控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第2期

• 非齐次马尔可夫跳跃正线性系统的稳定与镇定

  蒋鹏飞,朱进,奚宏生

  本文研究一类非齐次马尔可夫跳跃正线性系统的稳定与镇定问题. 该系统中模态的变化服从非齐次马尔可夫过程, 其模态转移速率/概率矩阵是随时间随机变化的, 且变化规律由一个高层马尔可夫过程描述, 本文提出一种双层马尔可夫跳跃正系统模型来刻画此类系统特征. 在此基础上, 利用切换线性余正李雅普诺夫函数给出此类连续和离散时间非齐次马尔可夫跳跃正线性系统平均稳定的判据. 然后, 运用线性规划方法设计依赖于模态-模态转移速率/概率矩阵的状态反馈控制器, 进而实现闭环系统的平均稳定性. 最后, 以功率分配系统为例给出仿真算例, 验证了所设计控制策略的有效性.

• 抗扰控制中的不变性原理

  李向阳,高志强

  不变性原理是抗扰控制理论的基本原理，抗扰性能是不变性原理的外在表现. 本文对双通道扰动补偿控制、内模控制、基于扰动观测器的控制和自抗扰控制中的不变性原理进行分析；给出了这些抗扰控制方法之间的内在联系；指出自抗扰控制为内含由两种不变性实现的三自由度结构结构. 自抗扰控制采用总扰动的估计和补偿实现了广义被控对象的动态模型的不变性; 采用状态误差反馈控制率实现了准滑动模控制, 从而进一步实现对扰动的不变性. 按照不变性原理可以更好地把握抗扰控制的本质、简化控制思想的描述和指导工程实践.

• 时滞分布参数系统的移动传感器/执行器防碰撞控制

  付焕森,崔宝同

  针对一类状态时滞的分布参数系统,考虑了传感器/执行器间的防碰撞问题和最大通讯距离的最小通讯能耗问题,以及系统的稳定性问题.利用抽象发展方程理论和Lyapunov稳定性方法,设计了一种基于时滞分布参数系统的智能体移动控制策略,包括输出反馈控制器和移动控制力.通过理论推导和仿真实验验证,文中设计的控制策略能够使得时滞分布参数系统是渐近稳定的,同时智能体在移动过程中是防碰撞的,也验证了智能体在最大通讯距离的最小能耗.

• PEMFC系统过氧比的自适应高阶滑模控制

  马冰心,王永富

  调节控制质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)空气供给系统过氧比(Oxygenexcess ratio, OER)在理想范围可有效提高PEMFC 系统输出净功率. 为此, 本文首先结合反馈控制理论将非线性PEMFC 空气供给系统转化为标准形, 并对系统内部动态进行了稳定性分析. 然后基于PEMFC空气供给系统系统扩展的状态空间, 并提出一种新型的自适应高阶滑模方法. 该控制器不需PEMFC 空气供给系统模型和干扰/不确定向的界已知的条件, 自适应模糊逻辑系统可在线逼近系统中未建模动态. 并且通过在线自适应获得的控制增益可保证系统跟踪误差收敛到原点附近的邻域内. 最后, 结合Lyapunov理论验证了系统的收敛性与稳定性, 通过仿真和硬件在环实验进一步验证了该控制器的自适应性与优越性.

• 基于高斯混合模型最大期望聚类的同时定位与地图构建数据关联

  阮晓钢,张晶晶,朱晓庆,周静

  数据关联是移动机器人同时定位与地图构建中状态估计的前提和基础, 针对当前联合兼容分支定界算法存在计算复杂高, 耗时长的问题, 提出了基于高斯混合模型(GMM)最大期望聚类分组的SLAM数据关联算法. 首先,为减少同一时刻参与关联的观测值数目，在局部区域内采用GMM最大期望聚类算法对当前时刻的观测值进行分组; 其次, 在各观测小组中采用联合兼容分支定界算法进行数据关联; 最后, 综合各观测小组的观测值同局部地图特征得到的关联解, 得到最优的关联结果. 仿真实验结果表明, 基于高斯混合模型最大期望聚类分组的SLAM数据关联算法在保证数据关联准确度的前提下, 计算复杂度得到了降低, 缩短了运行时间。

