控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第12期

• 基于能量分析的欠驱动飞行吊运系统协同控制

  梁潇,王杨,何慰,孙宁,方勇纯

  旋翼无人飞行器具有灵活性强、机动性高的特点, 能够在复杂环境下运送由于地形限制地面机器人所无法处理的物品. 然而, 当单个飞行器难以完成任务时, 需要多飞行器协同运作以提高系统的运送能力. 相比单飞行器吊运系统而言, 多飞行器协同系统具有更高的自由度, 更为复杂的系统动态耦合; 这就为实际控制带来了巨大挑战.在本文中, 作者提出了一种基于能量分析的控制方法. 首先构造储能函数, 在此基础上设计了控制输入, 可依据实际需求选择控制增益, 确保控制量在约束范围内; 同时避免期望姿态的奇异性问题. 随后, 对闭环系统稳定性进行了分析. 在与现有方法的仿真对比中可以看出, 该控制律具有良好的控制性能, 对不确定参数和外界干扰表现出了较好的鲁棒性.

• 基于混沌多项式的指令鲁棒优化及在飞行控制中的应用

  曹瑞,沈海东,刘燕斌,陆宇平

  本文提出一种新的方法对随机系统进行运动预测和控制指令设计, 该方法可以充分利用已知信息设计控制指令以提高闭环随机系统的鲁棒性. 首先采用混沌多项式对随机信息进行数学表述, 并利用Galerkin投影法将随机变量的混沌多项式引入常微分方程中. 然后, 将随机变量的均值和方差考虑至优化问题的成本函数中, 并利用伪谱法对控制指令进行鲁棒优化. 最后, 将该方法应用于飞行器的动力学预测以及控制指令设计. 仿真结果表明, 该方法能够预测飞行器飞行过程中不确定性的演化, 其精度与蒙特卡罗方法相当, 并且计算效率更高. 此外, 获得的控制指令对存在不确定参数或初始条件的随机系统具有强鲁棒性.

• 垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

  王乐君,孟庆鑫,赖旭芝,吴敏

  本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略.与传统的分区控制策略相比, 本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位置开始移动, 并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标. 首先, 根据驱动连杆的初始和目标状态, 为驱动连杆规划含可调参数的振荡衰减轨迹. 该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态. 基于连杆状态间的耦合关系, 利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态. 接着, 利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹, 这样, 系统末端点将由初始位置移动至目标位置. 进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置. 最后, 通过仿真实验验证所提控制策略的有效性.

• 一类时变系统的多模型切换动态调节控制算法

  王岩,王昕,王振雷

  当被控对象参数所在的不确定区域未知时, 多模型切换调节等控制算法虽然最终可以使系统达到期望特性, 但随着不确定区域的增大, 系统需要增加大量的模型才能满足快速性等方面上的要求. 因此, 为了实现一类时变系统在只增加少量模型时便能够满足期望控制性能的目标, 提出了多模型切换动态调节控制算法. 此算法在不确定区域内分配若干上层模型, 在双切换机制的监督下, 利用动态分配方法, 在最优上层模型所在的子区域分配出若干下层模型, 在与自适应模型的协作中, 设计最优控制器, 保证了系统的暂态和稳态响应. 在数值仿真与故障卫星系统的仿真研究中, 结果表明了多模型切换动态调节算法在暂态性能方面优于多模型切换调节算法, 并验证了此算法的有效性.

