控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第11期

• 时间约束混合流水车间调度问题综述

  李俊青,李文涵,陶昕瑞,杜宇,韩玉艳,潘全科

  车间调度是智能制造领域中的核心问题之一, 在经典流水车间调度中, 所有工件按照相同的加工顺序在指定机床上加工. 混合流水车间调度(HFS)作为流水车间调度的特例, 相比前者增加了机床选择的灵活性, 可以显著优化系统目标, 但同时也增加了问题求解的难度. 由于时间约束HFS相比基本HFS问题更贴近实际生产过程, 近年来, 综合考虑各类时间相关约束的HFS问题得到了深入研究. 因此, 本文围绕基本HFS、有限等待时间HFS、带准备时间HFS、模糊/随机加工时间HFS、多时间约束HFS、时间约束相关多目标HFS等问题开展研究. 针对每一类时间约束HFS问题, 按照问题规模对当前研究成果进行分类描述, 按照确定性算法、启发式方法、元启发式方法、算法混合对相关成果进行算法分类, 按照实际工业应用对文献进行归类分析. 另一方面, 围绕交货期、能耗、成本等3类性能指标, 分析了在各类时间约束HFS问题中的多目标优化相关成果. 最后详细分析了带时间约束HFS问题在问题层面、算法层面和应用层面存在的挑战性问题和未来研究的方向.

• 面向无人机集群路径规划的智能优化算法综述

  杨旭,王锐,张涛

  无人机集群通过协同完成既定任务是未来智能化、无人化作战的重要方式. 路径规划是协同执行任务的首要问题, 考虑到无人机集群路径规划的复杂性和多样性, 近年来, 国内外学者针对该问题开展了大量的研究, 本文首先介绍了无人机集群路径规划模型, 包括常用的规划空间表示方法、规划目标和约束条件等, 其次重点梳理归纳了基于智能优化算法的无人机集群路径规划相关研究, 并阐述了不同类型智能优化算法在路径规划问题上的优缺点,最后, 分析展望了基于智能优化算法的无人机集群路径规划未来发展趋势.

• 考虑通信时滞的分布式电力经济调度算法设计

  孙妙平,姜波

  本文考虑发电机的输出限制和邻居间交换信息时的通信时滞, 提出了一种新的权重平衡图下的分布式经济调度算法, 该算法对所有发电成本函数为强凸的发电机组成的电力系统都适用. 分析了算法的平衡点与发电机最优输出功率之间的关系, 并基于Lyapunov稳定性理论和凸分析理论, 采用时滞分割的方法, 得到了使得算法收敛的充分条件. 然后应用该条件, 得到了给定参数下的时滞上界, 并且定性分析了参数对系统收敛速度的影响. 最后,五机电力系统的仿真结果验证了算法的可行性和优越性.

• 基于自适应扰动观测器的自主船舶协同路径跟踪控制

  黄晨峰,张显库,张国庆,张卫东

  为实现未知环境扰动下不确定欠驱动自主船舶的协同路径跟踪控制, 本文提出了一种基于自适应扰动观测器的鲁棒控制算法. 该算法采用径向基函数神经网络(RBFNNs)逼近模型参数不确定, 并利用最小学习参数化(MLP)技术对神经网络的权重及逼近误差进行压缩, 所设计观测器不需要环境扰动上界的精确信息. 进一步, 基于代数图论对船间通信进行建模, 设计了一种分散式协同控制律, 有效地降低了通信负载. 凭借Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统内信号的有界性, 且能通过对设计参数的调节使跟踪误差的收敛界为任意小. 最后采用数值仿真试验验证了所提出算法的有效性和优越性.

