控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第8期

• 隐蔽式攻击下的离散系统区间观测器设计

  刘坤,张淇瑞,郭航,刘涛,夏元清

  本文研究了隐蔽式攻击下的网络化控制系统的安全估计问题. 首先, 根据攻击保持隐蔽的条件, 得到了攻击信号的上界和下界. 其次, 基于边界信息设计了一类原坐标系下的区间观测器, 并进一步通过坐标变换放宽增益矩阵的设计条件, 给出了变换下的区间观测器设计方法. 然后, 提出了基于H1滤波理论计算隐蔽式攻击下的最优观测器增益的方法, 并通过求解线性矩阵不等式获得最优增益矩阵. 最后, 通过仿真算例验证了所提方法的有效性.

• 基于分层式证据推理的信息融合故障诊断方法

  徐晓滨,叶梓发,徐晓健,侯平智,王琪冰,茹晓英

  针对基于信息融合的故障诊断方法中, 诊断证据的精细化获取问题和在线诊断信息量受限问题, 提出分层式的证据推理(ER)诊断方法. 在诊断证据获取过程中, 给出故障特征参考值投点方法, 按比例求取特征样本点对相邻参考值的相似度, 生成点值型参考证据矩阵(REM)和在线故障特征样本的诊断证据, 实现了诊断信息的精细化提取; 在证据融合过程中, 设计分层式ER融合模型. 第1层融合中利用k–NN算法找到在线样本的近邻历史样本, 然后利用ER规则实现在线样本与近邻历史样本对应证据的融合. 在第2层融合中, 将多个特征源提供的第1层融合结果再次融合, 并根据两层融合所获证据进行故障决策; 此外, 在分层融合模型中, 根据证据之间的欧氏距离构造目标函数及相应的证据重要性权重优化方法. 最后, 在多功能电机转子试验台上实施了故障诊断实验, 与已有单层ER模型诊断结果进行比较, 说明所提方法通过提升诊断证据的精确性、增加历史样本扩充诊断信息量, 能够有效提升确诊率.

• 考虑误差补偿的柔性关节机械臂命令滤波反步控制

  李鹏飞,张银河,张蕾,王晓华,王文杰

  针对柔性关节机械臂在运动过程中易产生振动, 使力和位置等控制精度难以保证等问题, 提出了一种改进的命令滤波反步控制方法. 首先, 采用二阶命令滤波器得到反步控制方法中所需的虚拟控制函数及其导数, 避免了对虚拟控制函数的多阶求导所导致的计算爆炸问题. 随后, 为了消除引入命令滤波器所产生的滤波误差, 设计了滤波误差补偿机制, 并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了该策略可保证闭环跟踪误差系统的稳定性. 最后, 针对单关节柔性机械臂进行MATLAB仿真, 证明了该方法的有效性. 实验结果表明, 加入滤波误差补偿后, 跟踪精度提高了12.7%, 滤波误差明显减少.

• 基于二维系统的迭代学习事件触发鲁棒控制

  余威,卜旭辉,梁嘉琪

  本文研究了二维系统框架下, 带有事件触发机制的不确定离散系统迭代学习鲁棒控制问题. 首先为了减少迭代过程中控制信号的更新次数, 构建了一种沿迭代轴的事件触发机制, 并提出了基于事件触发机制的迭代学习控制算法. 基于二维系统理论, 将迭代学习过程转化为等价二维Roesser系统. 构造李雅普诺夫函数, 结合线性矩阵不等式(LMI)技术, 给出了系统渐近稳定的充分条件, 进一步得到了控制器增益的求取方法. 最后仿真结果验证了提出的事件触发机制的有效性.

• 不确定通信拓扑下多智能体系统鲁棒一致性

  陈阳舟,黄小龙,詹璟原

  本文研究一类具有通信不确定的多智能体系统鲁棒一致性问题. 本文提出基于标称通信拓扑有向生成树的线性变换方法, 将线性多智能体系统的状态一致性问题转化为相应线性系统的鲁棒部分变元渐近稳定性问题. 首先采用基于有向生成树关联矩阵的线性变换, 将多智能体系统网络的全局状态方程转化为一个降阶子系统; 其次,将拉普拉斯矩阵的摄动部分进行分解, 利用降阶系统设计鲁棒二次镇定控制器, 推导出所有智能体状态达到渐近一致的充分条件. 在此基础上将控制协议的参数设计转化为求解线性矩阵不等式的可行解. 最后, 通过数值仿真验证了所提出的一致性协议分析与设计方法的可行性和有效性.

