控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第7期

• 基于增量式策略强化学习算法的飞行控制系统的容错跟踪控制

  任坚,刘剑慰,杨蒲

  针对发生故障的飞行控制系统, 在强化学习算法的基础上, 提出了一种基于增量式策略的强化学习容错方法. 本方法利用传感器获取的系统状态值, 根据系统预先设定的奖励函数对当前控制系统状况做出最优的决策并不断更新价值网络, 将系统的容错控制过程转换为强化学习Agent的贯序决策过程, 并使用一种改进型的增量式策略实现对当前故障的正确补偿策略的逐渐逼近. 同时, 针对连续控制系统, 提出一种状态转移预测网络来得到下一步状态值. 最后, 通过南京航空航天大学“先进飞行器导航、控制与健康管理”工信部重点实验室的飞行器故障诊断实验平台验证了该方法的有效性.

• 考虑测量不确定和输入饱和的充液航天器自适应鲁棒控制

  王宏伟,吕书锋,宋晓娟

  本文研究了三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在测量不确定, 外部未知干扰, 参数不确定和控制输入饱和的鲁棒自适应姿态机动控制问题. 建模过程中, 将晃动液体燃料等效为粘性球摆模型, 采用动量矩守恒定律推导出充液航天器的耦合动力学方程. 提出了一种将反步控制方法结合非线性干扰观测器和指令滤波器的鲁棒饱和输出反馈复合控制策略, 该控制策略不仅能继承反步控制方法的优点, 而且通过引入非线性干扰观测器实现对未知外部干扰, 参数不确定以及测量不确定的补偿, 还能利用指令滤波器处理控制力矩输入饱和的不利影响. 基于Lyapunov稳定性分析方法证明了系统状态变量的渐进稳定性. 仿真结果验证了提出控制方法的有效性和鲁棒性.

• 期望时间下的移动机器人目标搜索路径规划

  汪琴,张波涛,宋士吉

  不确定环境下移动机器人目标搜索问题中, 目标在观测点被发现的概率常被设为理想的均匀分布, 其路径优化指标通常为最短距离, 但最短距离路径不等同于最优期望时间路径. 针对此问题, 本文提出了一种以期望时间为优化指标的概率多目标搜索算法. 针对观测点的访问顺序不同会导致期望时间不同的现象, 采用分层式路径优化策略. 首先, 构造一个新的非均匀目标分布概率测算模型; 然后, 在上层序列规划中, 采用改进的改良圈算法生成期望观测点序列; 最后, 在下层特征地图的观测点间可行路径规划中, 采用改进的快速随机生成树算法(GBC–RRT).实验结果表明: 本文所提方法可显著缩短移动机器人目标搜索的期望时间, 且能在目标不确定、非均匀分布的工作空间中得到最优期望时间的搜索路径.

• 非完整轮式机器人的鲁棒同步编队跟踪及镇定控制

  周竞烨,李家旺,邸青,方凯,姚佳琪,黄汉涛

  本文研究了受到建模不确定性影响和输入限制的非完整轮式机器人的同步编队跟踪和编队镇定问题. 首先, 基于领航–跟随策略, 确定了编队构型的数学表达形式. 其次, 通过定义含有辅助控制量的跟踪误差, 设计了一种具有统一结构的分布式运动学控制器, 可使跟随者实现对复杂期望轨迹的跟踪, 包括时变轨迹和固定点等. 然后,针对建模不确定性影响和输入限制, 基于反步法、模糊控制方法和Lyapunov控制理论, 设计了一种饱和动力学控制器, 使得系统的闭环跟踪误差全局收敛至零点附近有界领域内. 最后, 通过对比仿真实验, 验证了本文控制方法的有效性.

