控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第5期

• 模糊需求下时间依赖型车辆路径优化

  范厚明,李荡,孔靓,任晓雪

  针对客户需求模糊且有时间窗约束的时间依赖型车辆路径问题(TDVRP), 基于先预优化后重调度的思想构建模型. 在预优化阶段, 依据可信性理论构建模糊机会约束优化模型处理客户点模糊需求; 针对不同时间段道路的交通情况, 采用Ichoua速度时间依赖函数表征车辆的行驶速度, 并设计自适应大规模邻域搜索算法(ALNS)对其求解. 在重调度阶段, 应用随机模拟算法模拟客户点的真实需求, 采用点重调度策略对预优化方案进行调整. 通过改进的Solomon算例实验验证模型和算法的有效性. 研究成果可丰富TDVRP问题的相关研究, 为现实配送方案的优化决策提供理论依据.

• 带有输出约束条件的随机多智能体系统容错控制

  郑晓宏,董国伟,周琪,鲁仁全

  在有向通讯拓扑图下, 针对一类具有输出约束和执行器偏差增益故障的非严格反馈随机多智能体系统, 提出一种自适应神经网络容错控制设计方案. 采用神经网络逼近未知非线性函数, 构造障碍李雅普诺夫函数处理系统的输出约束问题, 以反步法和动态面技术为框架, 结合Nussbaum函数设计自适应神经网络容错控制方法. 基于李雅普诺夫稳定性理论, 证明所有跟随者输出与领导者输出达到一致, 闭环系统的所有信号依概率半全局一致最终有界且系统输出限制在给定紧集内. 论文最后通过仿真实验验证所给出控制方案的有效性.

• 事件触发下多智能体系统一致性的干扰主动控制

  刘远山,杨洪勇,刘凡,李玉玲,杨怡泽

  本文针对带有外部干扰影响的多智能体系统, 研究了基于事件触发机制下的多智能体系统Leader-Following一致性的控制问题. 采用干扰观测器来估计系统中存在的干扰, 并设计了基于事件触发机制的干扰主动控制方案. 运用现代控制理论和矩阵论等工具分析了多智能体协同运动算法得到了多智能体系统在分布式事件触发机制下的一致性收敛条件, 并且分析了本文设计的分布式事件触发机制的时间间隔存在正的下界. 最后通过计算机仿真, 验证了本文所提控制算法的有效性.

• 高炉料面形状双驱动模型研究

  张森,李酉,陈先中,尹怡欣

  高炉料面形状是指导高炉布料决策的重要依据. 本文在已开发的新型雷达检测手段的基础上将雷达检测数据和布料机理进行融合. 首先根据牛顿运动规律计算炉料颗粒从料流调节阀至料面的运动过程, 然后根据体积约束原则建立料面形状模型, 最后通过高斯过程回归模型将机理模型和摆动雷达测量得到的料面信息融合, 建立了基于雷达数据和机理模型双驱动的高炉料面形状模型. 仿真结果表明, 本文提出的数据融合的方法在结合雷达检测数据和机理模型的基础上能够更好的拟合出高炉料面形状, 可以为高炉稳定运行, 节能减排提供可靠指导.

• 高炉铁水质量均方根误差概率加权集成学习建模

  刘进进,周平,温亮

  高炉炼铁是一个物理化学反应复杂、多相多场耦合的大滞后、非线性动态密闭系统, 其关键质量指标―铁水温度、Si含量、P含量、S含量难以直接在线检测, 且离线化验过程滞后严重. 针对这一实际工程难题, 本文提出一种基于均方根误差概率加权集成学习建模算法, 用于高炉多元铁水质量的预测建模. 首先, 为了提高建模数据质量,对高炉原始数据进行时间粒度的统一、数据归一化等数据预处理操作; 为了提高建模效率和降低计算复杂度, 采用灰色关联分析法提取与多元铁水质量指标关联度最强的关键变量作为建模输入变量. 然后, 为了提高建模的精度,提出一种均方根误差概率加权集成随机权神经网络(RVFLNs)算法. 该算法采用具有快速建模速度的RVFLNs为子模型, 使用核密度估计方法估计出子模型的均方根误差概率密度函数曲线, 进而求出每个子模型的均方根误差概率并作为自身权重进行加权求和, 得到最终的均方根误差加权集成RVFLNs模型. 最后, 数值仿真验证和工业试验表明: 所提算法能够根据实时输入数据的变化对多元铁水质量进行快速准确的预测.

