控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第1期

• 非线性系统有限时间控制研究综述

  刘洋,井元伟,刘晓平,李小华

  近三十年来, 有限时间控制因其具有收敛速度快, 抗扰性强, 控制精度高等优点, 引起了学者们的研究兴趣. 据作者所知, 目前鲜有文献系统地总结有限时间控制的相关研究内容. 因此, 本文致力于较为系统且完整地给出非线性系统有限时间控制方法的研究进展. 主要内容包括如下几方面: 研究意义; 有限时间的定义, 判据及设定时间表达式; 有限时间设计方法的研究现状以及未来工作.

• 双层结构模型预测控制算法性能分析

  孙浩杰,邹涛,李丽娟

  双层结构模型预测控制策略被当前主流工业流程控制软件所采用（如DMCplus、RMPCT等），但是在理论层面尚缺少深入研究。本文着重于分析稳态目标计算层对常规单层模型预测控制策略在控制性能、经济性能、及鲁棒性方面的影响。阐明稳态目标计算是在动态不确定性下的最优决策，在当前工况环境下给出实时最优设定值，并证明在恒值扰动下可实现无静差控制；此外稳态目标计算层可在保证对重要变量跟踪控制的同时利用操作自由度进行经济性优化，不仅有助于系统经济性能提升，而且使得系统对于特定方向的扰动和通道失配具有更强的鲁棒性。最后通过实验仿真验证了所做分析的正确性。

• 基于模型预测的自动导引车区间轨迹跟踪控制

  徐航,张依恋,朱瑾,范勤勤

  根据AGV轨迹跟踪问题，在确定其可行驶区域的基础上，本文设计了一种基于模型预测控制理论的轨迹跟踪控制方法。首先，将车辆运动学模型进行线性化处理，得到车辆动力学线性模型；其次，运用模型预测控制方法，利用预测路径与期望路径之间的误差，通过优化得到使性能指标最优的控制序列；最后，在Matlab软件上对轨迹跟踪控制器进行仿真。实验结果表明，AGV可以稳定地跟踪参考轨迹，且距离偏差和角度偏差都在给定的可行范围内，证明了提出的基于模型预测控制的轨迹跟踪算法具有良好的跟踪性能。

• 一种开环输出反馈预测控制

  胡建晨,王勇,丁宝苍

  考虑状态不可测且具有多胞不确定性的系统. 本文通过定义参数依赖的顶点控制作用, 提出一种基于多胞描述模型 的启发式开环输出反馈预测控制方案, 其中顶点控制作用依赖于多胞描述模型参数, 由多胞顶点值构成. 在工业预测控制的 框架下, 方案包含开环预测、稳态目标计算、动态控制三个模块. 上层稳态目标计算模块采用稳态模型优化得到稳态目标值, 下层动态控制跟踪由稳态目标值计算得到的多胞顶点稳态目标值. 考虑到工业预测控制中稳态目标计算模块常采用线性模型, 本文通过在多胞描述模型中加入人工干扰进而改进控制方案, 使得上层稳态目标计算模块可直接采用改进的稳态多胞描述模型, 下层基于改进的动态预测方程跟踪顶点稳态目标值. 通过仿真分别验证了两种方法的可行性和有效性.

• 推力矢量垂直短距飞机轨迹优化与控制

  程志强,朱纪洪,袁夏明,王向阳

  推力矢量垂直短距起降(Vertical and/or short take-off and landing，V/STOL)飞机是一种兼顾巡航飞行速度和起降灵活性的新型飞机.本文首先建立了包含执行器饱和的V/STOL飞机动力学模型；然后针对V/STOL飞机在过渡过程阶段面临的强耦合、强非线性的特点，使用梯度下降法进行最优过渡过程轨迹优化并采用适应性矩估计算法(Adaptive moment,Adam)加速了优化过程；在此基础上，以最优轨迹为基础设计前馈控制器，同时通过对比真实飞行状态与所设计的最优状态给出反馈补偿量，保证了实际的过渡过程沿着最优轨迹进行.经过仿真实验可以发现，该方法具有过渡过程时间短、姿态平稳、鲁棒性强的优点.