• 无线网络环境下移动机器人轨迹跟踪的认知控制分析与设计

  徐君鹏,尹逊和

  现有的网络控制系统领域中的研究通常先对网络环境的时延和丢包特性进行理想性假设, 然后设计对应的控制算法. 然而, 由于无线网络环境具有复杂的时延和丢包特性, 这些假设在无线网络控制系统(WNCS)运行过程中很难得到满足. 为了在不对网络环境的时延和丢包特性进行理想性假设的前提下设计控制系统, 本文受认知控制思想的启发, 在控制系统中加入了认知控制器. 认知控制器在感知–作用循环中学习产生认知作用的策略, 调节无线网络的媒体接入控制(MAC)层的重传次数上限和物理控制器的命令序列长度, 使控制系统可以主动地适应所处的无线网络环境. 本文以全向轮移动机器人为被控对象, 对使用认知控制器的WNCS和使用固定配置的WNCS的仿真结果进行比较. 仿真结果表明使用认知控制器调节MAC层的重传次数上限和物理控制器的命令序列长度,可以提高WNCS对网络环境的时延和丢包的承受能力.

• 基于Fuzzy–CPG的双足机器人适应性行走控制

  张雪,刘成菊,陈启军

  为提高双足机器人的环境适应性, 本文提出了一种基于模糊控制与中枢模式发生器(CPG)的混合控制策略, 称之为Fuzzy–CPG算法. 高层控制中枢串联模糊控制系统, 将环境反馈信息映射为行走步态信息和CPG幅值参数. 低层控制中枢CPG根据高层输出命令产生节律性信号, 作为机器人的关节控制信号. 通过机器人运动, 获取环境信息并反馈给高层控制中枢, 产生下一步的运动命令. 在坡度和凹凸程度可变的仿真环境中进行混合控制策略的实验验证, 结果表明, 本文提出的Fuzzy–CPG控制方法可以使机器人根据环境的变化产生适应的行走步态, 提高了双足机器人的环境适应性行走能力.

• 基于未知动态观测器双惯量伺服系统低频主动谐振抑制

  王树波,李冬伍,任雪梅

  针对双惯量伺服系统存在的机械谐振, 本文提出了一种基于扰动观测器的滑模主动低频谐振控制方法. 利用可测量的电机端的位置信号, 对其进行滤波操作得到位置的滤波变量, 根据不变流形原理设计未知扰动观测器,实现对传递力矩的在线估计, 并将估计值融入到控制器设计中对其进行补偿. 为了消除传统滑模存在颤振现象, 基于正切函数提出了一种新颖滑模面设计方法. 在此基础上, 设计了滑模控制器实现了对期望信号的准确跟踪, 并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统稳定性. 最后通过实验对比, 验证了本文提出的控制策略有效性, 此外该算法建构简单不需要计算电机加速度的信息, 利于在实际中应用.

• 基于lasso和elastic net的宽度学习系统网络结构稀疏方法

  褚菲,苏嘉铭,梁涛,陈俊龙,王雪松,马小平

  本文提出了一种基于lasso和elastic net的宽度学习系统(BLS)网络结构稀疏方法, 将标准BLS目标函数中的L2范数分别替换为lasso和elastic net, 利用这两种正则化技术来约束网络输出权重, 衡量每个网络节点输出权重对预测的影响程度, 将多余的节点进行剔除, 提高了网络结构的稀疏性. 通过对一些回归数据集进行实验, 可以看到本文提出的方法在不损失预测精度的前提下, 同时简化了网络结构.

• 基于改进的随机路径图及和声算法的舰船航线规划

  吕进锋,马建伟,李晓静

  针对海上航行中障碍物躲避问题, 提出改进的随机路径图及和声算法为舰船进行航线规划. 该算法首先利用改进的随机路径图, 在障碍物边缘、起点与终点连线等关键区域进行节点设置及扩充, 根据舰船及障碍物运动特征, 分阶段在海图上设置节点并连接, 利用较少的节点生成完备的路径网络图, 基于此选择节点生成初始全局航线;其次利用改进的和声算法对航线进行优化, 障碍物的运动特性导致解空间为复杂的多峰形态, 为避免节点位置变动导致新生成航线不可行, 设置限定条件, 仅对满足要求的航线利用航线交叉、消除节点、微调等策略进行优化. 实验结果表明, 相较对比算法, 所提算法能够有效生成更高质量的全局航线, 且在优化过程中生成的不可行航线数量远低于其余几种算法, 具有更高的可靠性及稳定性.