• 无人机吊挂空运系统的自适应控制设计

  韩晓薇,鲜斌,杨森

  针对四旋翼无人机吊挂空运系统存在的模型不确定性及欠驱动性问题, 本文提出了一种基于能量耦合的自适应控制设计. 首先, 基于能量整形控制方法构造了一种新型的能量存储函数以处理状态耦合. 然后利用神经网络对系统未建模动态特性进行在线估计, 同时设计参数自适应律在线估计模型中的未知参数, 并采用基于符号函数的鲁棒控制算法补偿神经网络的估计误差. 本文运用李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明, 并且证明了负载摆动和无人机位置误差的渐近收敛性. 最后, 在室内实验平台上进行了飞行实验. 实验结果表明, 本文提出的非线性控制方法能够在有效抑制吊挂负载摆动的同时, 实现无人机位置的精确控制.

• 二维直线电机的多入多出无模型自适应轮廓控制

  曾子强,曹荣敏,侯忠生,周惠兴

  针对传统的单入单出控制器无法解决二维直线电机存在的非线性, 不确定性以及强耦合作用等问题, 依据无模型自适应控制不依赖于被控系统精确数学模型, 仅需受控系统输入输出数据便能实现自适应控制这一特点, 采用多入多出的紧格式动态线性化无模型自适应控制算法对二维直线电机XY 轴进行整体控制器设计. 同时, 针对二维直线电机这种含有纯二阶积分环节的非自平衡系统, 提出了多入多出无模型自适应控制改良方法, 并进行严格的稳定性和收敛性证明. 为了提高二维直线电机的轮廓精度, 在多入多出无模型自适应控制改良方法的基础上, 加入交叉耦合控制器, 与传统的交叉耦合控制方法相比较, 提高了跟踪精度和轮廓精度. 最后通过仿真和实物实验证明了所提方案的有效性.

• 倾转旋翼机平均驻留时间切换鲁棒H∞跟踪控制

  杨洁,陈谋,熊师洵,熊英

  针对倾转旋翼飞行器模态转换阶段的飞行控制问题, 本文给出了倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统模型. 为了保证闭环系统在切换过程中稳定并同时满足指定的鲁棒H∞性能指标, 利用状态观测器对系统不可观测状态进行估计, 结合模型依赖平均驻留时间方法提出了一种倾转旋翼机切换鲁棒H∞ 跟踪控制方法, 通过求解线性矩阵不等式得到控制器增益, 并分析了系统的鲁棒稳定性. 仿真结果表明, 所提出的方法能够使飞行器系统准确跟踪指令, 且对于控制器切换具有鲁棒性.

• 欠驱动刚体航天器奇异避免的反步姿态控制

  夏德银,常海波

  为了完成欠驱动刚体航天器(UCRS)姿态系统的稳定控制, 使得UCRS全程稳定飞行, 本文提出了一种奇异避免的反步控制(SABSC)方法. 首先, 对于已知的UCRS系统的动力学模型和利用(w, z)参数表述的运动学模型, 本文通过构造合适的李雅普诺夫函数, 推导得到了两个驱动轴角速度理想的函数表达式, 确保了姿态系统参数的一致收敛; 其次, 在理想姿态角速度的基础上, 借助于重构期望的李雅普诺夫函数, 设计得到了奇异避免的反步控制器;最终, 为了检验本文提出的SABSC的性能, 进行了数值仿真实验, 实验结果表明本文提出的控制器具有较好的控制性能.

• 基于三步法的机械臂轨迹跟踪控制

  于树友,孟凌宇,许芳,曲婷,陈虹

  考虑机械臂末端轨迹跟踪控制问题, 以跟踪逆运动学求解出的末端期望轨迹对应的各关节期望角度为控制目标. 设计了一种基于三步法的控制器, 该控制器由类稳态控制、可变参考前馈控制和误差反馈控制3部分组成.证明了该控制器可以通过控制机械臂的各关节力矩实现各关节实际角度对期望角度的状态跟踪, 进而使得末端轨迹渐近跟踪期望轨迹, 并且跟踪误差是输入到状态稳定的. 仿真表明基于三步法控制器的空间机械臂末端可以渐近跟踪期望轨迹, 并且该算法可以克服系统的末端负载质量变化等不确定性的影响.

