控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第3期

• 局部新冠肺炎时滞模型及再生数的计算

  刘可伋,江渝,严阅,陈文斌

  2019年末的新型冠状病毒肺炎(简称: 新冠肺炎, 又称COVID-19, Novel Coronavirus Pneumonia, NCP, 2019-nCoV)疫情得到了全球的广泛关注.文献\cite{ChenArxiv2020, YanPreprint2020}提出了一类新的时滞动力学系统的新冠肺炎传播模型 (A Time Delay Dynamic model for NCP, 简称TDD-NCP模型)来描述疫情的传播过程. 本文将这个模型用于研究部分省市的疫情传播问题, 通过增加模型的源项用于模拟外来潜伏感染者对于当地疫情的影响. 基于全国各级卫健委每日公布的累计确诊数与治愈数, 我们有效地模拟并预测了各地疫情的发展. 我们提出了基于TDD模型的再生数的两种计算方法, 并做了估计与分析. 我们发现疫情暴发初期再生数较大, 但随着各级政府防控力度的加大而逐渐减小. 最后, 我们分析了返程潮对上海疫情发展的影响, 并建议上海市政府继续加大防控力度, 以防疫情二次暴发.

• COVID–19在高危人群动态网络中的传播动力学

  师亚勇,年福忠,刘金朔,曹军

  为了弄清影响新型冠状病毒肺炎蔓延的影响因素，分析中国大陆地区的疫情发展趋势，本文提出了一种基于高危人群动态网络的COVID-19传播模型来模拟新型冠状病毒肺炎在人群中的传播过程。首先，本文统计了1月16日至2月6日，中国大陆各个地区的感染情况，通过各个地区的人口流动、地理位置和经济发展情况等因素，对各个地区的疫情数据进行了综合分析，提出了疫情生长指数来量化各个地区的疫情发展情况。然后，本文结合新型冠状病毒肺炎在人群中的传播特点，以高危人群为研究对象，构建了高危人群动态网络。COVID-19传播模型对SEIR模型中的感染率、潜伏率和退出率进行了重新定义，并基于高危人群动态网络对中国大陆地区的疫情发展趋势做出了预测和分析，模拟数据和已公布的确诊数据能够较好的拟合，也验证了模型的可靠性。最后，模型还验证了防护措施的有效性。

• 卫星光通信精确跟踪控制系统的参数化综合优化设计

  段广仁,王建宇,赵天一,张亮

  精确跟踪对准控制系统在卫星光通信中起着至关重要的作用. 我国已完成的墨子号量子科学实验卫星, 是基于经典随动系统理论设计的跟踪与瞄准系统, 并在实践中取得了圆满效果. 面向未来更远距离的空间通信应用,对跟踪与瞄准系统提出了更高的精度要求, 传统的控制方法很难满足. 为此本文提出了精确瞄准系统的一种参数化设计方法, 抛弃了传统方法的精、粗系统分别设计的思想, 对两级子系统进行整体设计, 充分地利用了系统中的设计自由度. 通过综合优化这些设计自由度, 实现了系统对阶跃干扰的解耦和复杂干扰的抑制、不敏感极点配置和控制增益极小化等各项设计要求, 从而显著地提高了对准精度. 仿真结果表明, 对准精度由原来的微弧度量级提高到了纳弧度量级.

• 数据与未建模动态驱动的非线性PID切换控制

  张亚军,牛宏,柴天佑

  本文充分利用系统的数据信息和知识，把数据驱动控制、PID控制与一步超前最优控制策略相结合，提出了数据与未建模动态驱动的非线性PID切换控制方法。该方法首先利用被控对象往往运行在工作点附近的特点把被控对象表示成低阶控制器设计模型与高阶非线性项(未建模动态)和的形式。与以往方法的本质区别在于，所提的方法直接将未建模动态分解为前一拍数据与未知增量的和，并利用未建模动态可测数据补偿系统未知的非线性动态特性，设计非线性PID控制器，对未建模动态的未知增量采用自适应神经模糊推理系统(adaptive-network-based fuzzy inference system, ANFIS)进行估计，从而设计带有未建模动态增量估计的非线性PID控制器。两个控制器通过切换机制协调控制系统，既保证系统的稳定，同时提高系统的性能。给出了PID控制器参数选择的一般原则和方法，推导了保证闭环系统输入输出稳定性的条件；最后,通过数值仿真实验以及在水箱液位控制系统的物理对比实验，实验结果验证了所提算法的有效性和实用性.