• 一种基于肌电信号的自适应人机交互控制方法

  张弼,姚杰,赵新刚,谈晓伟

  针对踝关节康复机器人运动过程中的人机交互性问题, 本文提出一种基于肌电信号的鲁棒自适应人机交互控制方法. 针对患者难以保持某一动作、肌电信号微弱等特点, 提出一种新的关节角度估计方法. 该方法充分利用了踝关节运动时胫骨前肌与腓肠肌的拮抗关系, 将踝关节的动作类型与单个肌肉群的收缩进行关联, 利用归一化的特征值完成运动意图的辨识和运动角度的估计. 为了保证人机交互的安全性, 提出一种刚度、阻尼参数在线自适应调节的阻抗控制算法. 基于交互力矩对机器人末端的运动角度与运动速度实时进行调节, 使其对外表现出等效柔性. 实验研究表明所提出的人机交互控制方法是有效的, 并具有一定应用前景.

• 虚拟同步发电机参数自适应调节

  任海鹏,陈琦,李洁,张亮亮

  虚拟同步发电机技术借由控制器设计达到模拟同步发电机外特性的效果, 改善了含有新能源的电网系统的稳定性. 根据虚拟同步发电机参数可调的特点, 可采用参数自适应调节优化系统动态性能. 但传统虚拟同步发电机参数自适应调节仍存在两方面不足: 一方面, 大范围调整阻尼下垂系数和虚拟转动惯量, 对系统储能裕量要求高;另一方面, 暂态调节过程中存在功率超调现象, 对电力设备不利. 本文引入输出速度反馈调节系统阻尼, 为改善系统暂态稳定性提供了方便的调节手段; 其次, 根据系统暂态功角特性, 提出了参数自适应控制策略, 缩短了调节时间, 将频率偏差减小至允许范围内, 改善了电网频率调节的暂态性能, 同时抑制了功率超调. 最后, 对比实验结果表明本文控制策略优于现有的自适应控制策略.

• 输入时滞的海上风电机群分布式控制

  唐桢,王冰,刘维扬,曹智杰

  随着海上风电的大规模发展, 以及电网互联范围的不断扩大, 时滞主要产生在风电场广域测量系统的信号测量和传输中, 从而导致风电机组系统性能下降甚至不稳定, 严重影响了风电场的正常运行. 因此, 该文基于Hamilton能量理论, 研究了双馈风电机群的分布式时滞控制问题. 首先, 该文对双馈风电系统进行Hamilton实现, 得到风电机组PCH–D模型; 然后, 针对单机系统PCH–D模型, 引入Casimir函数设计控制律, 使得风电系统在输入时滞下能够稳定运行; 进而, 将风电机组网络化, 设计分布式时滞控制策略, 使得整个风电机群在30300 ms的时滞范围内整体保持稳定. 最后, 通过仿真验证了所提控制策略能有效地解决系统的输入时滞问题, 同时减小了时滞引起的系统误差, 提高了风电机群的稳定性和控制精度.

• 非泊松工件流CSPS系统的Q学习算法适用性仿真研究

  苏娜,唐昊,戴飞,王彬,周雷

  研究工件非泊松到达情况下, 传送带给料加工站(CSPS)系统无法建立成半马尔可夫决策过程(SMDP)模型时, Q学习算法的适用性问题. 首先, 以马尔可夫调制泊松过程(MMPP)和半马尔可夫调制泊松过程(SMMPP)来模拟非泊松工件流, 并在相同的平均到达率下, 仿真评估其Q学习算法性能, 并分别与泊松工件流情况下的Q学习算法性能进行比较: 其次, 在非泊松工件流情况下, 观测以实时统计平均到达率作为工件标准泊松到达率的理论优化情况:最后讨论在MMPP和SMMPP叠加混合非泊松工件流情况下CSPS 系统的Q学习算法性能. 实验表明, 在工件非泊松到达情况下Q学习算法依然能学到较好的控制策略, 从而说明了CSPS系统中Q学习算法的适用性.