• 基于预测窗的轮式移动机器人最优避障避碰算法

  刘中常,王明杰,郭戈

  针对非线性轮式移动机器人的避障以及多机器人间的相互避碰问题, 提出了一种基于预测窗的避障避碰算法. 首先为了便于预测碰撞的发生, 通过反馈线性化将非线性的机器人运动学模型转化成线性模型; 然后根据线性模型预测会导致机器人发生碰撞的所有相对虚拟加速度变化量集合, 称之为加速度变化障碍. 基于此, 为每个机器人构造既能躲避障碍物又能相互避碰的可行加速度变化集合. 然后通过优化指标函数求得最优虚拟加速度变化量, 最后将其转换成机器人的实际控制量. 这种算法与现有的相比, 可使机器人在避障或避碰过程中的行驶方向角、线速度的变化幅值更小, 角速度和线加速度的变化更为平顺, 而且运行所用的平均时间更短. 仿真结果演示了所提出算法的有效性和相对于已有方法的优势.

• 复杂环境下群机器人自组织协同多目标围捕

  张红强,吴亮红,周游,章兢,周少武,刘朝华

  针对动态多目标围捕, 提出了一种复杂环境下协同自组织多目标围捕方法. 首先设计了多目标在复杂环境下的运动模型, 然后通过对生物群体围捕行为的研究, 构建了多目标简化虚拟受力模型. 基于此受力模型和提出的动态多目标自组织任务分配算法, 提出了群机器人协同自组织动态多目标围捕算法, 这两个算法只需多目标和个体两最近邻位置信息以及个体面向多目标中心方向的两最近邻任务信息, 计算简单高效, 易于实现. 接着获得了系统稳定时参数的设置范围. 由仿真可知, 所提的方法具有较好的灵活性、可扩展性和鲁棒性. 最后给出了所提方法相较于其它方法的优势.

• 多轴联动的风洞变角度机构同步协调控制

  田昊,张永双,卢翔宇

  为解决风洞尾撑变角度机构运动过程中多轴之间的同步协调控制问题, 本文提出了一种结合并行控制和交叉耦合控制的同步控制方法. 首先, 将并行控制应用于多轴联动控制中, 根据前后侧滑轴定位时间一致以及速度变化时间一致的原则, 开展了提高多轴同步性能的研究. 然后, 采用了基于同步误差传递函数的交叉耦合控制方法,对并行控制给定的运动参数进行修正补偿. 最后, 通过机构运动进行了实验验证, 实验结果表明该控制方法可有效减小横向同步误差, 提高同步性能, 满足风洞试验控制要求. 该方法也为类似机构的同步控制提供了参考.

• 复杂多约束条件下航班除冰延误机理及资源优化配置

  陈斌,焦琳青,杨亚磊,张洋,王立文

  针对机场除冰运行存在的除冰航班延误频发、除冰资源使用粗放的问题, 提出了考虑航班延误机理的除冰资源优化配置方法. 研究了多参数综合影响的除冰效率及航班动态随机环境下的除冰排队延误机理. 分析了除冰运行过程的复杂多约束条件, 构建了以最小化除冰液消耗、除冰车需求和除冰延误架次为目标的飞机除冰资源多目标优化配置模型. 利用自适应网格多目标粒子群算法求解模型并提出了基于多属性决策优化的除冰资源优化配置方法. 除冰资源优化配置后除冰液消耗量、除冰车需求量、除冰延误架次相较于优化前分别降低了13.9%,12.8%, 19.3%. 该方法为机场除冰运行资源优化提供了新思路.

• 基于新型人工蜂群算法的分布式不相关并行机调度

  刘美瑶,雷德明

  针对考虑预防性维修的分布式不相关并行机调度问题, 提出了一种新型人工蜂群算法(ABC)以最小化最大完成时间. 为了获得高质量的计算结果, 该算法将整个种群划分为1个引领蜂群和3个跟随蜂群, 跟随蜂有自己的蜜源且采用新方式跟随引领蜂, 4种蜂群运用彼此各异的搜索策略产生新解以增强种群多样性, 提出一种新策略处理侦查蜂的搜索, 并利用优化数据更新整个种群. 通过大量仿真实验验证了新型ABC在求解所研究问题方面的有效性和优势.