• 基于偏最小二乘得分重构的质量相关故障检测

  孔祥玉,李强,安秋生,解建

  偏最小二乘(PLS)作为一种典型的多元统计分析方法被广泛用于多变量统计过程监测, 通常要求数据满足高斯–马尔科夫定理. 当数据存在多模态或过程变量非线性相关时, 基于PLS方法的故障检测性能将受到影响. 为此, 本文提出一种基于PLS得分重构的故障检测方法(SR–PLS). 首先, 利用PLS将输入空间分解为质量相关空间与质量无关空间; 其次, 利用类k邻近规则(kNN)对当前得分向量进行重构, 得到重构得分向量; 最后利用重构得分构造统计量, 由核密度估计(KDE)得到控制限, 进行故障检测. 本方法降低了变量间的非线性与数据多模态对过程故障检测的影响, 提高了故障检测率. 将所提方法应用于两个数值仿真例子与田纳西伊士曼过程(TEP), 并与PLS,KPLS, LNS–PLS进行对比分析, 证明该算法的优越性与有效性.

• 随机激励下板球系统建模与有限时间全状态预设性能跟踪控制

  李小华,王傲翔,刘晓平

  研究板球系统受到随机激励时的数学建模与轨迹跟踪控制问题. 首次建立了板球系统的随机数学模型, 并结合backstepping方法、有限时间预设性能函数、全状态约束及新的预设性能推导方法设计了具有未知输入饱和的随机板球系统实际有限时间全状态预设性能跟踪控制器, 实现了随机激励下板球系统的有限时间预设性能轨迹跟踪控制. 所设计的控制器保证了系统跟踪误差能够被预先给定的有限时间性能函数约束, 并且能在任意给定的停息时间内收敛到预先给定的邻域内. 最后通过仿真实验验证了所设计控制器具有更好的控制效果.

• 基于深度学习的船舶吃水线提取策略

  李雅倩,薛银涛,李海滨,张文明,高雅昆

  提出了一种基于深度神经网络的船舶吃水线检测方法. 相比传统手工设定的特征, 基于深度神经网络的方法学习得到的特征具有较强的鲁棒性和稳定性, 能够适应训练集中未曾出现的新物体. 本方法首先使用基于深度学习的语义分割算法对图像中目标区域进行分割, 通过水平投影得到水线在图像中的位置, 然后根据统计方法得到最终的吃水深度. 通过实验表明所提方法能对图像中的目标区域进行较为准确的分割, 进而提取到水线值, 通过与人工获取的结果对比, 证明了所提方法的有效性．

• 求解复杂耦合问题的多系统优化方法

  马海平,朱聪,母佳鑫,孙超

  由于复杂耦合问题具有多系统、多目标、多约束、多尺度和不确定等特点, 急需一种求解此类问题的高效智能优化方法. 为此, 借鉴多种群进化算法的智能平行特征, 利用种群间进化信息的继承和交互作用, 提出一种多系统优化方法. 首先以子种群来代表子系统的优化环境, 通过子系统内的进化操作求解各自的优化子问题; 然后通过子系统间的迁移操作, 即利用变量共享、目标函数和约束条件的相似程度来实现子系统间的信息迁移与反馈, 加速整个问题的全局优化; 最后将该方法应用到基准函数和具有多系统优化特征的三级供应链网络, 仿真实验表明所提出的方法可行且有效.

• 不确定非仿射系统的引入动态逆的自抗扰控制器设计

  陈志翔,高钦和

  针对一类不确定非仿射严反馈非线性系统, 提出一种引入动态逆的线性自抗扰控制器设计方法. 首先, 利用微分同胚映射将严反馈非线性系统变换为积分串联型系统, 然后针对积分串联型系统设计线性自抗扰控制器.提出的线性自抗扰控制器将闭环系统划分为3个时间尺度, 其中线性扩张状态观测器位于最快的时间尺度上, 用来估计系统的状态和总和扰动, 动态逆位于次快的时间尺度上用以求解非仿射情况下的控制律, 系统动态位于最慢的时间尺度上. 利用奇异摄动理论分析了闭环系统的稳定性和性能. 提出的自抗扰控制设计方法同样适用于控制增益不确定的仿射非线性系统. 仿真和实验结果验证了提出的线性自抗扰控制器的可行性.