• 基于多搜索器优化算法的含可再生能源协同优化调度

  唐建林,余 涛,张孝顺,李卓环,陈俊斌

  考虑到风光不确定性给能源系统运行带来的影响，本文建立了含有风力、光伏的热电数学模型，并提出了多搜索器优化算法，用于解决热电能量管理优化问题。混沌理论的引入能够不断缩小优化变量的搜索空间，并不断提高搜索精度，从而有较高的搜索效率。算法中的双层搜索器的设置既能保证快速收敛到近似最优解，也能及时避免陷入局部最优解。通过标准函数和27机组热电系统的仿真结果表明，本方法具有较高收敛稳定性且收敛速度快，能够有效解决热电能量管理系统中的高度非线性、非光滑、非凸问题。

• 冷链物流越库调度的拉格朗日松弛算法

  周炳海,宗师

  为了解决越库(cross-docking)在冷链物流中的应用问题，提出了基于拉格朗日松弛算法的冷链物流的越库调度方法。首先进行了问题域的描述，并基于问题域以最小化卡车等待时间和越库内部运输成本为目标，建立越库调度的数学模型。然后，提出了针对越库调度模型的拉格朗日松弛算法，松弛复杂约束后根据决策变量将松弛问题分解为若干子问题，采用次梯度算法求解松弛模型。最后，对各种不同规模的越库模型进行仿真实验，并与传统的贪婪算法进行对比，结果表明，所提出的调度算法可以在较短时间内获得良好的近优解。

• 可持续闭环供应链网络设计的多目标模糊规划问题

  张鑫,赵刚,李伯棠

  为解决不确定条件下可持续闭环供应链网络设计的问题, 以成本和环境影响最小、社会影响最大为目标, 建立带有模糊参数的多目标闭环供应链网络规划模型. 首先采用Me测度处理相关模糊目标和参数, 并运用加权增广Epsilon-约束方法解决多目标问题, 在此基础上设计一种基于[0,1]随机数的双层编码遗传鲸鱼(GA-WOA)混合算法进行求解, 然后构造多个不同规模算例, 将混合算法求解结果与CPLEX、遗传算法的求解结果进行对比, 结果证明该编码方式和混合算法具有合理性. 最后针对模型的多个参数变化进行分析, 以验证所建模型的可行性.

• 基于平均驻留时间切换离散线性系统的降阶输出反馈控制

  何伟,谢巍,吴伟林,张浪文

  模型降阶作为简化大规模系统的重要工具,一直受到控制界的高度重视.另外,由于在$H_\infty$ 理论指导下所设计的控制器具有维数过高的特点,这将导致控制器的实现和维护受到限制.基于此本文提出了一种平均驻留时间切换离散线性系统降阶输出反馈控制策略.该策略由一个降阶的切换输出反馈控制器和一个对切换控制器在每个切换时刻的状态执行复位规则的监控器组成,该控制器对切换控制器在每个切换时刻的状态进行降阶控制.仿真结果验证了该方法的有效性.

• 组件多工作模式下的离散事件系统监督控制方法研究

  焦亭,刘振国

  针对组件多工作模式下的离散事件系统, 提出一种监督控制方法. 利用Ramadge-Wonham监督控制架构, 计算出组件各工作模式下对应的监督控制器. 然后, 利用所提的merge算法将组件各工作模式下对应的监督控制器合并, 以生成融合监督控制器. 再利用所提的事件选择函数得到在融合监督控制器各状态允许发生的事件, 从而保证系统在融合监督控制器作用下的可控且非阻塞运行. 最后, 通过一个带反馈功能的制造系统演示本文所提方法的有效性, 该系统中的检测单元将根据工件未通过检测的次数选择工作模式. 相比于运用扩展有限状态机进行变量抽象的方法, 本文所提方法更加直观简便, 并能适应多个工件同时处于系统中时的情形.

• 多电机驱动系统的保性能鲁棒Funnel控制

  王敏林,董雪明,任雪梅,陈强,张策

  本文针对含参数不确定性的多电机驱动系统, 提出一种基于最优保性能鲁棒的Funnel 控制方法实现系统的规定跟踪性能. 该控制方法通过构造Funnel函数对误差系统进行变换, 并设计自适应反步控制器保证变换后系统的稳定性即可使跟踪误差的瞬态和稳态响应均被限制在给定的Funnel边界内. 然而由于系统中存在的参数不确定性会影响系统的规定控制性能, 本文在Funnel控制基础上又设计了最优保性能鲁棒控制器. 它是通过将参数不确定性系统的保性能鲁棒控制问题转化为标称系统的最优控制问题, 并求解新的黎卡提方程而得到的. 因此所设计的控制器不但消除了参数不确定性对系统的影响并且能够使系统的性能指标达到一确定的上界. 最后, 对四电机驱动系统进行了仿真和实验验证，说明所提出控制方法的有效性.