• 应用LTRNet卷积特征的ECO目标跟踪算法改进

  陈志旺,王莹,宋娟,姚权允,彭勇

  本文提出了一种基于应用高效卷子算子(ECO)改进的LRECT跟踪算法. 首先, 为了增强网络所提取特征的识别能力, 堆叠线性两步(LT)残差结构设计具有32层的线性两步方法性质的残差网络(LTRNet), 并且融合该网络浅层与深层卷积特征信息形成跟踪算法的特征提取模块; 其次, 采用投影矩阵压缩LTRNet提取的高维特征, 将压缩特征通过插值处理后, 与当前滤波器在傅里叶域进行卷积定位确定目标位置; 最后, 使用高斯牛顿算法和共轭梯度算法求解以响应误差和惩罚项之和为优化目标的优化问题, 实现滤波器和投影矩阵的更新. 在OTB2015标准数据集上进行测试实验, 结果表明本文所提算法可以实现较高精度的稳健性跟踪.

• 可编程逻辑控制器的平行Petri网设计与实现方法

  李大成,罗继亮,孙莎莎,聂维余,方慧娟

  为了实现可编程逻辑控制器(PLC)的形式化设计, 定义了一种可以感知和执行的新型Petri网, 称为平行Petri网. 将输入输出变量映射到库所结点上, 描述了PLC的Petri网模型的一般设计方法, 进而给出了其动态演化算法. 通过C语言和TwinCAT联合编程, 使得Petri网与被控物理对象平行演化, 实现了Petri网对物理过程的平行感知和控制,并完成了实验验证. 该方法可以缩短控制代码的开发周期, 简化程序复用的复杂性, 为平行系统在PLC工程中的应用提供了有效工具.

• 基于神经元特性的径向基函数神经网络自组织设计方法

  贾丽杰,李文静,乔俊飞

  针对径向基神经函数(RBF)网络隐层结构难以确定的问题, 本文介绍了一种基于神经元特性的RBF神经网络自组织设计方法, 该方法将神经元的激活活性、显著性、相关性相结合设计RBF(ASC–RBF)神经网络. 首先利用神经元的激活活性, 实现隐含层神经元的自适应增加, 结合神经元的显著性以及神经元之间的相关性, 实现神经元的自适应替换和合并, 完成网络自组织设计并提高网络的紧凑性, 然后利用二阶梯度算法对网络参数进行修正学习, 保证了RBF网络的精度; 另外, 针对网络结构自组织机制给出了稳定性分析; 最后通过两个基准非线性系统建模仿真实验以及实际污水处理过程水质参数预测实验验证, 证明该算法的有效性. 对比实验结果表明, ASC–RBF神经网络与现有的自组织网络相比, 在保证泛化性能的同时, 该网络的训练速度更快, 而且有更紧凑的网络结构.

• 星凸形多扩展目标跟踪中的传感器控制方法

  陈辉,李国财,韩崇昭,杜金瑞

  针对多扩展目标跟踪中的传感器控制问题, 本文基于有限集统计(FISST)理论与随机超曲面模型(RHM), 利用多伯努利(MBer)滤波器提出有效的传感器控制策略. 首先, 文中给出多扩展目标跟踪中基于信息论联合目标形状估计优化和目标运动状态估计优化的传感器控制方法的求解思路. 其次, 给出RHM容积卡尔曼高斯混合(GM)势均衡多扩展目标多伯努利滤波算法的具体实现过程. 然后, 结合GM密度间的柯西施瓦兹(Cauchy-Schwarz)散度提出相应的传感器控制决策方法. 此外, 详细推导了扩展目标势的后验期望(PENET)的GM实现, 并提出以GM–PENET为评价函数的传感器控制方法. 最后, 通过构造随机星凸形多扩展目标的跟踪优化仿真实验验证了本文所提传感器控制方法的有效性.