• 机械臂的自适应径向基函数神经网络双二次泛函最优控制

  廖列法,杨翌虢

  针对非线性机械臂系统中难以权衡控制能量与控制误差比重的最优控制问题,本文提出一种基于自适应RBF神经网络二阶段叠加优化的双二次泛函最优求解模型,实现在非线性机械臂控制系统中用不大的控制能量来保持较小的控制误差的综合最优控制.在本文所提模型中,首先设计一种线性误差函数, 作用于非线性控制方程,并采用自适应RBF网络逼近非线性控制方程中存在的不确定项, 构成闭环反馈系统,实现对非线性系统的最优控制; 其次, 将待求参数复合成双二次泛函的解域,并设计一种新型的类递归神经网络求解该带约束条件的双二次型模型,实现模型求解的快速收敛并得其解. 通过理论分析及数值仿真实例验证了所提模型能有效提高非线性系统的控制精度、稳定性、鲁棒性及自适应性, 从而实现非线性系统的综合最优控制.

• 飞行机械臂系统的接触力控制

  孟祥冬,何玉庆,张宏达,杨丽英,谷丰,韩建达

  针对飞行机械臂系统的接触力控制问题, 本文首先从理论上证明了闭环无人机系统具有与弹簧-质量-阻尼系统一致的动态特性.基于飞行机械臂接触状态下力的分析, 得到了无人机水平前向接触力与系统重力和俯仰角之间的动态关系, 进而分析出接触力控制可以不使用力传感器来实现. 根据阻抗控制思想, 提出了飞行机械臂系统接触力控制方法, 即通过同时控制位置偏差和对应姿态角度来实现接触力的控制. 给出了单自由度飞行机械臂系统动力学模型, 对应分析出系统的稳定性. 开发了基于四旋翼飞行器的单自由度飞行机械臂系统, 并进行了实际的飞行实验, 验证了所提出接触力控制方法的有效性, 同时也证实了所开发系统的可靠性.

• 遮挡情况下刚体位姿估计的自适应无迹卡尔曼分布式融合

  冯远静,黄良鹏,张文安

  针对视觉目标位姿估计系统中常出现的因为特征点遮挡而造成系统估计结果不准确的问题, 本文提出了一种利用自适应无迹卡尔曼滤波(adaptive unscented Kalman filter, AUKF)作为局部滤波器的分布式融合估计方法.通过引入改进的Sage-Husa噪声估计器自适应过程噪声. 根据特征点识别量将遮挡情况分为部分遮挡和严重遮挡,对部分遮挡子系统根据先验信息修复缺失观测点后进行局部滤波估计, 严重遮挡子系统不参与融合, 利用当前时刻整体估计结果对其进行初始化. 通过仿真获取了区分遮挡情况的阈值, 实验结果表明所提方法能够提升系统在遮挡情况下的估计精度与鲁棒性.

• 低秩–稀疏与全变分表示的运动目标检测方法

  杨磊,庞芳,胡豁生

  针对含有动态背景的运动目标检测问题,本文提出了一种低秩-稀疏与全变分表示的运动目标检测方法.提出方法以鲁棒主成分分析（robust principal component analysis, RPCA）为基础,利用三维全变分对运动目标的约束,去除动态背景的干扰;同时利用低秩矩阵在正交子空间下系数的群稀疏性来加速低秩矩阵的秩最小化,弥补全变分的计算量大的问题,平衡整体运行速度.实验结果表明,该方法不仅能较好的把复杂背景下的运动目标检测出来,而且还保持了较快的运行速度.

• 利用FastSLAM框架的多自治水下航行器同时定位与跟踪算法

  卢健,陈旭,刘通,马成贤,何金鑫

  协同定位是共融机器人研究领域的重要问题. 协同定位方案的制定受限于机器人间信息交互的能力. 针对长时间通讯中断时多自治水下航行器(AUV)协同定位精度明显下降的问题, 借鉴同时定位与制图(SLAM)方法, 提出了基于FastSLAM框架的同时定位与跟踪(SLAT)算法. 将主AUV视为非合作目标, 在从AUV上建立起一个关于主AUV的运动估计器, 利用从AUV上声呐传感器实时获取的相对量测信息, 在对主AUV运动状态估计的同时, 完成对从AUV自定位精度的提升. 仿真实验结果表明, 在长时间通讯中断发生的条件约束下, 相比于传统的航位推算方法, 所提出的SLATF1.0和2.0算法能够有效减小定位误差, 2.0算法对于探测精度变化等因素的影响具有更好适应性.