• 微粉生产过程中磨机进出口温度多目标优化

  李晓理,高杰,王康

  微粉是钢铁废渣经过研磨后所形成的一种粉末，是一种高效且环保的建筑材料添加剂。在微粉生产过程中磨机进出口温度之间存在正相关的关系，但在正常工况下进口温度的升高将有助于提高产量，而出口温度的降低却有利于保证生产的安全性，因此温度设定值的求解将是一个多目标优化问题，较难获得最优值。从实际生产工况出发，采用非支配排序遗传算法II、多目标粒子群优化算法和多目标灰狼优化算法多种多目标优化算法求解此问题，并进行对比分析获得最优可行解集。优化后得到的解集能更好的为温度的设定提供参考，从而提升产量与生产的安全。

• 重介质选煤过程模型与数据混合驱动的自适应运行反馈控制

  代伟,张凌智,褚菲,马小平

  重介质悬浮液密度是决定重介质选煤产品质量的重要影响因素, 但由于重介质选煤运行过程是一个时变的强非线性过程, 导致根据实时工况的变化在线调整重介质悬浮液密度异常困难. 为此, 本文针对重介质选煤过程特性, 提出一种模型与数据混合驱动的自适应运行反馈控制方法, 用于在线调整重介质悬浮液密度设定值. 所提方法首先将重介质选煤过程分解为低阶线性模型和未建模动态非线性项两部分; 进而针对线性部分, 将PI控制与一步最优控制相结合, 设计了模型驱动的自适应PI控制器; 并利用随机向量函数链接网络设计了数据驱动的虚拟未建模动态补偿器; 最后分析了闭环系统稳定性, 并在基于MATLAB和Unity3D的虚拟现实仿真平台上进行了对比仿真实验, 验证了所提方法的有效性.

• 基于即时学习的高炉炼铁过程数据驱动自适应预测控制

  易诚明,周平,柴天佑

  针对高炉炼铁过程, 本文提出一种基于即时学习的高炉铁水质量自适应预测控制方法(JITL-APC). 该方法的特点是控制器通过k向量近邻(k-VNN)方法搜索数据库中的I/O数据信息, 对非线性系统进行局部建模, 并在此基础上计算控制律. 而且, 该方法中引入了工业异常数据处理机制, 利用JITL学习子集中的平均数据项, 对异常数据项进行填补或替换, 从而消除异常数据对控制系统的影响. 此外, 本文提出一种JITL模型保留策略(MRS), 避免由于数据库中相似数据样本不足导致的局部模型严重失配, 并通过实时收集I/O数据更新数据库, 使控制器自适应不同的工况条件, MRS还可以有效抑制噪声干扰的影响,从而提高控制系统的稳定性. 最后, 基于某大型钢铁厂2#高炉的数值仿真实验, 充分验证了该方法的有效性.

• 基于级联型具有旋转激励的平移振荡器系统的滑模控制

  武宪青,张益波

  针对欠驱动具有旋转激励的平移振荡器(translation oscillators with rotating actuator, TORA)系统的控制问题, 本文首次提出一种全局滑模控制方法, 使闭环系统在整个控制过程对外界干扰均具有鲁棒性. 相比已有控制方法, 本文所提方法结构简单, 便于实现;而且放宽了对外界干扰的假设条件, 可实现闭环系统的全局滑模控制.具体而言, 本文首先将系统模型变换为由两个子系统组成的级联形式;随后, 针对内环子系统设计了一种虚拟控制输入, 在此基础上构造了一种新颖的滑模面并设计了相应的滑模控制器;最后, 通过严格的数学分析证明了闭环系统的稳定性及系统状态的渐近收敛性, 利用数值仿真测试检验了本文所提方法的控制性能.通过与已有方法进行仿真对比可知, 本文方法在镇定控制与鲁棒性方面均表现出良好的控制性能.