• 滑模观测器在大惯量扫描镜系统中抗谐振的应用

  李家骏,王淦泉

  针对扫描镜伺服控制系统中柔性连接所导致的机械谐振问题, 本文提出一种结合电机加速度反馈以及负载速度反馈的滑模观测器控制方法. 首先建立伺服系统柔性连接的数学模型并分析谐振对系统性能的影响; 然后给出滑模观测器的设计过程; 随后将观测出的电机加速度以及负载速度反馈到伺服系统中进行补偿; 最后分析了位置传感器对伺服系统控制性能的影响, 系统的鲁棒性, 并与相似被控条件下的其他控制方法进行了比较. 仿真结果表明: 与未采用观测器时相比, 本文所提出的方法有效地抑制了基于柔性连接的伺服系统中的机械谐振问题, 提高了系统的控制性能, 且具有较高的鲁棒性.

• 基于改进高效偏最小二乘的质量相关故障诊断

  孔祥玉,解建,罗家宇,李强

  高效偏最小二乘(EPLS)作为偏最小二乘(PLS)的扩展算法之一, 在质量相关故障检测中取得了良好的应用效果. 然而, 研究发现当系统中存在一些与产品质量无关的信息时会导致EPLS的检测率降低, 影响工业生产安全及效益. 同时, 传统的基于贡献图的故障诊断方法在无故障时输入变量会对故障检测指标的贡献值不均等, 从而影响故障诊断效果. 针对上述问题, 本文提出了一种改进高效偏最小二乘(IEPLS)的质量相关故障诊断方法. 所提方法首先用正常数据建立IEPLS算法模型, 利用获得的模型参数对过程变量进行空间分解. 然后在分解后的空间中定义局部信息增量均值和局部动态阈值, 结合故障判据进行故障检测. 当故障发生后, 利用每个变量的新息矩阵计算对故障总体的新息贡献率, 根据各个变量新息贡献率大小实现对故障变量的定位. 最后, 使用田纳西伊士曼过程(TEP)对算法性能进行了验证.

• 论PID与自耦PID控制理论方法

  曾喆昭,陈泽宇

  PID增益鲁棒性差的突出问题引起了作者质疑PID控制理论的动机, 提出了自耦PID协同控制理论方法, 意外解决了PID增益鲁棒性差与抗扰动鲁棒性差的科学问题, 形成了前期研究成果. 然而, 前期成果没有科学阐明自耦PID控制律及其整定规则的理论依据, 没有科学揭示PID潜在的基础理论问题. 为此, 本文通过PID控制系统的物理属性分析, 首次揭示了PID御用概念会引起量纲冲突与不协调控制机理两个矛盾, 提出了解决这两个矛盾的科学设想. 本文研究不仅阐明了纠错PID御用概念的必要性和迫切性, 科学解释了自耦PID控制律及其整定规则的理论依据, 而且开创了遵循量纲匹配原则的控制理论发展方向, 具有重要科学意义.

• 基于Laguerre滤波器的核范数子空间辨识

  于淼,刘建昌,王洪海,张文乐

  连续时间随机系统是指各个变量是时间的连续函数并且状态和输出向量受到噪声干扰的动态系统. 由于生物学、经济学以及物理学等领域都存在连续随机的现象, 连续时间随机系统的辨识受到了各领域专家学者的广泛关注. 本文针对连续时间随机系统提出一种基于Laguerre滤波器的核范数子空间辨识方法. 首先, 采用Laguerre滤波器获得系统的输入输出矩阵方程. 然后, 通过核范数最小化方法代替主奇异值的截断获得低秩矩阵逼近, 并利用交替方向乘子法求解此优化问题. 最后, 采用最小二乘法和残差分析法分别得到模型的系统矩阵和噪声强度. 仿真结果验证了所提方法的有效性、精确性及比较优势.