• 惯性导航系统可观测性分析与可观测状态确定的图方法

  刘鹏,任一峰,张亚,吴常铖

  本文研究平台式惯性导航系统在静基座与动基座下的可观测性与可观测状态确定问题. 主要利用组合图论中的二分图与线性结构化系统中的动态图. 这种基于图论的方法, 不仅能够分析平台式惯性导航系统的可观测性, 而且可以用来确定具体的可观测状态. 针对静基座的情形, 利用二分图的匹配理论来分析可观测状态, 得到的可观测状态与已有的利用代数分析方法得到的相同. 对于动基座的情形, 通过建立分段定常系统分析方法与动态图的Menger-type linking分析方法之间的联系, 从图论的角度得出系统在机动运动下仍是不可观测的. 由于Menger-type linking分析可观测状态相对困难, 进一步引入广义二分图来分析动基座时不同运动状态下系统的可观测状态. 最后, 分别针对静基座和动基座时的惯性导航系统给出其可观测性与可观测状态的分析结果, 实例结果表明本文图论分析方法的简洁性和正确性.

• 具有噪声干扰的非线性时变系统多维泰勒网辨识和控制

  张超,孙启鸣

  针对含噪声单输入单输出不确定非线性时变系统，提出一种基于多维泰勒网(MTN)稳定的自适应控制方案，其中三个MTN分别被用来实现非线性滤波、系统辨识与自适应控制。首先，MTN滤波器(MTNF)用来消除测量噪声，以得到无随机干扰的模型输出。然后，MTN辨识器(MTNI)用来表示系统动态映射且比传统神经网络泛化能力更强。而后，MTN控制器(MTNC)用来实现系统精确跟踪控制，其中时变被控对象由MTNI辨识并将其动力学特性信息实时提供给MTNC使其“光滑”自适应。此外，利用改进的灵敏度计算方法来剪除MTNI和MTNC的冗余输入和冗余中间层回归项。最后，证明基于MTN的闭环系统稳定性，并给出最优学习率以期实现快速学习。仿真结果表明，该方法具有精确的辨识能力、良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力，可实现含有不确定性、随机因素和时变特性的非线性系统自适应实时控制。

• 含攻击角约束的网络化弹药分布式模糊协同制导律

  姜尚,田福庆,孙世岩,梁伟阁

  在大口径舰炮网络化制导弹药打击近岸机动目标的末制导段, 提出了一种含攻角约束的有限时间分布式模糊协同制导律. 构建含攻角约束的网络化弹药-目标二维相对运动模型, 设计双扩张状态观测器估计目标在速度切向、法向上的加速度. 为保证命中时刻在有限时间内趋于一致, 在视线方向基于分布式协同控制与有限时间稳定理论, 采用积分滑模设计分布式有限时间协同制导律; 在视线法向, 为在有限时间内零化视线角误差、视线角速率并改善控制指令终点发散现象, 采用非奇异终端滑模设计了含攻角约束的两阶段制导律; 设计模糊自适应逼近器削弱控制指令抖振, 并补偿干扰. 通过Lyapunov第二法证明了全系统状态的一致最终有界性与有限时间收敛性. 仿真实验表明: 该制导律使网络化弹药在打击机动形式不同的目标时, 均具备较好的协同制导性能.

• 低风速风力机最大风能追踪的互补滑模控制

  夏亚平,刘德,李芮宇,刘培

  针对风力机系统在最大功率点跟踪（MPPT）阶段易受风速等不确定因素的影响, 为了进一步提高风力机风能捕获效率, 本文在滑模控制的基础上提出了一种互补滑模控制方法. 首先, 建立了含有干扰项的风力机系统的线性化模型, 采用广义滑模面与互补滑模面相结合的方法设计了互补滑模控制器, 并在理论上证明了此控制方法能够有效保证风力机转速跟踪误差的收敛性, 且能提高转速跟踪精度. 其次, 采用风力机专业仿真软件FAST对美国可再生能源实验室（NREL）的600KW风力机进行了仿真实验, 结果表明本文所提出的控制方法不仅能提高风力机的风能捕获效率, 而且能有效抑制抖振. 最后, 将本文所提方法与现有常见的几种控制方法相比较发现: 风力机系统在互补滑模控制策略下, 具有更高的风能捕获效率和更小的转速跟踪误差.