• 混合分布估计算法求解考虑同步性和准时性的三阶段装配集成调度问题

  邓超,胡蓉,钱斌

  本文研究以加工–运输–装配同步性和交货准时性的加权和为优化目标的三阶段装配集成调度问题(3sAISP SP), 并基于问题特点设计混合分布估计算法(HEDA)进行求解. 首先, 分别建立3sAISP SP的数学规划模型和排列模型. 其次, 在对问题模型特点分析的基础上, 设计合理的编码和解码规则, 同时利用HEDA中基于概率模型的全局搜索以发现问题解空间存在优质解的区域. 然后, 为进一步提高算法性能, 设计3种局部搜索策略对优质解区域进行细致搜索. 进而, 在小规模问题下, 将HEDA得到的较优解与优化求解器GUROBI得到的最优解进行比较, 验证HEDA的求解结果接近最优解; 在较大规模问题下, 将HEDA与其他有效智能优化算法进行比较, 验证HEDA的求解性能. 最后, 通过对优化目标中不同权重设置的实验分析, 给出加工–运输–装配同步性和交货准时性权重设置的合理范围, 并得到考虑装配同步性有利于降低中间库存的结论.

• 用于稀疏系统辨识的变步长加权零吸引最小平均p范数算法

  陈思佳,赵知劲

  在稳定分布噪声背景下, 为了提高稀疏系统自适应辨识算法的稳态性能, 提出了基于无噪先验误差功率函数的变步长加权零吸引最小平均p范数基本算法(BVSS??RZA??LMP)和变步长加权零吸引最小平均p范数改进算法(IVSS??RZA??LMP). 两种算法分别根据无噪先验误差功率和加权的无噪先验误差功率计算新的步长; 步长随无噪先验误差功率的减小而逐渐减小. 当算法达到稳态时, IVSS??RZA??LMP算法不再调整权矢量, 改进了BVSS??RZA??LMP算法稳态性能. 稳定分布噪声背景下的系统辨识仿真结果表明, 当系统较稀疏时, IVSS??RZA??LMP算法能够在较快收敛的情况下获得非常小的稳态误差.

• 局部近邻标准化偏最小二乘的多模态间歇过程故障检测

  李 元,马雨含,张成,冯立伟

  本文针对多模态间歇过程数据多中心和模态方差差异明显的问题, 提出了一种基于局部近邻标准化偏最小二乘方法. 首先, 采用统计模量方法处理间歇过程数据, 再利用局部近邻标准化方法将统计模量后的训练数据进行高斯化处理, 建立偏最小二乘监控模型, 确定控制限; 然后, 同样对统计模量后的测试数据进行局部近邻标准化处理, 再计算测试数据的高斯偏最小二乘监控指标, 进行过程监视及故障检测. 最后, 通过数值实例和青霉素发酵过程验证方法有效性. 实验结果表明所提方法解决了故障样本近邻集跨模态问题, 对多模态数据具有更好的故障检测能力.

• 高相对阶连续时间系统的间接迭代学习控制

  刘娇龙,李瑾,王龙,薛建平,刘彬

  本文提出了一类高相对阶线性连续时间系统的间接迭代学习控制算法, 该算法相对独立于系统局部控制器, 因此可以应用于已有局部反馈控制器的系统. 采用具有极点配置的H1鲁棒控制器作为系统的内环控制, 而在外环通过迭代学习控制调整内环系统的指令信号. 通过引入拉氏变化, 构建了迭代学习系统的2?D Roesser模型, 推导了系统渐近收敛条件, 并研究了存在有界初始条件偏移和迭代变化外部干扰时算法的鲁棒性能. 最后, 利用空中加油对接控制的算例进一步验证了算法的有效性.

• 传感器网络分布式事件触发多目标估计

  张玲玲,张亚

  本文主要研究无线传感器网络中目标数目已知且固定的一类分布式多目标跟踪问题, 提出了一种完全分布式的基于事件触发的测量和通信策略使得每个节点在不需要全局信息的情况下实现估计误差和能量消耗之间的平衡. 监测区域存在多个移动目标, 传感器能否测量到单个目标由事件触发测量机制和节点的测量半径来综合决定. 基于节点和邻居的信息采用k-means聚类算法来解决数据关联问题,同时提出了基于最小迹原则的一致性卡尔曼滤波算法. 从理论上证明了该事件触发策略不仅在性能指标上优于基于时间触发的算法, 而且在网络中如果存在节点对多目标协同可观, 系统估计误差在均方意义下是稳定的. 最后给出了仿真例子验证了该算法的有效性和可行性.

