞性能指标, 利用代数图论、自由权矩阵、增广矩阵和线性矩阵不等式等方法, 设计了相应的容错控制器, 实现了故障情况下多智能体系统的容错一致性. 最后通过数值仿真验证了该方法的有效性.