• 形状记忆合金驱动器的自适应滑模反步控制

  李晓光,张弼,赵新刚,张道辉

  形状记忆合金（shape memory alloy,SMA)具有功率重量比大、驱动电压低、质量轻、干净、无噪音等特性,被广泛应用在各领域。然而，非线性、迟滞、时变等因素影响了形状记忆合金的控制精度。为此，本文提出了自适应滑模反步控制方法，用于解决精确控制问题。文中首先搭建了实验装置，建立了形状记忆合金的机理模型；然后，采用最小二乘算法辨识了模型参数；最后，基于机理模型设计了自适应滑模反步控制器。实验结果表明，本文提出的方法具有动态响应快、跟踪精度高和抗干扰能力强的特性。

• 复杂动态网络自适应有限时间同步控制

  石宇静,李强

  本文利用自适应控制的方法, 研究了复杂动态网络有限时间同步控制问题. 针对网络的耦合权重已知和耦合权重未知两种情况, 分别设计了相应的自适应控制器和参数自适应律. 利用有限时间稳定性定理和Lyapunov 稳定性理论, 证明了复杂动态网络的误差动态系统是有限时间稳定的, 并给出了同步过渡时间上界的估计. 最后, 利用数值算例验证了本文结论的有效性.

• 电液系统位置压力非线性自适应双闭环控制

  韩贺永,秦丽霞,柳渊,王凯,王晶

  随着技术的不断发展电液伺服系统的用途越来越广泛，电液伺服系统在工业设备工程机械、冶金机械、机械制造等领域占据着举足轻重的地位。本文建立位置压力非线性自适应双闭环控制，通过李亚普诺夫函数算法的稳定性探索闭环系统的稳定性。通过李亚普诺夫函数逐步分析算法的半负定。根据半负定判定该算法的稳定性，若为半负定则此时的函数为渐近稳定的。若不是半负定则不是渐进稳定的。采用李亚普诺夫函数算法的稳定性的控制方法，可以使系统的误差逐渐减小，从而使系统趋于稳定状态。从结果分析可以看出采用非线性自适应双闭环控制对跟踪位置压力的期望值有明显的提高，并且误差值也越来越小。

• 离散事件系统基于模式的安全故障诊断

  刘富春,唐顺桥,赵锐,邓秀勤,崔洪刚

  近年来，离散事件系统的故障诊断研究引起了国内外众多学者的广泛关注。尽管现有基于模式(Pattern-Based)的故障诊断方法能够将触发系统故障的事件串（称为故障模式）诊断出来，但是在诊断期间系统仍然可能执行某些被禁止的不安全操作。为此，本文针对目前最常用的 型和 型两种模式的故障诊断的安全性问题，分别提出了一种相应的离散事件系统基于模式的安全故障诊断方法。先引入 型和 型两种故障模式的可诊断条件和安全性条件，对离散事件系统基于模式的安全可诊断性进行形式化；再通过构造一个非法语言识别器对非法操作进行识别，并在此基础上构建相应的安全诊断器，对系统发生的故障模式实施安全诊断；最后，我们分别得到一个关于 型和 型模式的系统安全可诊断性的充分必要条件，实现了离散事件系统基于模式的安全故障诊断。该方法不仅能够将触发系统的故障模式诊断出来，还保证了系统在诊断期间不会执行任何被禁止的不安全操作。

• 多目标进化算法的污水处理过程优化控制

  杨壮,杨翠丽,顾锞,乔俊飞

  污水处理过程中，能耗与出水水质是两个相互矛盾的评价指标。为了找出这两个目标的最优解，本文在基于分解的多目标进化算法（multi-objective evolutionary algorithm based on decomposition, MOEA/D）的基础上进行改进，期望用更少的进化次数得到分布均匀的近似帕累托前沿。针对MOEA/D 算法每一次产生的新解，本文中改进的算法从所有子问题中找到最合适新解的子问题，并在其邻域范围内进行种群的更替，在原本子问题的基础上进行二次寻优，提高子代利用率，进而用更少的迭代次数找到优化问题中的近似帕累前沿。实验证明，该算法明显减少了找到帕累托前沿的步数，使得MOEA/D 算法的性能明显提升，在污水处理过程优化问题中达到了优化目标的作用。

• 区间直觉模糊熵–集对分析–理想解耦合的多属性决策模型

  任红岗,谭卓英

  属性决策中指标集具有关联度多样性、区间模糊性等特点，传统决策模型在这些方面还没有很好的解决方法。为此，本文提出区间直觉模糊熵-集对分析-理想解耦合的综合评价模型，基于区间模糊熵和集对分析理论，运用对立与统一的观点对评价集的确定性和不确定性因素进行系统分析，量化了评价集同、异、反三个角度之间的关联度，引入博弈论对权重确定方法进行了优化，兼顾了主观权重和客观权重。研究表明，该决策模型充分考虑了比较集的同一、对立、差异度的区间性，全面吸纳了不同决策者的评估信息，既反映了客观信息，又反映了决策者的主观意愿，为多属性决策提供了新的方法。

• 具有时滞的脉冲随机神经网络的有限时间稳定性

  鲁成甜,喻圣,程培

  研究带有时滞的随机脉冲神经网络的有限时间稳定性问题.考虑了输入干扰型、中立型和稳定型三种类型的脉冲.通过使用Lyapunov泛函,结合线性矩阵不等式(LMIs)工具,在平均脉冲间隔定义的基础上得到系统基于矩阵不等式的有限时间稳定性充分条件,最后通过一个例子来验证结论的有效性.