• 基于速度调节的无人帆船机器人自适应航向保持控制

  张国庆,李纪强,王文新,张卫东

  为了解决实际海洋环境下, 无人帆船机器人(USR)航向保持控制任务中存在的模型结构未知、参数不确定和航行速度难以控制等问题, 本文提出一种具有速度调节性能的鲁棒自适应航向保持控制算法. 该算法采用径向基(RBF)神经网络对系统结构不确定进行逼近, 由于引入鲁棒神经阻尼技术和动态面控制技术, 使得闭环控制系统仅需要两个自适应参数对执行器的增益不确定部分进行在线补偿, 并且不需要对神经网络权重参数进行学习更新.所提出的控制算法能够有效控制无人帆船以期望的航行速度达到设定航向. 利用Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制器能够保证闭环控制系统中相关误差变量满足半全局一致最终有界(SGUUB)收敛. 通过在模拟海洋环境干扰下进行计算机仿真研究, 验证了所提出算法具有良好的速度调节性能和鲁棒性.

• 输入饱和约束下多智能体的有限时间一致

  孙新勇,吴杰,侯至丞,张弓,杨文林,韩彰秀

  为解决多智能体系统在有限时间跟踪控制过程中受输入饱和影响的问题, 本文研究了输入饱和约束下的二阶线性多智能体系统的有限时间一致和跟踪控制. 首先在无向通信拓扑下, 利用齐次函数, 设计了基于单饱和函数的有限时间一致和跟踪控制器. 然后, 应用李雅普诺夫稳定性理论和代数图论等方法证明了控制算法的稳定性.最后, 给出了能够使多智能体系统实现有限时间一致和跟踪的充分条件. 仿真结果验证了当系统存在输入饱和约束时, 控制器能使多智能体在有限时间内完成跟踪任务.

• 动态路网选址–路径优化算法及实现

  武楚雄,陈驰,张贵军

  针对路段通行时间随旅行时段变化的实际城市路网环境下的选址–路径问题, 建立其混合非线性整数规划模型; 并在双层规划模型的基础上, 利用遗传算法进行设施选址, 改进蚁群算法进行车辆路径优化, 提出一种遗传算法与改进蚁群算法协同的求解方法(GA–IACO). 在路径优化中, 基于NNC算法生成初始可行解集; 采用Max-Min蚁群系统策略动态更新信息素范围, 降低陷入局部最优的可能性; 并通过模拟退火过程, 对邻域解集按照Metropolis准则进行接收, 以增强算法的全局搜索能力. 在测试集上的结果表明了算法在时变有向网络上的可行性, 为验证算法的有效性, 通过构建杭州市路网的富属性网络模型, 在得到路网结点间OD成本矩阵的基础上进行求解, 实验结果表明, 配送成本平均降低6.92%, 选址–路径规划总成本平均降低7.09%, 所得结论为实际优化决策提供了理论支持.

• 复杂约束条件下异构多智能体联盟任务分配

  唐嘉钰,李相民,代进进,薄宁

  分布式任务决策是提高多智能体系统自主性的关键. 以异构多智能体协同执行复杂任务为背景, 首先建立了一种考虑任务载荷资源约束、任务耦合关系约束及执行窗口约束等条件的异构多智能体分布式联盟任务分配模型; 其次, 对一致性包算法(CBBA)进行了扩展, 提出了基于改进冲突消解原则的一致性联盟算法(CBCA), 以实现异构多智能体协同无冲突任务分配, 并进一步证明了在一定条件下CBCA算法收敛于改进顺序贪婪算法(ISGA). 最后通过数值仿真, 验证了CBCA算法求解复杂约束条件下异构多智能体联盟任务分配问题的可行性和快速性.