• 超启发式遗传算法求解模糊柔性作业车间调度

  李尚函,胡蓉,钱斌,张梓琪,金怀平

  本文提出一种混合超启发式遗传算法(hybrid hyper-heuristic genetic algorithm，HHGA)，用于求解一类采用三角模糊数表示工件加工时间的模糊柔性作业车间调度问题(fuzzy flexible job shop scheduling problem，FFJSP)，优化目标为最小化最大模糊完工时间（即makespan）. 首先，详细分析现有三角模糊数排序准则性质，并充分考虑取大操作的近似误差和模糊度，设计一种更为准确的三角模糊数排序准则，可合理计算FFJSP和其他各类调度问题解的目标函数值. 其次，为实现对FFJSP解空间不同区域的有效搜索，HHGA将求解过程分为两层，高层利用带自适应变异算子的遗传算法对6种特定操作（即6种有效邻域操作）的排列进行优化；低层将高层所得的每种排列作为一种启发式算法，用于对低层相应个体进行操作来执行紧凑的变邻域局部搜索并生成新个体，同时加入模拟退火机制来避免搜索陷入局部极小。最后，仿真实验和算法比较验证了所提排序准则和HHGA的有效性.

• 混合攻击下时变信息物理系统的有限时域H∞控制

  刘珊,黎善斌,胥布工

  本文讨论了一类线性时变“信息物理系统 (CPS)”在有限时域内受到混合攻击的H∞控制问题. 上述提到的混合攻击, 包括对传感器和控制器之间通信通道发起的“拒绝服务 (DoS)”攻击和对传感器和执行器发起的“数据注入 (FDI)”攻击, 其目的在于破坏测量数据和控制数据, 从而危及闭环系统的功能. 本文的目的在于研究攻击注入信号和被控输出的关系, 来设计控制器增益以使闭环系统在有限时域内具有H∞性能; 与此同时, 减少最坏情况下攻击输入信号对线性二次性能的影响. 为了解决以上问题, 本文用了随机分析方法和配方法来建立所需的控制器存在的充分条件, 并且通过求解一些设定条件下的两个耦合的倒向递推“黎卡提差分方程(RDEs)”, 提出了一个有限时域控制器设计算法. 最后, 本文给出了数值仿真和实验结果, 来证明该方法的有效性.

• 基于多目标人工鱼群算法的符号回归

  刘庆,任海鹏,姚俊良,刘龙

  针对现有符号回归方法仅关注拟合误差而忽略模型简化的问题，提出了一种基于多目标的人工鱼群算法，将拟合误差与模型复杂度同时作为目标函数进行优化。以二叉堆对语法树编码，优良分支得以稳定地遗传和继承，也更易解码。在引入蒙版、邻域、小生境、拥挤度等概念的基础上，设计和定义了适用于二叉堆编码的随机游动、觅食、追尾、逃脱等人工鱼行为算子。详尽的实验表明，提出算法在符号回归过程中能获取高质量的Pareto解。此外，对从Pareto前沿上选取折衷解及降低算法内存开销的方法也进行了讨论。

• 航天器全状态约束输出反馈控制

  陈中天,陈强,孙明轩,何熊熊

  针对无角速度测量的刚性航天器姿态跟踪问题, 提出一种全状态约束输出反馈控制方法. 建立修正罗德里格参数描述的系统模型, 设计能够适用于约束与非约束情况的改进型障碍李雅普诺夫函数, 拓展传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围. 构造二阶辅助系统, 将控制输入和饱和输入之间的差作为构造系统的输入, 进而产生信号以补偿饱和的影响. 设计状态观测器估计未知状态量, 并结合反步法设计输出反馈控制律, 保证系统全状态约束性能和姿态跟踪精度. 通过李雅普诺夫稳定性分析证明姿态观测误差和跟踪误差能够达到一致最终有界. 仿真结果验证所提方法的有效性.