• 基于分层词袋模型的室外环境增量式场景发现

  陈昊天,张彪,孙凤池,黄亚楼,苑晶

  场景理解是机器人在多样化环境中自主执行任务的前提, 而场景发现是场景理解的一个重要内容. 由于具体场景在空间和时间上存在连续性, 可以假定移动机器人在某一段时间内处于同一场景, 并且属于同一场景的图像序列的视觉观感是相似的, 因此提出无需先验知识的增量式室外场景发现, 通过分层词袋模型建立图像和场景的联系, 使得场景发现过程更加类似人类认知模式. 对于机器人实时获取的每一副图像, 首先将其分块, 然后利用动态聚类算法增量式地得到相应的低层词典, 并据此词典提取高层词袋模型特征, 接下来, 再用另一动态聚类算法增量式地完成场景发现, 从而判断当前图像属于一个已经历场景, 或未经历场景, 直到发现新场景. 实验结果证明, 该方法能够在没有先验知识的情况下有效完成自主场景发现.

• 一类时变时滞车辆跟驰模型的稳定性控制

  杜文举,李引珍,张建刚,俞建宁

  为了研究交通拥堵问题, 同时了解交通拥挤形成的过程以及驾驶员自身特性对交通流稳定性的影响. 本文基于复杂网络同步理论, 对一类考虑前后车效应的时变时滞最优速度车辆跟驰模型的稳定性进行了研究. 利用Lyapunov稳定性理论, 通过设计基于速度和车头间距的自适应控制器使得该车辆跟驰模型趋于稳定, 并得到了模型稳定性的条件. 此外, 在车辆受到随机外部扰动的情形下, 研究了该模型的稳定性. 最后, 采用MATLAB仿真技术进行了数值模拟, 结果表明在本文设计的控制器下, 考虑前后车效应的时变时滞最优速度车辆跟驰模型快速趋于稳定, 拥堵现象得到了有效的缓解.

• 主奇异子空间跟踪算法与性能分析

  杜柏阳,孔祥玉,冯晓伟

  主奇异子空间分析是一种自适应的神经网络信号处理技术, 广泛应用于现代信号处理中. 本文提出一种新的主奇异子空间跟踪信息准则, 并以此为基础推导出一种在线的梯度流神经网络算法. 理论分析表明, 信息准则具有唯一的全局最小值, 且最小值对应的状态矩阵能够恰好张成输入信号的主奇异子空间. 该算法具有良好的收敛能力, 强大的自稳定性能, 且当输入信号呈现出奇异互相关特性时, 仍呈现出良好的跟踪效果. 分别采用李雅普诺夫函数方法和常微分方程方法分析算法的收敛性能和自稳定性. MATLAB仿真算例验证了算法的性能.

• 一种极坐标下基于高斯过程的扩展目标跟踪方法

  郭云飞,任昕

  对于使用雷达系统的扩展目标跟踪, 通常将原始测量值从极坐标转换为笛卡尔坐标, 然后馈入估计器. 但其转换测量期望值在目标真实方位上存在偏差. 另外, 测量误差协方差的计算取决于实践中不可用的真实状态. 针对这一不足, 本文提出了一种在概率数据关联框架下基于高斯过程的扩展目标跟踪方法. 该方法首先, 直接在极坐标中对测量函数进行建模, 并求解出测量噪声协方差; 其次, 建立扩展目标的联合跟踪门对测量进行筛选, 并获得测量新息; 最后, 计算关联事件概率并估计扩展目标的状态. 仿真结果表明了该方法的有效性.

• 人工心脏提高主动脉瓣性能和血管搏动性的反馈控制

  王珺玮,蒋皓月,王宇

  本文针对一种旋转式血泵的人工心脏在临床上应用于心衰患者时因恒定泵速导致主动脉瓣永久闭合的现象, 以及血管搏动性明显降低的缺点, 设计了一种新颖的反馈控制方法, 用于提高主动脉瓣性能和血管搏动性. 该方法设定主动脉与左心室压力差(ΔP)的高低参考值(ΔPH/ΔPL), 采用增益调度PI控制器, 使ΔP实际值逼近一个参考值后立即向另一个参考值逼近. 仿真结果表明, 此方法可以有效地提高血管搏动性、保证心输出量, 并使得主动脉瓣间歇性开启的同时不引起抽吸和返流现象. 本文设计的控制系统可为旋转式血泵的设计和优化提供理论依据和技术支持.

