控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第4期

• 关于新型冠状病毒肺炎一类基于CCDC统计数据的 随机时滞动力学模型

  邵年,陈瑜,程晋,陈文斌

  科学地预测新型冠状病毒肺炎疫情发展趋势对疫情防控至关重要. 本文对中国疾病预防控制中心(CCDC)发布的\cite{cdc}的数据进行了分析 , 给出了关于 新型冠状病毒肺炎的一些可能的统计模型：传播链中连续病例的发病时间间隔分布、 感染至发病的时间间隔分布和发病至住院的间隔时间三个分布, 并形成了感染至确诊的时间间隔分布表达. 结合CCDC统计数据和程晋团队的时滞动力学模型(TDD-NCP模型), 我们发展了新的随机时滞动力学模型(Fudan-CCDC模型), 并给出了参数反演结果与疫情分析.

• 基于Hammerstein-Wiener逆模型补偿的预测控制 非线性变换策略

  孙浩杰,邹涛,张鑫,惠存万

  针对一类Hammerstein-Wiener模型描述的非线性控制系统，提出一种基于逆模型补偿的预测控制策略。在控制优化计算中，利用Wiener非线性环节的逆模型分别对系统输出设定值和采样值进行变换；在控制实施过程中，将控制器输出操作量经过Hammerstein静态非线性环节模型逆变换后施加到实际被控对象上，通过两次逆变换，使得标称模型下控制器输出与闭环系统中线性环节的输入相一致。通过非线性变换补偿将非线性过程的控制转化为线性系统控制，避免了对非线性模型进行优化计算量大及预测不准确的问题。最后通过仿真验证了所提方案的可行性及有效性。

• 航空发动机的健康指标构建与剩余寿命预测

  彭开香,皮彦婷,焦瑞华,唐鹏

  预测与健康管理技术能够有效的评估系统健康状态、预测系统剩余使用寿命, 是提高复杂系统安全性、经济性的重要保障. 为全面评估系统健康状态, 本文提出了一种基于深度置信网络(DBN)的无监督健康指标构建方法, 并结合隐马尔可夫模型(HMM)进行系统剩余寿命预测. 首先, 通过无监督训练深度置信网络实现历史数据的特征提取, 进而构建健康指标; 其次, 利用健康指标集训练隐马尔可夫模型, 实现设备健康状态的自动识别; 最后, 通过DBN-HMM混合模型来计算系统剩余寿命. 采用商用模块化航空推进系统仿真软件(C-MAPSS) 给出的航空发动机数据集, 验证了上述方法的有效性.

• 基于气泡稳定性分析的锌浮选泡沫图像时空联合去噪

  肖文辉,唐朝晖,刘金平,谢永芳

  浮选泡沫运动过程中不可避免地出现形变、坍塌、兼并、破裂等动态变化特性，常用的去噪方法难以获得高质量的监测图像，提出一种基于气泡稳定性分析的泡沫图像时空联合去噪方法。该方法采用扩展的相位相关法对浮选气泡进行亚像素运动估计，通过双线性插值进行运动补偿；在此基础上，以泡沫图像子块为单位检测气泡的稳定性，准确辨识出泡沫图像子块的稳定运动状态（Stable motion state, SMS）和非稳定运动状态(Unstable motion state, UMS)；对具有SMS特性的子块采用时域滤波去噪，对具有UMS特性的子块采用非局部均值（Nonlocal means，NLM）方法进行空域滤波去噪；并根据气泡子块的相关系数，联合时域滤波结果和空域滤波结果获得泡沫图像的时空联合去噪输出。在锌浮选过程监控中进行实验验证，结果表明，该方法可以获得高信噪比的泡沫图像，去噪结果结构相似性强，为泡沫视觉特征的准确提取奠定了基础。

• 基于深度编码–解码器的图像模糊核估计

  余孝源,谢巍

  在图像去模糊问题中，显著边缘结构对图像的模糊核估计具有重要的作用。本文提出一种基于深度编码-解码器的图像模糊核估计算法。首先，通过构建训练数据集对深度编码-解码器进行训练，进而自适应地获得模糊图像的显著边缘结构；接着，结合显著边缘结构和模糊图像，利用$L_2$范数正则化对模糊核进行估计；最后，利用超-拉普拉斯先验和所估计的模糊核对清晰图像进行估计。与传统的方法相比，所提出的方法不需要多尺度迭代框架。实验结果表明，所提出的算法在获得较好的显著边缘结构以及清晰图像的同时，能够减少算法计算的时间