• 系统直和博弈模型下的合作演化

  李亚昆,冯俊娥

  演化博弈论是生物进化论与博弈论结合产生的理论, 已成为研究合作演化行为的有力工具. 本文研究了基于系统直和博弈模型下的合作演化行为. 首先, 利用复制者方程分析了双人双策略及三策略对称博弈的演化动力学过程. 然后, 以石头剪刀布模型和雪堆模型为基础, 采用矩阵直和构建系统直和博弈模型, 并将所构造的直和矩阵转化为含参数的系统总支付矩阵. 随后, 说明了这种方法可推广到n个博弈的情形. 最后, 利用MATLAB对系统直和博弈模型进行仿真模拟, 从系统整体的角度分析合作演化. 仿真结果表明, 混合之后的系统直和博弈较单一博弈而言, 合作策略的占比明显增加, 且整个系统稳定性更好. 这种合作演化机制呈现了全局互惠.

• 含弹簧阻尼缓冲机构空间机器人捕获卫星操作的 避撞柔顺强化学习控制

  朱安,陈力

  针对空间机器人捕获卫星操作过程中, 关节因受冲击载荷而易造成冲击破坏的问题, 在关节电机与机械臂之间设计了一种弹簧阻尼缓冲机构. 缓冲机构不仅能利用弹簧实现捕获操作过程的柔顺化, 利用阻尼器实现碰撞能量的吸收及柔性振动的抑制; 还能通过合理设计与之配合的避撞柔顺策略使关节所受冲击力矩限定在安全范围内. 首先, 分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法导出了碰撞前的空间机器人与被捕获卫星的分体系统动力学方程; 然后, 结合Newton第三定律、捕获点的速度约束、各分体的位置约束获得了捕获后的混合体系统动力学方程, 且基于动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力; 最后, 提出了一种结合缓冲机构的避撞柔顺强化学习控制方案, 该方案通过实时与动态环境试错交互得到惩罚信号, 并利用惩罚信号对控制器进行优化, 实现对失稳混合体系统的镇定控制. 利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性; 数值仿真验证了缓冲结构的抗冲击性能及所提策略的有效性.

• 基于强化学习的快速探索随机树特殊环境中路径重规划算法

  邹启杰,刘世慧,张跃,侯英鹂

  针对移动机器人在未知的特殊环境(如U型、狭窄且不规则通道等)下路径规划效率低问题, 本文提出一种强化学习(RL)驱动快速探索随机树(RRT)的局部路径重规划方法(RL–RRT). 该方法利用Sarsa()优化RRT的随机树扩展过程, 既保持未知环境中RRT的随机探索性, 又利用Sarsa()缩减无效区域的探索代价. 具体来说, 在满足移动机器人运动学模型约束的同时, 通过设定扩展节点的回报函数、目标距离函数和平滑度目标函数, 缩减无效节点,加速探索过程, 从而达到路径规划多目标决策优化的目标. 仿真实验中, 将本方法用于多种未知的特殊环境, 实验结果显示出RL–RRT算法的可行性、有效性及其性能优势.

• 基于策略迭代算法的连续时间线性Markov跳变系统非零和微分反馈Nash控制

  朱国政,张茂光,何舒平

  针对一类连续时间线性Markov跳变系统, 本文提出了一种新的策略迭代算法用于求解系统的非零和微分反馈Nash控制问题. 通过求解耦合的数值迭代解, 以获得具有线性动力学特性和无限时域二次成本的双层非零和微分策略的Nash均衡解. 在每一个策略层, 采用策略迭代算法来计算与每一组给定的反馈控制策略相关联的最小无限时域值函数. 然后，通过子系统分解将Markov跳变系统分解为N个并行的子系统, 并将该算法应用于跳变系统. 本文提出的策略迭代算法可以很容易求解非零和微分策略所对应的耦合代数Riccati方程, 且对高维系统有效.最后通过仿真示例证明了本文设计方法的有效性和可行性.

• 基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略

  张成,郭青秀,冯立伟,李元

  针对协方差结构具有显著差异的多模态过程故障检测问题, 本文提出一种基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略(LPP–DSE). 首先, 根据样本距离矩阵确定样本截止距离; 接下来, 应用截止距离计算每个样本的本质密度及其前k近邻样本的估计密度; 最后, 通过样本的密度误差及其k近邻密度的标准差构建统计量并完成过程监控. 本文方法通过应用局部保持投影(LPP)对过程数据进行维数约减可以保证过程监控的及时性; 同时, 通过设计密度标准误差(DSE)统计量可以有效提高多模态过程的故障检测率. 此外, 本文给出基于贡献图的诊断方法能够准确识别故障发生的原因. 通过数值例子和半导体工业实例测试, 并与主元分析、邻域保持嵌入、局部保持投影、k近邻故障检测等方法比较, 实验结果进一步验证了LPP–DSE方法的有效性.