• 基于四元数衍生无迹卡尔曼滤波的二段式多旋翼无人机姿态估计算法

  蔡安江,刘凯峰,郭师虹,舒展

  针对传统多旋翼无人机姿态估计算法难以兼顾高精度、强实时性以及抗干扰能力差的问题，首先基于一种计算量较小的衍生无迹卡尔曼滤波算法（DUKF），在量测更新中，将加速度数据和磁力计数据分为两个阶段进行姿态四元数校正处理，然后从旋转四元数的本质出发，推测出四元数各元素分别包含着不同的姿态角信息，最后将校正四元数分别乘上为降低校正过程中的相互干扰所设计的系数，提出一种基于四元数DUKF的二段式多旋翼无人机姿态估计算法。通过使用PIXHAWK飞控数据，与传统姿态估计算法进行仿真实验对比，实验表明，本文提出算法与传统使用EKF或UKF的姿态估计算法相比，在实时性、解算精度和抗干扰能力方面有较大提升。

• 并网光伏逆变器鲁棒分数阶滑模控制设计

  杨博,THIDAR Swe,钟林恩,束洪春,余涛,孙立明

  本文设计了一款基于扰动观测器的鲁棒分数阶滑模控制(perturbation observer based fractional-order sliding-mode control,POFO-SMC)来实现光伏逆变器(photovoltaic inverter)的最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)。首先,将光伏逆变器的非线性、参数不确定性以及未建模动态聚合成一个扰动,并通过扰动观测器对其进行在线估计。随后,采用分数阶滑模控制(fractional-order sliding-mode control,FOSMC)对该扰动估计进行实时完全补偿,从而实现不同工况下全局一致的控制性能。同时,POFO-SMC采用扰动实时估计而非传统滑模控制(sliding-mode control,SMC)中所使用的扰动上限值进行补偿,因此可有效解决传统SMC过于保守的缺点,使得控制成本更为合理。最后,POFO-SMC无需精确的系统模型,仅需测量光伏逆变器的q轴电流和直流侧电压,因此易于硬件实现。本文进行了两个算例的研究,即光照强度变化和电网电压跌落。仿真结果表明,与传统PI控制、反馈线性化控制(feedback linearization control,FLC)、SMC和FOSMC相比,POFO-SMC在各类工况下均具有最好的动态特性及最高的鲁棒性。基于dSpace的硬件在环实验(hardware-in-loop,HIL)验证了其硬件可行性。

• 随机性标量参数分布式量化的最优比特分配

  沈志萍,陈军勇,邬依林

  本文研究了在总比特率设定的情况下, 改良并给出表现更优的量化器, 以及如何实现基于网络的随机标量参数分布式量化估计, 重点讨论传感器比特数最优分配. 与常规给定各传感器的量化比特率不同的是, 本文将结合估计器算法使用和不同量化器的构建, 来研究固定总比特率下的分配. 文中的观测模型噪声服从高斯分布, 并且以此模型为对象通过均匀量化探讨基于一般类型与线性估计器的最理想比特分配方式. 前者均方误差上限与后者对应下限在高精度处理方案下结果几乎相同, 都表现出网络中观测噪声误差反比于量化级数这一特性. 此外还借用交替序列比特分配算法以确保求解出的数值解恒非负. 最后从Matlab仿真结果可以看到, 本文给出的最优比特分配估计器较传统方案的表现更优.

• 基于改进单关节信息传输模型的闭环脑机接口系统设计

  潘红光,米文毓,邓军,孙京诰,薛瑞

  近年来, 脑机接口技术在残疾人肢体功能康复、老年人生活辅助等方面的应用日益广泛. 本文以单关节信息传输模型为对象, 通过模型改进、设计解码器和辅助控制器构造了闭环脑机接口系统以恢复单关节的运动功能. 本文主要工作包括: 1) 引入相对速度向量对单关节信息传输模型改进以降低模型输出的超调量, 并测试了改进模型的性能; 2) 基于改进模型, 通过设计基于维纳滤波的解码器、基于预测控制策略的辅助控制器构造了闭环脑机接口系统以恢复缺失的信息通路. 离线和在线仿真说明, 改进模型的输出性能有较大提升、超调量明显下降; 构建的闭环系统很好地实现了对缺失信息通路的恢复和期望轨迹的跟踪.