• 基于非线性状态依赖Riccati方程的直线倒立摆一致性控制

  王志晟,张雪敏,梅生伟

  直线倒立摆作为一种典型的非线性系统，是一种经典的控制理论研究对象。本文将状态依赖的Riccati方程（SDRE）方法与极点配置方法结合，进行倒立摆非线性控制的研究。该方法与SDRE相比，不再需要实时计算Riccati方程，同时克服了线性最优控制（LQR），线性鲁棒（H∞）控制等控制域不足的问题，可实现几乎任意初始摆角的稳定控制，而且在稳定点附近保持与某期望的线性控制方法完全相同。实验表明了该控制方法的有效性和对扰动的鲁棒性。最后讨论了SDRE进行一致性起摆控制的硬件可行性，以及系统对于传感器零点漂移的鲁棒性。

• 基于干扰观测器的一类不确定仿射非线性系统有限时间收敛backstepping控制

  张强,许慧,许德智,王晨光

  针对一类不确定仿射非线性系统的跟踪控制问题, 提出一种基于干扰观测器的有限时间收敛backstepping 控制方法. 为增强小脑模型(cerebellar model articulation controller，CMAC)泛化和学习能力, 将非对称高斯函数和模糊理论相结合, 给出非对称模糊CMAC结构, 设计干扰观测器实现系统未知复合干扰在线准确逼近; 基于非对称模糊CMAC干扰观测器, 给出有限时间收敛backstepping 控制器设计步骤, 利用Lyapunov 稳定理论证明闭环系统稳定性, 其中采用非线性微分器获取虚拟控制量滤波和微分信息以避免backstepping 设计中的微分“膨胀问题”, 设计辅助系统修正因微分器带来的误差对系统跟踪性能影响, 引入基于障碍型函数的自适应滑模鲁棒项抑制复合干扰估计偏差对跟踪误差的影响; 将所提方法应用于无人机飞行控制仿真实验, 结果表明所提方法有效性.

• DoS攻击下基于切换Luenberger观测器的冗余控制

  赖绍禹,陈博,俞立

  本文研究了DoS 攻击下网络化控制系统的观测器与控制器的联合设计问题. 首先, 提出了一种具有多个增 益的切换Luenberger 观测器设计方法, 实现了DoS 攻击下系统状态的间歇性估计. 通过观测器给出的在没有DoS 攻 击时的状态估计, 控制器计算了系统当前以及未来一段时域内的控制信号, 并将其封装在一个数据包中同时发送给 执行器, 从而保证了系统在有无DoS 攻击的情形下都有合适的控制输入. 通过引入一个同时包含观测器与控制器 状态的增广变量, 利用切换系统对不同连续时间DoS 攻击下观测器与控制器的动态特性进行了统一的建模, 并基于 多Lyapunov 函数方法推导了任意切换律下保证系统指数稳定的充分条件, 同时给出了观测器与控制器的联合设计 方法. 最后, 通过网络化控制的倒立摆系统的实验验证了所提方法的有效性.

• 动态迟滞Hammerstein系统的改进卡尔曼状态估计

  李海芬,谭永红,董瑞丽,程冉冉

  迟滞特性具有非光滑、多值映射等复杂特性.而在实际的工程中,当输入电压变化频率超过一定的范围时,迟滞的特性是随着输入频率的改变发生变化,使得整个系统的状态估计工作更复杂. 本文首先提出一种新的描述动态迟滞的方法,进而描述了动态迟滞Hammerstein系统的状态空间方程, 根据此系统在传统卡尔曼滤波器的基础上进行改进得到一种新的非光滑卡尔曼滤波器. 最后通过仿真和实验, 比较了在输入信号变化频率比较大时,用动态迟滞Hammerstein 系统来描述压电陶瓷和采用静态迟滞Hammerstein系统来描述压电陶瓷的特性,非光滑卡尔曼滤波器对这两种含有噪声的模型进行滤波,结果表明由于静态迟滞Hammerstein系统的建模不能很好的描述压电陶瓷的特性,模型存在着误差,因此对系统状态估计的结果也没有用动态Hammerstein系统的误差小,从而说明当输入电压频率变化比较大时研究动态的迟滞Hammerstein模型是很有意义的.