• 线电感特征点定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法

  匡斯建,张小平,刘苹,张光辉,张铸

  针对目前开关磁组电机在无位置传感控制方面受磁路饱和影响而导致转子位置估算精度不高的问题,提出一种基于线电感特征点定位的开关磁阻电机无位置传感器控制方法。首先提出了线电感及其特征点的基本概念,分析了线电感与转子位置角度间的函数关系,研究了根据两相邻线电感特征点对应区间的位置角度及时间来确定电机转子在该区间的平均转速及下一对应区间位置估算的具体实现方法。最后通过仿真与实验验证了上述方法的可行性。

• 带结构风险最小化的最优区间回归模型辨识

  刘小雍,方华京,陈孝玉

  针对来自模型结构、参数以及测量数据的不确定性等因素, 传统的辨识方法获取的是确定性数学模型的点输出, 其鲁棒性差, 易受外界干扰. 因此, 采用区间输出比点输出更易于实际问题的研究. 基于复杂系统的不确定性测量数据以及系统参数的不确定性, 提出了最优区间回归模型辨识的一种新方法, 该方法将逼近误差的$\ell_\infty$范数思想与结构风险最小化理论相结合, 建立求解区间模型的最优化问题, 应用线性规划独立求解区间模型的上界和下界模型. 该方法在保证模型辨识精度的同时, 其泛化性能进一步得到提高. 实验分析表明, 提出的方法对来自噪声以及参数不确定性的数据, 可以从区间模型的辨识精度和泛化性能之间取其平衡.

• 主被动一体悬架构型的多目标粒子群最优控制

  胡一明,李以农,李哲,杨超

  为了解决电动轮汽车中轮毂电机引入引起的振动负效应问题，提出了将动态减振与主动悬架结合的悬架新构型方案。针对新构型中结构及控制参数复杂的特点，建立了能够表征平顺性、操稳性以及悬架作动效率的11自由度整车动力学优化模型，借助多目标粒子群优化算法，设计基于主被动一体悬架构型的多目标粒子群LQR控制器，仿真结果表明，新构型方案能够实现车辆平顺性、操稳性以及悬架效率的全局最优，对比传统轮毂电机悬架构型方案，在解决轮毂电机振动负效应问题上有良好的效果。

• 基于自适应变异的多目标鸽群优化的无人机目标搜索

  霍梦真,段海滨

  无人机在搜索任务中起着关键的作用，它能够在复杂环境中寻找到目标。无人机搜索问题是一个相对复杂的多约束条件下的多目标优化问题。大多数搜索算法不能满足搜索过程中高效率和低功耗的要求。本文所采用的目标搜索方法是一种基于Agent路由和光传感器的解耦滚动时域方法。为了优化目标搜索方法的参数，本文提出一种基于Agent路由和光传感器的自适应变异多目标鸽群优化算法。利用自适应飞行机制可以获得较好的鸽群分布，种群具有多样性和收敛性。 利用变异机制简化了鸽群优化算法中的模型，提高了搜索效率。 实验仿真结果验证了所提出的AMMOPIO算法在目标搜索问题中的可行性和有效性。

• 一类耦合分数阶反应–扩散系统的边界控制

  庄波,崔宝同,陈娟

  针对带有空间变化的反应项的耦合分数阶反应--扩散系统边界镇定问题, 利用反步法设计了用于 Robin 边界条件的状态反馈控制. 通过可逆的积分变换将原耦合系统转化为一个稳定的目标系统. 利用变量代换和逐次逼近法分析了核函数矩阵的存在唯一性. 借助分数阶 Lyapunov 直接法证明了闭环系统的 Mittag-Leffler 稳定性. 数值仿真验证了所提出方法的有效性.

• 含未知参数的一维人群动态系统的自适应边界控制

  秦伟,CONTRERAS Sergio,崔宝同

  针对存在扰动的一维人群动态系统, 在扩散系数及边界条件系数未知的情况下, 设计自适应边界控制律来控制人群向设定的方向平稳疏散. 借助李雅普诺夫稳态判据对自适应边界控制作用下的人群动态系统的稳定性给出了详细的证明. 系统的建模及稳定性的证明均在分布参数系统的范畴内完成, 避免了模型降阶方法引起的误差的产生. 通过一个仿真实例, 对比不同扩散系数取值时的人群动态系统在未加控制与自适应边界控制作用下的人群密度演化, 验证了自适应边界控制律的有效性.