• 比例阀控电液系统抗扰换向滞后补偿反步控制

  刘胜斐,孙青林,陈增强,丁祉峰

  针对比例阀存在换向滞后, 电液系统受到的外部干扰, 液压油弹性模量随渗入的空气变化、未建模动态, 这些因素增加了设计电液位置控制器的难度, 本文使用线性扩张状态观测器(LESO)对比例阀控电液系统的内部扰动、外部扰动、未建模动态进行估计, 将虚拟控制量的非线性函数纳入抗扰反步控制器设计, 实现比例阀控电液系统换向滞后补偿. 分析了闭环系统的稳定性, 证明当扰动导数有界时, 观测误差和跟踪误差都有界, 调整控制器增益与非线性项参数可使跟踪误差收敛到原点附近, 仿真和实验表明, 本文设计的控制器能显著缩短比例阀换向滞后、提高电液位置控制系统的跟踪速度、精度与抗扰能力.

• 磁悬浮控制敏感陀螺转子偏转通道稳定控制方法

  夏长峰,蔡远文,任元,贾蕊溪,李楠

  为克服强陀螺效应对高速磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转通道稳定性的影响, 提出一种基于分散PID结合滤波交叉反馈的数字控制方案. 根据洛伦兹力磁轴承支承的转子偏转系统结构特点, 建立了MSCSG转子偏转动力学模型; 利用所建立模型分析了两径向偏转自由度间的耦合特性, 并提出在PID控制器的基础上, 引入滤波交叉反馈来抑制径向偏转通道中的陀螺效应; 搭建了以DSP和FPGA为核心的数字控制系统, 并采用双线性变换将所提出的控制方法进行数字化实现. 采用根轨迹法对所提出控制方法的稳定性进行了分析, 通过实验比较了引入滤波交叉反馈控制前后转子偏转通道的稳定性. 实验结果表明, 分散PID 控制条件下MSCSG 转子在转速为3200 r/min时失稳, 而引入滤波交叉反馈后, 转子转速升至5000 r/min后仍可稳定运行. 实验结果验证了所提出稳定控制方法对强陀螺效应的抑制作用.

• 基于变分模态分解和支持向量机的滚动轴承品质评估

  郝勇,吴文辉,商庆园

  针对滚动轴承品质评估过程中振动信号代表性特征提取不充分且模式识别方法精度低等不足, 提出了基于变分模态分解(VMD)和支持向量机(SVM)的滚动轴承品质评估方法, 首先, 对3个品质等级的轴承样品进行振动信号的采集; 其次, 计算滚动轴承振动信号的有效值、峰值和峭度值3个时域指标(TDI), 并采用VMD方法将信号分解为4个有限带宽模态函数(BIMF), 并分别计算其排列熵(PE)值; 最后, 将3个时域指标和4个排列熵值共计7个特征作为SVM的输入变量构建轴承品质等级预测评估模型. 实验结果表明: 与TDI–PE–SVM模型相比, TDI–VMD–PE–SVM轴承品质评估模型更优, 识别率由83.33%提高到93.33%, VMD方法有效地提高了振动信号的分辨率, 有利于轴承振动信号细节特征信息的提取.

• 波纹辊轧机辊系主共振时滞反馈控制

  和东平,王涛,任忠凯,冯光,刘元铭

  金属复合板波纹辊轧制成形是一项变革技术, 在复合板轧制成形的过程中, 轧制界面的非线性阻尼以及上下波纹辊之间的非线性刚度都可能导致主共振的发生, 造成辊缝的波动. 考虑了波纹辊轧机波纹界面间的非线性阻尼和非线性刚度, 建立了波纹辊轧机两自由度垂直非线性数学模型. 利用奇异值理论和相平面法讨论了波纹辊轧机辊系自治下的稳定性, 运用多尺度法求解了波纹辊轧机辊系在波纹界面激励下主共振的解析近似解和幅频特性方程. 分析了非线性刚度系数、非线性阻尼系数、系统阻尼系数、轧制力的幅值等参数对主共振的影响. 设计了线性和非线性复合作用的时滞反馈控制器来对波纹辊系的主共振进行控制, 并且通过数值仿真验证了控制器设计的正确性和可行性.