• 无人机认知防碰撞系统安全边界研究

  许卓凡,魏瑞轩,周凯,张启瑞

  无人机认知防碰撞控制是借鉴人类认知智能，建立复杂动态环境无人机防碰撞控制的新思路，其认知决策的安全边界是系统设计的重要问题。本文整体考虑环境威胁与无人机的相互作用关系，建立了“认知无人机-环境系统”模型。进而定义了系统的防碰撞稳定性，并导出了认知无人机-环境系统的防碰撞稳定条件。在此基础上，通过分析防碰撞稳定的安全特征量，解算出面向动态正向碰撞的无人机认知防碰撞系统的安全边界。仿真实验分析了“云雀”无人机的安全边界特性和防碰撞控制要求，并与其他方法进行了对比。

• 倾转式三旋翼无人机的自适应鲁棒容错控制

  王栋,鲜斌

  本文针对受到外界未知扰动和模型不确定性影响的倾转式三旋翼无人机, 研究了其在尾部舵机发生堵塞故障时的容错控制问题.通过对倾转式三旋翼无人机姿态动力学特性的分析, 将尾部舵机堵塞故障加入到力矩解算方程中. 基于自适应反步法和非奇异终端滑模控制, 提出了一种不需要故障诊断的鲁棒容错控制设计. 利用基于Lyapunov 的分析方法证明了闭环系统的稳定性, 以及姿态误差的渐近收敛性质. 通过在三旋翼无人机半实物仿真平台的实时实验以及与滑模控制器的对比, 验证了该算法在无人机尾部舵机发生堵塞故障时, 对姿态运动具有较好的控制效果.

• 基于鲁棒容积卡尔曼滤波的自适应目标跟踪算法

  彭美康,郭蕴华,汪敬东,牟军敏,胡义

  观测野值将大大降低滤波算法的估计精度.为了解决这个问题，提出了一种基于鲁棒M估计的自适应CKF算法.借鉴Huber等价权函数的思想，构造了基于平方根平滑逼近函数的修正因子以抑制观测野值的影响，并结合Cubature卡尔曼滤波器求解框架推导出该算法.理论分析证明该算法具有较好的数值稳定性.仿真实验表明，该算法能够自适应地减少异常值的不利影响，并且与现有算法相比具有更优的滤波性能且不会大幅增加计算成本.

• 陀螺仪系统同步控制的参数自适应滑模控制

  杜肖丰,曾喆昭,程婷,程启芝,王风琴

  针对陀螺仪混沌同步问题, 提出了一种参数自适应滑模控制方法,并给出参数自适应律. 参数自适应滑模控制完全避免了滑模面因符号函数引起的高频切换,有效消除了现有滑模控制存在的高频抖振现象. 该方法计算量小且不依赖被控混沌系统的数学模型,可以快速跟踪主混沌系统. 时域及复频域理论分析和仿真实验均表明了参数自适应滑模控制方法具有全局渐近稳定性能. 研究结果表明,本文提出的控制方法不仅具有快的响应速度、高的控制精度、良好的抗扰动鲁棒性等特点, 在控制工程领域具有重要的理论意义和应用价值.

• 柔性自激异步发电系统反演自适应滑模控制

  谷志锋,孙晓云,朱长青,刘文康,葛孟超,单锁兰

  为抑制宽转速范围条件下柔性自激异步发电系统(FS-CAGS)电压定向谐波干扰,提高FS-CAGS鲁棒稳定控制能力,实现功率快速跟踪控制,采用EKF电压定向与反演自适应滑模控制相结合的方法,提出一种EKF电压定向反演自适应滑模直接功率控制新方法。军用底盘集成式直流微电网中FS-CAGS控制仿真实验结果表明,在负载冲击扰动和宽转速突变条件下,相对于传统直接电压定向精确反馈线性化鲁棒控制方法,新控制方法可加快直流输出电压稳定速度,减小电压超调,提高功率跟踪速度,FS-CAGS电流谐波抑制和鲁棒稳定能力得到加强。