• 基于虚拟结构法的分布式多无人机鲁棒编队控制

  李正平,鲜斌

  针对多无人机编队控制(UAVs)问题, 本文提出了一种基于虚拟结构法的非线性鲁棒控制算法. 首先将编队控制问题转化成两个子问题: 在惯性坐标系下虚拟刚体(VRB)光滑轨迹的生成设计, 以及在虚拟刚体坐标系下的无人机编队队形控制设计. 针对部分无人机无法直接获取虚拟刚体状态的约束, 通过引入相邻无人机的跟踪状态, 实现了分布式的编队控制. 同时, 考虑多无人机近距离编队飞行时相互间的气流扰动影响, 设计了基于supertwisting的鲁棒控制算法, 提高了编队系统的控制精度和稳定性. 利用Lyapunov稳定性分析方法, 证明了位置跟踪误差在有限时间内收敛到滑模面, 得到闭环系统全局渐近稳定的结果. 最后通过实际飞行实验, 验证了所提控制算法的有效性和鲁棒性.

• 三明治结构挠性传动系统的PID–P复合控制

  孟范伟,宋朋涛,刘凯,杨朋辉

  针对三明治系统的弱阻尼挠性模态引起的机械谐振问题及齿隙非线性因素的影响给出了一种PID–P复合控制方法. 系统中齿轮力矩反馈至齿轮前端经死区非线性后引起振荡加剧. 为此本文提出将系统结构中的反馈齿轮力矩当作扰动信号来处理, 设计了基于对象输入输出的内环反馈扰动观测器. 文中给出的控制器未知参数配置的系数表法简单易懂, 且物理意义清晰. 仿真结果表明, 文中提出的外环PID–P控制和内环反馈型扰动补偿的复合控制策略可以很好的抑制由齿轮间隙引起的振荡, 而且可以获得较好的扭矩传递性能. 更重要的是相对于先进的控制设计理论来说, 控制器易于实现.

• 自适应变步长高斯混合模型的工业烟尘目标分割方法

  刘辉,王亚楠,陈棕鑫

  工业烟尘排放时的烟气黑度自动监测对提高环保质量和指导生产过程具有重要的应用价值, 针对传统的高斯混合模型在进行背景建模时, 参数是在固定帧值的基础上进行参数更新, 导致烟尘检测不准确等问题, 提出一种自适应变步长高斯混合模型的工业烟尘图像分割方法. 根据烟尘变化速度不均匀的特点, 通过分析检测出烟尘与实际烟尘的检出率和检准率的和的最大值, 计算熵值差变化率对应的最佳步长, 得到熵值差变化率与最佳步长的模型. 以熵值差变化率为依据, 确定最佳步长, 得到一个关于熵值差变化率与最佳步长的模型. 以熵值差变化率为输入, 以最佳步长为输出, 在广义回归神经网络(GRNN)得到适用于本文工业烟尘图像分割的网络模型. 最后, 在多个场景的烟尘视频中进行分割实验, 结果表明, 本文中方法能够有效的分割出视频中烟尘区域, 且具有一定的适用性.

• 合成H∞动态观测器存在性问题的研究

  唐敏,徐跃良

  本文研究了文献[24]提出的合成H∞动态观测器存在性问题, 针对合成H∞动态观测器存在时需要满足的一组特殊Sylvester矩阵方程组是否有解进行了讨论, 利用矩阵理论进行相关推导和证明, 得到了此Sylvester矩阵方程组有解的充分必要条件, 以及有解时解的结构, 缩小了合成H∞动态观测器(UHDO)设计问题中参数的搜索范围,并给出了该Sylvester矩阵方程组的求解算法, 最后的仿真例子通过解的结构中任意参数的不同取值, 说明了对合成动态观测器的影响.

• 航向已知条件下纯方位跟踪的可观测性

  李洪瑞

  利用已知的目标航向可以提高纯方位跟踪系统的性能, 其前提条件是系统可观测. 为了得到可观测条件,详细推导了观测系统Gram矩阵行列式的解析表达式, 证明了已知航向的纯方位跟踪系统可观测的充分必要条件是存在由3个方位与已知航向构成的可观测判别式不等于0, 证明了系统不可观测的充分必要条件是存在等效的匀速直线运动观测器且它与目标轨线平行, 所获得的系统可观测性判据具有表达形式简洁的特点. 研究成果表明了利用已知的目标航向降低了纯方位跟踪系统观测器机动的要求, 可应用于被动观测系统目标跟踪的理论与工程.