• 加性噪声下网络化多输入离散系统均方可镇定

  陈军勇,沈志萍,邬依林

  本文研究了静态信噪比约束下多输入离散系统均方可镇定问题, 其中信道资源固定且不可任意分配, 信道被建模为加性高斯白噪声. 主要目的是借用优化序理论讨论系统可镇定时各子信道的信道容量与系统拓扑熵的关系. 本文基本思想是从供需平衡角度讨论可镇定性. 具体地, 对于通信资源, 每个系统输入被视为需求方, 而信道被视为供应方. 信道的供应资源由其各自的均方容量刻画, 网络化系统均方可镇定要求通信资源供求平衡. 因信道资源不可配置, 人们可以通过调节需求方(一定的传输机制)来满足供给方要求. 给出了网络化系统均方可镇定时的一个充分条件和一个必要条件. 最后数值算例验证所得结论.

• 基于双边闭环Lyapunov泛函的采样控制系统稳定新判据

  曾红兵,翟正亮,王炜

  本文研究采样控制系统的稳定性问题. 通过对采样区间进行分割处理, 然后, 充分利用分割后的状态信息,构造了新的双边闭环型Lyapunov泛函. 在界定泛函导数的过程中, 通过引入新建立的系统状态方程并应用自由矩阵积分不等式方法, 获得了改进的采样控制系统稳定判据. 由于这样的处理方式可以捕捉到更多采样控制系统的状态信息, 因而可以有效地降低稳定性分析的保守性. 最后通过两个经典的数值例子对得到的稳定判据进行验证.实验结果表明, 相比现有的其他方法, 本文方法所得到的结论具有更小的保守性.

• 带宽化扰动观测复合滑模的闭链机构协调控制

  姚苏华,高国琴,高志强

  针对闭链机构关节协调控制问题, 在耦合空间中提出了一种带宽化扰动观测器复合等速趋近律的滑模控制方法. 扰动观测器保留扩张状态观测器的计算结构, 使用观测误差的比例、积分、微分(P, I, D)估计扰动; 它与滑模控制复合, 不但放宽了滑模切换增益的边界条件, 而且消除了抖振. 使用等速趋近律, 切换增益可根据执行器饱和限制条件计算获得, 其他控制参数结合带宽参数化法整定. 仿真和实验表明, 带宽化扰动观测器复合滑模控制,可以在系统限制允许的范围内有效解决闭链机构协调控制问题, 且具有参数物理意义明确, 易整定的优点.

• 输入饱和的非线性系统多模型二阶段自适应控制器设计

  吴伟,王昕,王振雷

  针对一类输入受限的非线性离散时间系统, 设计二阶段自适应控制器. 根据先验知识, 确定参数空间, 在q个未知参数组成的参数空间的边界处建立q+1个自适应模型, 将q+1个模型根据自适应系数组合为虚拟模型. 基于虚拟模型, 通过backstepping方法, 设计控制器, 采用高斯误差函数近似非对称饱和特性并给出了收敛性证明, 得到系统的信号为半全局一致最终有界. 最后进行数值仿真, 相比于传统自适应控制, 该模型能够更快地逼近真实参数,在执行器非对称饱和特性下能够加快系统的响应速度, 减小暂态误差, 最终的稳态误差收敛于一个较小的紧集, 并且对船舶航向控制系统进行了仿真, 取得了良好的控制效果.

• 考虑数据量化的改进无模型自适应迭代学习控制算法

  朱盼盼,卜旭辉,梁嘉琪,闫帅明

  针对一类存在数据量化的离散时间单输入单输出非线性系统, 提出一种带有编码解码量化机制的无模型自适应迭代学习控制(MFAILC)算法. 首先使用伪偏导数将受控非线性系统动态线性化, 进而考虑系统输出数据经由均匀量化器进行量化处理的过程, 并设计了一种编码解码量化机制, 最后基于这种编码解码量化机制提出了一种改进的MFAILC算法. 理论上给出了算法的收敛性分析, 结果表明, 当系统存在数据量化时, 所提出的算法仍可保证系统收敛. 与已有算法相比, 所提算法仅利用较少的输入输出数据, 就可以实现跟踪误差的零收敛. 仿真进一步验证了算法的有效性.