• 具有预设性能的切换系统输出反馈自适应动态面控制

  师路欢,张天平,夏晓南

  本文针对一类具有未建模动态和预设性能的输出反馈非线性切换系统, 提出基于公共~Lyapunov~函数法的自适应输出反馈动态面控制方案.通过设计 K 滤波器和观测器估计不可测量的状态. 引入动态信号处理动态不确定性. 利用 Nussbaum 函数解决增益符号未知的问题.神经网络用于逼近由设计过程和理论分析所产生的未知连续函数. 引入性能函数和误差转换器将预设性能控制问题转换为稳定性问题.通过适当选取切换子系统的初值, 并利用动态面控制系统证明的特点, 证明了闭环切换系统所有信号半全局一致终结有界. 仿真例子验证了所提方案的有效性.

• 一类非线性多变量系统的多模型自适应控制

  黄帅,王昕,王振雷

  针对一类不确定的非线性多变量离散时间动态系统,提出了一种基于切换的多模型自适应控制方法。该控制方法的特点在于以下两个方面：首先,引入一个高阶差分算子使得非线性系统的非线性项的限制条件不再要求全局有界；其次,提出的控制方法由线性自适应控制器、神经网络非线性自适应控制器以及切换机构组成：线性控制器用来保证闭环系统的输入输出信号有界,神经网络非线性控制器用来改善闭环系统的性能,基于性能指标的切换机构在每一时刻选择性能指标较好的控制器对系统进行控制。理论分析和仿真实验说明了提出的多模型自适应控制方法的有效性。

• 基于自适应迭代学习算法的一类非线性系统故障检测与估计

  陈政权,韩路,侯彦东

  针对迭代学习算法在非线性系统故障检测与估计过程中存在估计误差较大和收敛速度较慢等不足的问题,提出了一种基于龙格-库塔故障估计观测器模型的自适应迭代学习算法,有效降低了故障估计误差; 并引入H∞性能指标, 提高了故障估计观测器的收敛速度.该算法首先设计故障检测观测器对故障进行检测,然后设计故障估计观测器,并将自适应算法与迭代学习策略相结合, 使得估计故障逐渐逼近真实故障,从而实现对非线性系统中多种常见故障的精确检测与估计.最后,通过机械臂旋转关节驱动电机的执行器故障仿真验证了所提算法的有效性.

• 基于分块核主成分分析和支持向量机的故障检测

  李锦冰,韩冰,冯守渤,张佳冬,李宇,钟凯,韩敏

  针对工业系统监测数据为非线性, 且难以辨识复杂工作过程中故障位置的问题, 提出一种基于分块核主成分分析(BKPCA) 和最小二乘支持向量机(LS-SVM) 的集成故障检测方法. 首先对系统监测变量进行分块, 使用KPCA 对每个分块在特征空间中建立T2 和平方预测误差(SPE) 统计量来实时监测系统健康状态, 并使用LS-SVM 对上述过程检测出来的故障数据进行再次判断. 随后计算出现故障后计算每一分块的故障贡献率, 进而确定发生故障的分块. 由于采用了并行分块算法, 可以较简单的确定故障发生位置, 提高的计算效率, 同时LS-SVM 方法的应用也可以提升故障检测的精度. 使用田纳西-伊斯曼化工(TE) 过程数据对本文所提方法进行仿真验证, 试验结果表明所提方法取得了较好效果.