• 复数型扩展卡尔曼滤波算法在感应电机 直接转矩控制系统中的应用

  潘京辉,张维存

  针对传统算法中存在的数字信号处理器(DSP)运算速度要求高因而容易产生较大的延迟的问题. 提出一种复数型扩展卡尔曼滤波观测器(ECKF)对感应电机进行状态估计, 将得到的定子磁链和电机转速应用于直接转矩控制系统中, 实现感应电机的无速度传感器控制. 采用感应电机复数模型进行滤波器设计可以简化感应电机状态方程的维数并有效减少滤波算法计算量. 由于复数型扩展卡尔曼滤波器在实现过程中没有矩阵求逆的运算, 并且与常规扩展卡尔曼滤波器相比具有更低的维数, 因此DSP的运算时间得到了有效的降低, 提高了滤波器状态估计的快速性. 仿真和实验结果验证了所提出的复数型扩展卡尔曼滤波器有效性和可行性.

• 电机驱动驻车系统的非线性自抗扰控制

  姚芳,姜帆,吴正斌,李贵强,武利强

  电机是电动汽车的动力源, 能快速启动, 并通过矢量控制技术精确控制输出转矩. 本文针对电动汽车电子驻车系统制动问题, 提出了一种采用自抗扰控制技术驱动电机实现驻车制动的有效方法. 为此分析了车辆在坡道上的纵向运动学模型, 结合电机数学模型和整车模型, 设计了电动汽车电子驻车非线性自抗扰控制器, 并搭建了闭环仿真模型. 仿真结果表明, 自抗扰控制系统响应性能明显优于PID控制, 最后通过实验, 验证所设计的控制方案对驻车过程内外扰动具有较强的鲁棒性, 能够实现驻车过程快速有效制动.

• 双积分器的有限时间积分滑模设计及应用

  吴金尘,刘俊,叶华文

  针对带有加性扰动的双积分器, 本文结合嵌套饱和控制与积分滑模控制原理, 设计一种带分数指数项的积分滑模面. 运用Haimo有限时间稳定原理, 证明了所设计的积分滑模不会产生奇异性. 相应的控制设计由两部分组成: 理想控制和不连续控制, 可实现滑模面上动态的有限时间稳定, 并消除加性扰动的影响. 用直流电机角速度控制系统作为例子, 说明了算法的有效性.

• 带扰动混杂多智能体系统领导–跟随一致性

  陈世明,王明雨

  本文研究了带扰动混杂多智能体系统领导–跟随一致性问题. 给出了带扰动且含有非线性项的混杂多智能体系统模型. 为了解决扰动和非线性项问题对系统带来的影响, 本文基于等效趋近律设计了混杂多智能体系统的滑模控制协议, 该控制协议包含连续时间智能体与离散时间智能体的运动状态信息. 对混杂多智能体系统设计了Lyapunov函数, 给出该系统实现领导–跟随一致性的充分条件, 并证明了滑模控制协议下混杂多智能体系统可以实现领导–跟随一致性. 最后, 通过MATLAB仿真验证了所提方法的有效性.

• 具有动态边界阻尼的波方程的降阶型差分半离散化的 一致指数稳定性

  郑福,李艳

  由于在最优控制的数值计算和可观性的反问题中, 离散系统关于离散化参数的一致指数稳定性具有重要作用, 因而一致指数稳定性得到广泛而深入的研究. 众所周知, 对指数稳定的波方程的空间变量用经典的有限差分或有限元离散化后, 离散格式产生高频病态伪特征模, 致使离散系统不是一致指数稳定的. 为了恢复一致指数稳定性, 学者们引入了添加数值粘性项法和滤波法等方法. 然而对于具有动态边界条件的波方程的一致指数稳定性问题研究的较少. 本文用降阶型差分方法对此问题进行研究, 先对具有动态边界条件的波方程进行降阶处理, 然后利用有限差分对其进行空间半离散化, 不用再对其进行任何处理, 引入合适的李雅普诺夫函数即可验证离散系统是一致指数稳定的.