• 基于衰减因子和动态学习的改进樽海鞘群算法

  陈雷,蔺悦,康志龙

  樽海鞘群算法是一种新型的群智能优化算法. 与其他智能优化算法相比, 樽海鞘群算法的优化求解策略仍有待改进, 以进一步提高该算法的求解精度和寻优效率. 本文提出一种基于衰减因子和动态学习的改进樽海鞘群算法, 通过在领导者更新阶段添加衰减因子, 提高算法的局部开发能力, 在跟随者更新阶段引入动态学习策略, 提高算法的全局搜索能力. 本文对16个测试函数进行实验, 将提出的改进算法与其他智能优化算法比较, 实验结果表明,本文提出的改进算法在收敛精度和收敛速度方面有较大提升, 具有良好的优化性能.

• 用PID控制近似线性自抗扰控制

  崔文庆,王雨桐,谭文

  线性自抗扰控制(LADRC)是结合PID和现代控制理论发展起来的新型控制方法, 很多文献表明PID可以转化为LADRC, 那么LADRC能否近似为PID, 并且近似效果如何, 目前没有确定的答案. 本文首先证明LADRC的积分作用实际上包含在扰动的估计及补偿里, 说明了二阶LADRC和PID的关系. 然后根据LADRC阶数的不同, 本文提出了实际PID+n阶超前环节的策略近似各阶LADRC. 通过仿真实例, 说明二阶和三阶LADRC和转化后的PID具有相似的抗干扰性能, 但更高阶的LADRC转换得到的PID控制效果不如LADRC. 因此, LADRC是PID控制在工业过程控制中的推广, 具有更多的应用前景.

• 含模型不确定性的上三角非线性系统的全局镇定

  查雯婷,翟军勇,梁营玉

  本文针对一类具有模型不确定性的上三角非线性系统, 利用嵌套饱和函数方法研究其全局镇定问题. 首先,对系统中存在的未知幂指数、未知控制参数和不确定性非线性函数施加适当假设, 并基于Lyapunov稳定性定理利用已知的参数设计局部镇定控制器. 然后, 将设计的控制器与饱和函数结合得到饱和控制器. 通过适当选取饱和度,可以证明只要不确定参数在限定的范围内, 该控制器都能够使得闭环系统全局渐近稳定. 最后, 选取不同的系统幂指数搭建数值仿真算例. 在相同的控制器作用下, 系统状态和控制轨迹渐近收敛至原点, 从而验证了所提控制算法的有效性和鲁棒性.

• 有偏最小最大概率模型及在汽油属性预测中的应用

  贺凯迅,刘晶晶,王小邦,苏照阳

  汽油属性的在线预测多采用无偏估计方法建立的近红外定量分析模型实现, 累积预测误差的正负偏差范围难以控制, 这会严重影响汽油调合优化控制的投运效果. 针对这一问题, 本文提出了一种采用有偏估计实现油品属性在线预测的方法. 首先从最小最大概率学习机出发, 提出了有偏最小最大概率回归模型. 然后利用即时学习方法设计了有偏回归模型的局部建模与更新策略, 用以提高回归模型的自适应能力. 最后在国内某炼厂汽油调合过程中采集的工业数据上进行实验, 结果表明该方法与传统方法相比具有明显优势, 有利于大幅度提高调合优化控制的投运率.

• 分布式模糊离散事件系统的故障预测

  谢仁可,刘富春,赵锐,崔洪刚

  本文研究分布式模糊离散事件系统的故障预测问题. 先根据系统的模糊特性, 提出一种分布式模糊离散事件系统的协同可预测性的形式化方法, 使分布式模糊离散事件系统的协同可预测度不小于各分站点的局部可预测度. 通过构造协同预测验证器, 提出一种基于协同预测验证器的协同预测算法, 并得到一个关于分布式模糊离散事件系统协同可预测性的充分必要条件.

• 基于高阶干扰观测器的极点配置控制器及应用

  王东委,富月

  本文设计了一种可以对外部干扰进行估计的高阶干扰观测器, 并针对一类具有外部干扰的单输入单输出离散时间线性系统, 提出了一种基于高阶干扰观测器的极点配置控制方法. 该方法由常规极点配置控制器和高阶干扰观测器组成. 常规极点配置控制器用来保证闭环系统稳定, 并将闭环系统的极点配置到理想位置, 高阶干扰观测器用来补偿外部干扰对闭环系统的影响. 理论分析以及仿真和水箱液位系统中的实验结果表明了所提方法的有效性和优越性.