• 基于增量式最大方差展开的水下控制系统故障诊断

  贾创,左信,高小永

  对于复杂工业系统的故障诊断，由于非线性的存在，使得利用核函数的多元统计方法存在因核函数选择不同导致诊断结果不同的问题。本文采用最大方差展开的方法，作为一种流行学习方法，该方法在处理非线性数据时通过学习确定核矩阵，因而无需人为选择核函数。针对该方法难以对新增数据进行处理，本文提出了最大方差展开的增量式改进方法，利用正常样本进行学习建模，对检测样本通过增量的方式降维构造出低维空间，在该空间中构造监控统计量来完成故障的检测。最后，本文将该方法应用在水下控制系统的故障诊断中，通过仿真分析验证了该方法应用的有效性。

• 欺骗攻击环境下具有执行器故障的跳变耦合 信息物理系统的同步控制

  王士贤,李军毅,张斌

  针对一类离散Markov跳变耦合信息物理系统(Cyber Physical System, CPS)的同步控制问题, 在考虑系统参数跳变、耦合参数跳变、控制信息不完全和人为攻击的情况下, 设计同步控制器实现CPS的同步. 首先, 给出具有随机欺骗攻击和执行器故障的Markov 跳变耦合CPS模型. 其次, 基于矩阵Kronecker积, 得到同步误差系统, 将CPS的同步控制问题转化为同步误差系统的稳定性分析问题. 再次, 通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函, 并利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法得到使同步误差系统稳定的充分条件, 在此基础上, 设计同步控制器实现对Markov跳变耦合CPS的同步控制. 最后, 通过数值仿真例子说明该同步控制器设计方法的有效性.

• 基于介电弹性体驱动器的软体机器人建模与跟踪控制

  王亚午,叶雯珺,张一龙,赖旭芝,吴敏,苏春翌

  针对基于介电弹性体驱动器的软体机器人的跟踪控制问题, 本文提出一种自适应鲁棒控制策略. 根据虚功原理建立介电弹性体驱动器的动力学模型, 模型中弹性势能部分采用Gent模型进行描述. 考虑到介电弹性体驱动器的精确模型参数难以获取, 使用基于径向基神经网络的逼近器对模型中的未知项进行估计. 同时, 考虑到介电弹性体驱动器形变量的变化率难以被测量, 设计状态观测器对系统未知状态量进行观测. 根据逼近器的估计结果和状态观测器的观测结果, 设计滑模控制器实现介电弹性体驱动器的跟踪控制目标. 最后, 通过数值仿真实验验证所提控制策略的有效性.

• 无线网络化控制系统的功率感知事件触发策略及其闭环稳定性

  赵云波,袁征,朱创

  本文研究了能量受限无线网络化控制系统的设计和分析问题. 首先建立了无线网络化控制系统中通信传 输时的数据误码率和丢包率间的定量关系, 从而在通信功率与系统性能之间建立了联系. 进而设计了基于事件触发 策略和功率优化机制的智能控制器, 该方法充分考虑了网络节能与控制系统性能表现两方面的要求, 通过添加事件 触发机制减少了系统的通信次数, 并在此基础上以优化算法优化单次发送功率. 随后, 在随机稳定框架下给出了相 应闭环系统稳定的充分性条件, 在理论上证明了在该充分条件下, 本文的设计能够在降低通信能耗的同时令系统维 持预期的性能表现. 最后数值例子证明了所提出方法的有效性.

• 基于节点状态一致的路网边界控制

  王力,李敏,何忠贺,张玲玉,李正熙

  针对路网车流分布不均衡的问题, 本文提出基于一致性思想的路网边界流量控制策略. 首先, 基于车辆守恒宏观模型, 描述了区域边界车流的动态演化; 以区域内路段占有率一致作为控制目标, 边界交叉口配时参数为控制输入, 进行区域边界反馈控制设计, 并推导出边界车流输入与内部路段放行比例的解析关系; 最后, 通过路网实测数据验证了边界控制策略的适用性. 结果表明: 边界控制策略不仅能够有效改善路网交通流分布不均衡的状况, 还能够有效降低路网的平均延误、排队长度等指标, 提高路网运行效率.