• 室内环境的数据融合自适应调控方法研究

  庞维庆,何宁,李秀梅,严成

  针对传统的室内环境控制方式存在抗干扰性差、耗能高、智能化程度低及融合性简单等不足,提出一种通过多数据融合技术实现的新型智能化调控方法. 从卡尔曼滤波器(Kalman ?lter) 的基本原理出发, 采用多维线性滤波模型对多个传感器采集的环境指标数据进行滤波, 得到当前环境状态的有效估计,然后通过神经网络进行融合,得到当前状态期望值的最优估计,最终通过动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)算法来根据性能指标完成优化控制. 仿真结果表明, 相较于现有的室内环境控制方法, 此方法的滤波误差 < 2%, 调控误差 1%, 从而能够有效提高控制精度和抗干扰能力,在尽量降低能耗的基础上实现室内环境的最优化控制,可以推广应用于对环境因素要求比较苛刻的场合的精细调节,比如医院、温室、科研实验室等.

• 双连杆刚柔机械臂无残余振动位置控制

  孟庆鑫,赖旭芝,闫泽,王亚午,吴敏

  针对双连杆刚柔机械臂, 提出一种基于轨迹规划的无残余振动位置控制方法, 在将机械臂的末端执行器从任意初始位置移动到目标位置的同时, 确保系统没有残余振动产生. 首先, 建立系统的动力学模型, 并通过分析该模型得到系统的状态约束方程. 其次, 基于状态约束方程, 运用双向轨迹规划方法规划一条系统前向轨迹和一条系统反向轨迹. 然后, 利用时间倒转方法及基于遗传算法的轨迹优化方法对两条轨迹进行拼合, 得到一条从系统初始状态到目标状态的期望轨迹. 最后, 设计轨迹跟踪控制器使系统沿期望轨迹到达目标状态, 实现系统的无残余振动位置控制目标. 仿真结果验证了本文所提方法的有效性.

• 针对工业信息物理系统中的拒绝服务攻击建立检测模型

  庄康熙,孙子文

  无线通信网络的脆弱性使工业信息物理系统(ICPS)的稳定性容易遭受拒绝服务(DoS)攻击的影响. 为检测ICPS中的DoS攻击, 本文基于反馈控制理论, 采用卡尔曼滤波器和卡方检测器结合的检测方案建立攻击检测模型. 卡尔曼滤波器用于去除环境噪声, 并得到测量残差; 卡方检测器通过测量残差得到检测值, 再结合攻击检测判决规则, 判断系统是否受到DoS攻击. 为证明所采用方法的有效性, 以球杆系统为被控对象, 通过Simulink/TrueTime进行仿真, 并使用欧几里得检测器作对比实验. 实验结果表明, 基于反馈控制理论的攻击检测模型可以有效地检测ICPS中的DoS攻击; 相较于欧几里得检测器, 卡方检测器能够更好地用于检测DoS攻击。

• 基于k近邻变量贡献与重构理论的工业过程故障诊断

  王国柱,胡永涛,李元,杜志勇

  针对工业过程中发生故障时异常变量的精确识别以及如何准确建立“故障-征兆”表的问题，本文提出了一种基于k-NN变量贡献分析和数据重构的异常变量精确识别方法。首先，将k-NN算法中各个采样时刻的统计距离指标细化，分解为每个变量的贡献并对其进行详细分析，分别从单变量和多变量异常角度进行方法的可行性验证，确定过程故障时异常变量具有较大的贡献值；其次，建立正常数据中每个变量的贡献模型用于对故障样本中的异常变量进行“一次”识别；随后提出基于k-NN理论的数据重构算法，并从重构原理方面进行分析，验证该方法具有一定的有效性。对于故障样本，根据变量贡献分析方法求取每个变量对距离指标的贡献，“一次”识别出故障发生时所对应的异常变量或征兆；进而通过数据重构理论对故障样本中异常变量值进行重构、检测和“二次”识别，直至辨识出过程中发生异常的所有变量，并得到故障与变量之间的关系，即“故障-征兆”表。