• 饱和时滞非线性系统的间接线性矩阵不等式抗饱和设计

  李豪杰,何汉林,查苗

  当时滞非线性系统具有执行器饱和时, 其稳定性无法得到保证. 为了寻找饱和时滞非线性系统的稳定控制器, 本文阐述了一种间接线性矩阵不等式(LMI)一步抗饱和设计方法. 首先, 利用Takagi-Sugeno (T–S)模糊模型将一类饱和时滞非线性系统精确重构, 引入输出反馈并行分布补偿系统得到闭环控制系统. 然后, 运用李雅普诺夫稳定性理论, 导出闭环系统的稳定条件, 利用一个矩阵不等式的等价引理, 将闭环系统稳定条件间接的转化为两个LMIs条件, 进而得到间接LMI抗饱和补偿算法, 同时给出了吸引域估计及其优化模型. 最后给出了应用此方案的一个仿真实例.

• 基于T–S模糊模型的非线性系统鲁棒采样控制

  练红海,邓鹏,肖伸平,肖会芹

  使用模糊采样控制方法研究一类T–S(Takagi-Sugeno)模糊模型描述的非线性系统鲁棒镇定问题. 首先, 充分利用整个采样区间[tk; tk+1) 的特征信息, 构造出一个改进的双边时间相关Lyapunov 泛函. 然后, 结合提出的Lyapunov泛函和自由矩阵不等式, 导出了确保非线性系统渐近稳定的鲁棒镇定条件, 并给出模糊采样控制器设计方法. 最后, 通过4个例子仿真验证了提出方法的有效性和优越性.

• 改进免疫遗传算法的篦冷机二次风温故障诊断

  刘浩然,张力悦,刘永记,范瑞星,刘彬

  针对遗传算法学习贝叶斯结构时局部寻优能力差的问题, 本文提出一种改进的免疫遗传算法(IIGA)学习贝叶斯结构. 首先利用最大支撑树与评分函数构建两个初始种群, 然后在种群内部引入改进免疫算子与自动交叉变异算子, 在种群之间引入改进的联姻策略与师生交流机制, 最后通过迭代搜索到最优贝叶斯结构. 在标准网络中与遗传算法相比, 提升了遗传算法的局部寻优能力. 利用IIGA算法得到篦冷机水泥熟料换热工艺参数的结构, 并以此结构为基础进行参数学习与故障推理, 最终得到二次风温的故障诊断模型, 对节约燃煤, 保护环境具有一定实际意义.

• 基于Petri网诊断器的离散事件系统模式故障的在线诊断

  阙蔡雄,刘富春,赵锐,邓秀勤,崔洪刚

  本文研究基于Petri网诊断器的离散事件系统模式故障的在线诊断问题. 先构建一种用于模式故障在线诊断的自动机, 给出了基于这种自动机的在线诊断方法. 然后将自动机转换为Petri网并进一步构造了可用于S型模式故障或T型模式故障在线诊断的Petri网诊断器, 提出了基于Petri网诊断器的模式故障在线诊断算法. 通过分析算法的复杂性, 得到了该算法具有多项式空间复杂性的结论.

• 考虑恶化效应的MapReduce模型下的同类机调度

  黄基诞

  本文研究了MapReduce模型中考虑恶化效应的同类机调度问题. 在MapReduce模型中每个工件加工必须经过两道工序. 其中在第1道工序中每个工件加工任务可分割成若干个子任务且能并行加工, 当某个工件中的所有子任务全部完成后, 才允许启动第2道工序, 且第2道工序只能在一台机器上连续加工. 本文考虑了工件实际加工时间与其开工前的等待时间呈线性函数关系的恶化效应, 构建了以最小化所有工件的逗留时间和为目标函数的混合整数规划模型, 同时给出了问题的一个下界, 最后设计了采用正余弦差分扰动机制的改进蝙蝠优化算法来求解模型.通过数值仿真对蝙蝠优化算法、遗传算法、CPLEX结果与下界进行对比, 验证了模型的正确性和改进算法的有效性.