• 高炉燃烧料面合成孔径雷达双聚焦成像算法

  陈相兵,倪梓明,陈先中,侯庆文,于晴

  钢铁生产中的料位和料形是冶炼过程控制的重要指标, 基于合成孔径雷达(SAR)原理的微波成像装置可有效提取热态径向料面特征. 针对几何形态复杂, 回波信号突变性强, 甚至会出现遮蔽效应导致雷达失波的料面中心部分, 本文建立了中心区域双聚焦测量成像系统. 选定炉顶风罩位置对称安装两套雷达, 电机控制雷达天线匀速摆动获取二维坐标矩阵, 用重采样插值算法将其转换成像素点均匀的矩形灰度图像; 根据尺寸参数确定炉心扫描重叠区间, 并构建料面中心双聚焦融合算法(DfSAR)拼接双图像. 与均值融合相比, 图像互信息提高10.43%, 清晰度改善23.91%. 最后, 采用雷达恒虚警率(CFAR)目标检测算法有效滤除高炉内粉尘颗粒物对料面图像的干扰.

• 时域感兴趣区域精确定位与膜电位多核调整的 动态视觉传感器数据分类

  黄庆坤,陈云华,张灵,兰浩鑫

  动态视觉传感器(DVS)因其在获取视觉信息时具有低功耗, 低延迟等特性, 本质上十分适用于便携式设备上的实时动作识别. 在对DVS事件流时域感兴趣区域(ROI)进行定位与分割时, 现有方法往往不能根据不同物体运动自适应地设定最佳检测阈值、无法对静态场景中少量背景噪声进行过滤, 为此, 提出基于LIF神经元模型和脉冲最大值监测单元的运动符号检测(MSD), 以实现在多种不同物体运动下事件流时域ROI关键时间点的自适应精确定位; 在对分类器进行训练时, 对不同的脉冲输入模式, 使用不同的核函数调整突触后神经元膜电位, 使训练得到的突触权重朝着正确发放的方向改变, 提出一种具有抗噪性的脉冲神经网络学习算法MK–Tempotron. 实验结果表明,与同类方法相比, 本文方法在DVS数据集上的识别精度能获得高达14.61%的提升.

• 基于改进即时学习算法的镨/钕元素组分含量预测

  陆荣秀,饶运春,杨辉,朱建勇,杨刚

  针对镨/钕(Pr/Nd)萃取过程元素组分含量难以在线实时检测的现状, 引入加权相似度准则和局部模型更新策略, 提出一种基于改进即时学习算法的稀土元素组分含量快速估计方法. 首先, 为了保证即时学习算法学习集选取的合理性, 充分考虑输入输出变量之间的相关程度, 采用互信息加权的相似度准则选择建模邻域, 以最小二乘支持向量机(LSSVM)作为即时学习算法的局部模型; 其次, 依据由相似度阈值更新和数据库更新组成的模型更新策略校正LSSVM局部模型, 改善组分含量预测模型的精度和实时性; 最后, 基于镨/钕萃取现场数据进行仿真对比试验, 结果表明所建模型具有精度高、实时性好等优点, 适用于稀土萃取生产现场元素组分含量的快速预估.

• 基于有限时间观测器的离散系统混沌同步

  吴阳,张建成

  本文基于驱动–响应模型针对一类离散时间混沌系统提出了一种基于有限时间观测器的同步方法. 首先,将混沌系统写成具有未知输入的线性系统形式. 随后, 给出了观测器匹配条件和强可观条件. 在观测器匹配条件的假设下, 通过适当的状态变换, 给出了具有降维形式的有限时间观测器设计框架使得该观测器不再受到未知输入的影响. 然后, 证明了强可观条件结合观测器匹配条件可以保证一个有限时间观测器的存在, 该观测器可以使得响应系统达到对驱动系统的精确同步, 且达到同步所需要的时间可以任意设定, 不受观测器系统矩阵极点配置和初值条件的影响. 最后, 给出了两个混沌系统的例子验证了所提方法的有效性.

• 基于模糊滑模控制器和两级滤波观测器的永磁 同步电机无位置传感器混合控制

  赵峰,罗雯,高锋阳,余佳乐

  针对传统带有滑模观测器的永磁同步电机控制系统中的转矩脉动大、抖振明显、反电动势估计精度差等问题, 在速度环提出了基于双曲正弦函数的新型趋近率, 结合模糊控制思想对趋近率参数实现自整定, 设计了一种基于新型趋近率的模糊积分滑模速度环控制器; 同时, 在滑模观测器中提出基于变截止频率低通滤波器和修正反电动势观测器的两级滤波结构来抑制反电动势中的高频分量和纹波分量, 并对转子位置进行合理补偿, 设计了两级滤波滑模观测器; 通过Lyapunov判据对本文提出的控制策略的稳定性进行了推导证明. 仿真结果表明, 与传统滑模观测器相比, 本文控制器可使电机在启动和受到外部扰动时系统响应良好.