• 一种基于无源性理论的模糊Hopfield神经网络学习律设计方法

  王婧,柏建军,薛安克

  本文研究了一类模糊Hopfield神经网络系统的稳定性问题。首先，基于无源性理论，设计了一种新的权重学习律，并通过构造的模糊Lyapunov函数证明了系统从输入到输出是无源的。在此基础上，证明了系统在该学习律下是输入到状态稳定的。相比于传统的公共Lypaunov函数，本文所提的模糊Lyapunov函数能保证系统具有更好的性能。最后，通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

• 一种新型反馈控制器的研究与应用

  李军,黄卫剑,万文军,刘哲

  基于比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative, PID)的反馈控制是工业过程控制领域首选的基础控制技术. 在PID控制中, 一个看不见的严重缺陷, 即常规积分控制跟踪常值扰动的效率不高的问题已被揭示. 针对常规积分控制存在的问题, 提出了一种无穷阶积分器(infinite order integrator, IOI), 显著提高了跟踪常值扰动的效率. 将IOI等用于构造一种新型反馈控制器(novel feedback controller, NFC), 显著提高了过程输出跟踪过程给定包括跟踪过程稳态偏差的性能. NFC具有简单性和良好的工程易用性, 在难控过程具有比PID更好的控制性能. 数学分析, 仿真实验和电力控制工程应用的结果验证了文中所提出观点和方法的正确性和有效性.

• 轮式移动机器人瞬态模型鲁棒自适应同步终端滑模编队控制

  赵东亚,崔文豪,严星刚

  在轮式移动机器人协同编队问题中, 如何保证移动机器人在追踪自身期望轨迹的同时, 又能实现与其他机器人运动同步的 问题对控制算法的设计提出了更高的要求. 本文提出一种基于图论的鲁棒自适应同步终端滑模控制算法来解决这一问题. 首先介绍了轮式移动机器人非线性运动学瞬态模型, 该模型避免了一般运动学模型多输入耦合互相干扰的问题. 然后根据交叉耦合误差设计同步控制算法实现运动同步, 通过鲁棒控制对系统外部干扰进行抑制, 自适应律保证切换增益实时调节. 运用Lyapunov 方法进行了稳定性分析, 证明了系统追踪误差的收敛性. 最后通过MATLAB 仿真验证了所设计算法的有效性.

• 滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

  王立玲,董力元,马东,刘秀玲,王洪瑞

  针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人（Wheeled mobile robots，WMR），提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略。首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型。其次，由反步法设计运动学控制器，基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器，并给出了控制器稳定性分析。最后与积分滑模控制进行了仿真对比，结果表明该控制方法的误差收敛速度更快，观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动，提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性。

• 打滑状态下的多移动机器人编队自适应控制

  彭滔,陆群,苏春翌

  本文针对由领航跟随控制策略协调运动的多移动机器人编队, 研究跟随机器人存在打滑状态的自适应控制器设计问题. 首先, 通过移动机器人打滑状态的运动学特性分析, 建立`距离-角度’编队控制模型. 然后, 利用径向基函数神经网络(RBF NN)对系统中由打滑引起的未知信息, 构建非线性逼近器; 并根据李雅普诺夫稳定性理论和非线性有界扰动稳定性理论, 证明了设计的嵌入了RBF NN的自适应控制器能保证闭环控制系统状态的收敛和有界. 通过分析编队误差控制模型, 可将不打滑状态视为系统的一种特殊情况, 而嵌入控制器中的RBF NN能自适应打滑和不打滑两种状态, 从而使得控制器在两种状态下均有效. 最后利用仿真研究, 验证了本文所提方法的正确性和有效性.

• 基于矩阵方法的Banzhaf值的计算及应用

  夏美霞,李海涛,丁雪莹,刘衍胜

  在合作博弈中, Banzhaf 值提供了每个参与者形成大联盟的预期边际贡献, 因此 Banzhaf 值的求解是一个重要的研究内容. 本文首先回顾合作博弈及 Banzhaf 值的定义, 并且运用矩阵半张量积, 给出合作博弈特征函数的代数表示. 然后给出了 Banzhaf 值的等价的代数形式和简捷的计算方法. 最后将所得结果应用于生物网络中, 用 Banzhaf 值度量遗传疾病基因相关性的可能性, 确定与遗传疾病发病高度相关的基因.