• 基于改进狼群算法的模糊时间序列预测模型

  鲜思东,李堂金

  当使用模糊时间序列预测模型进行预测时, 模糊区间的不同划分对最后的预测精度有着十分重要的影响.针对如何更有效的划分模糊区间、进一步提高模糊时间序列的预测精度问题, 本文提出了一种基于改进狼群算法的模糊时间序列预测模型. 为此首先简要介绍了模糊时间序列, 然后阐述了狼群算法并在其游走行为中引入趋向行为和死亡概率对其进行了改进, 最后利用改进狼群算法来划分模糊区间, 建立了一种新的模糊时间序列预测模型. 将Alabama大学入学人数作为实验数据进行实例分析和验证. 通过与现有的一些模型进行对比分析, 本文所提模型具有更高的预测精度, 为模糊时间序列预测提供了新思路.

• 基于改进灰狼算法和多核极限学习机的铁水硅含量预测建模

  方一鸣,赵晓东,张攀,刘乐,王硕玉

  针对高炉铁水硅含量难以在线检测的问题, 本文提出一种基于改进灰狼算法(IGWO)优化的多核极限学习机(MKELM)高炉铁水硅含量预测建模方法. 首先, 针对灰狼算法(GWO)寻优能力的不足, 将最优–最差正交反向学习(OWOOBL)策略应用于灰狼算法的位置更新, 得到一种改进灰狼优化算法. 通过10种标准函数对所提算法进行仿真测试, 结果表明此算法具有更好的寻优能力. 其次, 针对单核极限学习机(KELM)回归能力不足, 将不同种类的核函数加权组合, 并采用改进灰狼算法对多核极限学习机中的加权系数等参数进行优化. 最后, 基于某钢厂的实测数据对高炉铁水硅含量进行预测建模, 仿真结果表明, 本文所提方法的预测效果优于反向传播神经网络(BP–NN)、极限学习机(ELM)、KELM和GWO–MKELM, 对高炉炼铁具有较好的指导意义.

• 求解高维复杂函数的混合蛙跳–灰狼优化算法

  黄晨晨,魏霞,黄德启,叶家豪

  针对高维复杂函数问题, 提出一种混合蛙跳–灰狼优化算法(SFL–GWO). 该算法通过改进的Logistic映射初始化GWO算法种群提高算法的多样性; 其次, 提出一种新的距离控制参数的非线性调整策略来增强种群的探索与开发的能力; 最后通过引入改进的随机蛙跳算法中改变最差位置的方式使SFL–GWO算法跳出局部最优的局限. 通过选取的10个高维复杂函数的寻优结果验证了算法的性能, 并与粒子群优化算法(PSO)、灰狼优化算法(GWO)和鲸鱼优化算法(WOA)3种基本算法以及与8种改进算法的寻优的结果进行了比较. 仿真结果证明: SFL–GWO算法在不仅可以提高收敛精度也可以提高算法的搜索速度, 证明了SFL–GWO算法在求解高维复杂函数的高效性.

• 改进的迭代收缩阈值算法及其在量子状态估计中的应用

  丛爽,丁娇,张坤

  本文将含有稀疏干扰的量子状态估计问题, 转化为考虑量子状态的约束条件下, 分别求解密度矩阵的核范数, 以及稀疏干扰l1范数的两个子问题的优化问题. 针对迭代收缩阈值算法(ISTA)所存在的收敛速度慢的问题, 通过在两个子问题的迭代估计中, 引入一个加速算子, 对当前值与前一次值之差进行进一步的补偿, 来提高算法的迭代速度(FISTA). 并将FISTA算法应用于求解含有稀疏干扰的量子状态估计中. 针对5个量子位的状态估计的仿真实验, 将FISTA分别与ISTA、交替方向乘子法(ADMM)、不动点方程的ADMM算法(FP–ADMM), 以及非精确的ADMM算法(I–ADMM)4种优化算法进行性能对比. 实验结果表明, FISTA算法具有更加优越的收敛速度, 并且能够得到更小的量子状态估计误差.