• 高维多目标头脑风暴优化算法

  吴亚丽,付玉龙,李国婷,张亚崇

  多目标优化的两个核心指标是收敛性和多样性，而对二者加以优化和权衡是多目标进化算法的关键。头脑风暴优化算法作为一种新型的群体智能优化算法，一经提出便引起了众多研究者的关注。本文在对现有的多目标头脑风暴优化算法研究的基础上，通过对决策变量进行分析，围绕收敛性和多样性分别进行优化，在对收敛性优化时通过分解策略增加选择压力，而在对多样性优化时以参考点更新种群增加多样性，最终扩展并提出了高维多目标头脑风暴优化算法。此外，本文提出一种以角点为聚类中心的自适应聚类方式，明确个体的导向，提高种群的扩展性。与现有的几种效果较好的多目标进化算法进行比较，大量的仿真结果表明了本文的算法具有优秀的性能。

• 可穿戴五自由度上肢外骨骼机器人固定时间控制

  张高巍,杨鹏,王婕,孙建军

  针对可穿戴上肢外骨骼系统在外部干扰及参数不确定条件下的轨迹跟踪问题，提出了一种基于观测器的固定时间控制策略。首先，采用拉格朗日方法对五自由度上肢外骨骼系统的动力学模型进行面向控制处理。其次，考虑模型中存在参数不确定及外部干扰，基于改进超螺旋算法设计了固定时间干扰观测器，实现对系统干扰的实时估计，完成对控制器的在线补偿；在此基础上，设计了非奇异终端滑模固定时间控制律，保证外骨骼关节角度跟踪误差在固定时间内收敛至原点。再次，基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性。最后，通过对比和数值仿真结果证明所提出控制策略的有效性。

• 机器人减速器传动误差建模与优化

  刘暾东,陆蒙,邵桂芳,王若宇

  为提高工业机器人RV减速器的传动精度，合理分配各零件的加工和装配公差，本文提出一种基于等价模型的RV减速器传动误差建模与优化方法。该方法根据RV减速器的传动结构，构建17自由度的等价误差模型，利用传统经验参数进行求解，获得减速器仿真传动误差；同时，将仿真传动误差与实际测量传动误差进行对比，运用最小二乘法建立经验参数辨识模型；在此基础上通过粒子群算法优化辨识模型中的经验参数,将该参数运用到实际RV减速器生产中，结果显示：与传统经验参数建立的误差模型相比，本文提出的方法使得传动精度的仿真误差平均缩小9.99%，大幅度提高了等价误差模型的准确性。

• 针铁矿法沉铁过程双层结构优化控制

  陈宁,周佳琪,桂卫华,阳春华,戴佳阳

  针铁矿沉铁过程是锌冶炼过程中一个非常重要的环节，实际过程中往往通过添加过量的氧气达到除铁的目的，导致了氧气的大量浪费。因此，本文提出一种基于Legendre伪谱法的针铁矿沉铁过程双层结构优化控制策略。上层定义氧气利用率衡量理论消耗量与实际添加量的差别，以过程氧气利用率最高为目标优化设定级联反应器出口二价铁离子浓度下降梯度。下层以过程氧气消耗最少和出口离子浓度与上层设定值误差最小为优化目标，过程动态模型和工艺条件为约束，求解构造的非线性优化控制问题得到各反应器最优氧气添加速率。为减少不确定性干扰对系统的影响，采用一种模型参数自适应校正的方法对模型参数进行校正保证优化控制器的性能。最后根据过程离子浓度采样值计算过程实际氧气利用率作为上层优化参数重更新反应器出口二价铁离子浓度最优设定值。由于下层优化问题约束多且约束多呈非线性，采用Legendre伪谱法求解下层优化问题。仿真结果表明，所提出的双层结构优化控制方法能动态调节过程氧气添加速率，达到减少过程氧气消耗的目的，且Legendre伪谱法对多个非线性约束处理具有较高的精度和效率。