• 基于时空近邻标准化和局部离群因子的复杂过程故障检测

  冯立伟,李元,张成,谢彦红

  针对复杂过程数据的非线性、动态性和中心漂移等特征，提出了基于时空近邻标准化和局部离群因子的故障检测方法(TSNS-LOF)。首先使用训练样本在时空两个方向上的近邻集来标准化训练样本；然后在标准样本集上计算样本的局部离群因子，并将其作为检测指标进行在线故障检测。时空近邻标准化解决了过程中的时序相关性和中心漂移的问题；局部离群因子通过度量样本的相似度实现故障样本和正常样本的分离。将TSNS-LOF应用于TE过程进行故障检测，实验结果表明相对于PCA、DPCA、FD-LOF方法，TSNS-LOF对故障预警更加及时，且具有更高的检测率。理论分析和仿真实验说明TSNS-LOF方法适用于具有动态性或多模态特性或两者兼具的过程的故障检测，能够更好地保障生产过程的安全性和产品的高质量。

• 基于多数据集动态潜变量的在线性能分级评估方法

  曹晨鑫,王昕,王振雷

  针对动态多变量过程中难以提取明确的过程变量的动态关系问题， 本文提出基于多数据集动态潜变量分析(MSDLV)的在线性能分级评估的方法。 首先将过程性能相近的历史数据段划分为不同性能等级的集合， 然后运用 MSDLV 方法提取性能级之间的公共基向量， 保留训练数据中性能相关的过程变化， 将性能相关的特有变化分解为动态部分与静态部分， 提取动态自相关过程的动态因素。 建立动态潜变量与性能等级之间的离线模型， 有效提高在线评估当前过程性能以及判断其所处状态的准确度。 将该方法运用于乙烯裂解炉反应过程， 结果表明该方法具有良好的效果。

• 基于四阶累积分析的工业大肠杆菌制备过程故障诊断

  常鹏,乔俊飞,张祥宇,王普

  针对工业大肠杆菌制备过程具有的非线性和非高斯性共存的故障诊断难于有效对故障源进行定位的问题，提出基于多向核熵独立元分析(Multiway Kernel Entropy Independent Analysis-MKEICA)的过程监测方法。该方法首先将MKEICA方法作为工业实际生产过程监测模型；其次针对传统监控统计量T2、I2和SPE为低阶监控统计量的不足提出四阶累积监控统计量用于工业过程监测；再次针对四阶累积监控统计量推导其故障产生的原因；最后将其应用在实际的工业过程并与多向核独立元分析(Multiway Kernel Independent Component Anlaysis-MKICA)监测模型进行对比验证该方法的高效性，同时对故障变量进行追溯，验证该方法的实用性。

• 一种含噪声不确定多输入多输出非线性时变系统的最优跟踪控制

  张超,姜天华,孙启鸣

  如何在确保实时性能的前提下，将系统耦合、随机因素、时变特性和不确定非线性的影响一同最小化具有重要意义。为此，本文提出了一种基于自适应多维泰勒网(MTN)的优化控制方案，包括MTN控制器(MTNC)和MTN滤波器(MTNF)。首先，设计基于强化学习和自适应动量因子的改进梯度法来调节MTNC权值以快速响应被控对象的不确定性和时变特性，实现最优控制；证明闭环系统稳定性。而后，通过Lyapunov稳定性理论设计MTNF权值更新律，使动态误差指数收敛到零；恰当选择Lyapunov函数来构造具有全局最小值的能量空间并对MTNF的Lyapunov特性进行分析；证明MTNF误差的收敛速度和收敛区域，避免奇点问题。最后，仿真结果表明所提出的控制器和滤波器可在较短的时间内获得更高的精度。

• 基于粒子群算法–反向传播神经网络自适应的氧调器控制系统

  范俞超,孙青林,董方酉,陈增强

  氧气面罩中的核心部件是氧气调节器(氧调器).针对当前氧气调节器的大流量、低吸气阻力、快速响应的性能需求, 本文在分析了电子氧气调节器工作原理的基础上, 介绍了氧气调节器的数学模型, 采用了反向传播(BP)神经网络自适应控制算法, 并使用粒子群算法(PSO)对BP神经网络自适应控制算法的初值进行筛选. 最后, 对算法的性能进行了仿真. 仿真结果表明, 系统具有鲁棒性, 且与传统的比例-积分-微分(PID)控制方法和自抗扰控制(ADRC)方法相比, PSO-BP 神经网络自适应控制方法实现了更精确的吸气阻力调节, 更快的响应速度. 此外, 当呼吸频率变化或者外界干扰变化时, 相比于常规PID算法和ADRC算法则需要人工调整控制参数, PSO-BP神经网络自适应算法则可以自动在线学习训练并调整控制参数, 应用前景广阔.