• 应用模型预测控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制

  林歆悠,苏炼,郑清香

  利用传统协调控制策略或模型预测控制（MPC）方法能够解决离合器模式切换的平顺性，但其改善效果不显著，且缺乏深入的细化研究。因此，为了改进混合动力汽车有离合器结合的模式切换过程中的平顺性，本文基于MPC制定有离合器模式切换过程的动态协调控制策略。在对混合动力系统有离合器模式切换模型进行简化的基础上，开展MPC在模式切换动态协调控制过程的原理描述，以减小有离合器模式间切换的冲击度进行基于MPC动态协调控制策略设计，并对不同权重下的冲击度进行了详细的对比。通过实验验证，其结果表明采用MPC的模式切换协调控制最大冲击度从26.3 下降至9.26 ，降低了64.8%，明显的抑制了模式切换过程中的冲击度，有效的改善了模式切换的平顺性。

• 考虑市场因素的电力系统供需互动混合博弈强化学习算法

  包涛,李昊飞,余涛,张孝顺

  为对电力市场环境下电力系统供需互动问题更精确地建模，使其更好地与未来电力市场环境下需求侧负荷聚合商之间多变的关系和复杂的通信拓扑结构相匹配，本文将电力系统供需互动的Stackelberg博弈与复杂网络上反映需求侧负荷聚合商互动的演化博弈相结合，搭建考虑市场因素的电力系统供需互动混合博弈模型。并提出混合博弈强化学习算法求解该非凸不连续模型，该算法以Q学习为载体，通过引入博弈论和图论的思想，把分块协同和演化博弈的方法相结合，充分地利用博弈者之间互动博弈关系所形成的知识矩阵信息，高质量地求解考虑复杂网络的多智能体系统的非凸优化问题。基于复杂网络理论搭建的四类3机-6负荷系统和南方某一线城市电网的仿真结果表明：混合博弈强化学习算法的寻优性能比大多数集中式的智能算法都好，且在不同网络下均可以保证较好的寻优结果，具有很强的适应性和稳定性。

• 基于互补滑模控制和迭代学习控制的永磁直线同步电动机速度控制

  金鸿雁,赵希梅

  为满足永磁直线同步电动机（PMLSM）伺服系统高速度高精度的要求，抑制不确定性对系统性能的影响，提出一种互补滑模控制（CSMC）和迭代学习控制（ILC）相结合的控制方法。该方法结合了CSMC强鲁棒性的优点和ILC跟踪精度高的特点，以CSMC中积分滑模面为基础设计新型学习律，既可利用ILC对系统未建模动态进行估计，抑制端部效应、齿槽效应和摩擦力等周期不确定性的影响，又可利用CSMC减小参数变化和外部扰动等非周期不确定性对系统的影响，从而提高控制器的收敛速度和收敛精度，保证系统具有较强的速度跟踪性能。实验结果表明，该方法有效地提高了系统的动态响应能力，改善了速度跟踪精度。

• 宏微复合运动平台的自抗扰控制研究

  何耀滨,杨志军,孙晗,彭皓

  摩擦是影响机械导轨运动平台精度的主要原因. 宏微复合运动平台将无摩擦的柔性铰链与直线平台结合在一起, 利用柔性铰链的弹性变形补偿摩擦死区. 然而, 柔性铰链的固有频率低, 其非线性弹性振动严重影响微平台定位精度. 为此, 本文设计视弹性振动为扰动的自抗扰控制策略, 该方法避免了建立非线性弹性振动精准数学模型的困难, 利用扩张状态观测器主动估计弹性振动及不确定性, 并在微平台位置环补偿之, 以保证微平台定位精度. 与此同时, 在控制律中加入加速度前馈以提高系统响应速度. 对于宏平台, 采用PID控制作为宏平台位置环的控制策略并通过宏微双级驱动方式补偿受机械导轨非线性摩擦带来的影响. 实验对比结果表明, 自抗扰控制在受非线性弹性振动影响时, 其抗扰性能、跟踪性能优于传统的PID控制, 可保证微平台良好的定位精度.

• 双质量弹簧基准问题自抗扰控制研究

  李健,张彬文,谭文

  本文研究了自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)方法在双质量弹簧基准问题的应用. 传统的自抗扰控制方法倾向于使用高增益控制来抑制扰动和模型不确定性, 但是对于双质量弹簧基准问题, 高增益在评分中受到较大惩罚, 而且对于模型参数变化没有足够的鲁棒性. 为解决这一问题, 本文对ADRC设计提出了两种改进方案. 首先, 为了减小控制信号的幅度, 将扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的一个极点配置在原点. 其次, 采用阻尼比来调整带宽. 结果表明, 所提出的ADRC设计可以很好地解决双质量弹簧基准系统的控制问题.