控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2020年第9期

• 线性时不变系统PID–型迭代学习控制律的单调收敛形态

  刘艳,阮小娥

  传统的迭代学习控制机理中, 积分补偿是典型的策略之一, 但其跟踪效用并不明确. 本文针对连续线性时不变系统, 对传统的PD–型迭代学习控制律嵌入积分补偿, 利用分部积分法和推广的卷积Young不等式, 在Lebesgue-p范数意义下, 理论分析一阶和二阶PID–型迭代学习控制律的收敛性态. 结果表明, 当比例、积分和导数学习增益满足适当条件时, 一阶PID–型迭代学习控制律是单调收敛的, 二阶PID–型迭代学习控制律是双迭代单调收敛的. 数值仿真验证了积分补偿可有效地提高系统的跟踪性能.

• 基于时变增益扩张状态观测器的逆变器系统自适应 super-twisting电压鲁棒控制

  滕青芳,佐俊,潘浩,徐睿琦

  针对电压源逆变器系统中负载扰动和参数摄动, 本文提出了一种基于时变增益扩张状态观测器的自适应super-twisting鲁棒电压控制新方法. 首先考虑负载扰动, 建立单相逆变器系统的动态模型, 进而考虑系统参数摄动,通过引入非测量辅助状态变量, 将上述动态模型转化为只包含匹配扰动的状态方程; 其次, 设计时变增益扩张状态观测器, 以实现对非测量辅助状态变量与包含负载变化和参数摄动等因素在内的集总不确定项的估计; 最后, 基于此扩张状态观测器, 设计采用自适应super-twisting算法的滑模控制律, 以实现逆变器系统输出电压对其参考电压的快速准确跟踪并增强系统鲁棒性. 仿真实验结果表明: 所提出的时变增益扩张状态观测器可在保证观测误差收敛的同时, 有效抑制“初始微分峰值”现象; 采用自适应super-twisting算法的滑模控制策略可使逆变器系统输出电压具有较高跟踪精度和较小总谐波失真率, 增强系统的抗干扰能力, 并降低控制输入信号“抖振”.

• 基于复合抗扰的溶解氧浓度控制

  魏伟,陈楠,左敏,刘载文

  污水处理中, 出水水质受进水流量、组分以及浓度波动等因素影响. 要保证处理效果, 溶解氧浓度控制应有较强的鲁棒性. 简单闭环控制的能耗及出水水质波动大. 为此, 本文以污水处理过程1号基准仿真模型模拟污水生化处理过程, 提出基于扩张状态观测器和滑模控制的复合抗扰控制方法, 以降低对模型信息的依赖, 保证溶解氧浓度控制效果. 数值仿真结果显示, 复合抗扰控制能够以较小的能耗获得期望的调控效果. 这表明, 复合抗扰控制具有很好的适应性, 能够满足调控要求, 是一种具有较强实用性的污水处理溶解氧浓度控制方法.

• 多变量预测控制结构分解的图论方法

  王洪瑞,邹涛,张鑫,王美聪,陆云松

  预测控制算法的计算复杂度主要由变量个数和控制时域决定, 而大型复杂系统中变量个数较多将导致计算量大的问题, 尤其在有约束预测控制的优化求解中增加较重的计算负担. 本文针对此问题利用邻接矩阵、可达矩阵和关联矩阵梳理系统传递函数模型中变量之间的关联, 将有关联的控制变量划分为一个子系统, 进而将一个大系统分解成若干独立子系统, 即可将一个高维度的优化求解问题分解成多个维度较低的子优化问题, 降低计算复杂度以达到减少计算量的目的. 最后将其应用在多变量有约束的双层结构预测控制算法中, 通过仿真进行验证.

• 基于几何特征相似度评价的跨尺度显微图像配准（英文）

  武毅男,方勇纯,樊志,王超,刘存桓,胡子琦

  原子力显微镜能够在光学显微镜的协助下, 克服自身成像范围的限制获得更大的成像视野, 同时保证纳米级的成像精度. 该方法需要实现原子力显微镜成像结果在光学视野中的精确定位, 而解决该问题的关键是进行两种显微图像之间的准确配准. 因此, 本文提出了一种基于几何特征相似度评估的跨尺度图像配准算法, 为进一步在原子力/光学显微镜共焦系统中实现精确定位和成像提供了基础. 具体而言, 本文首先利用原子力显微镜的探针在样品表面进行压印, 刻画出固定尺寸的几何图案，用以标定原子力显微镜和光学显微镜成像尺度之间的比例, 为图像配准提供先验知识. 随后, 本文设计了一种先进的图像处理算法, 分别提取原子力/光学显微镜图像中几何图案的特征, 并将其存储为内角向量和边长向量. 最后, 基于成像尺度比例和几何特征, 提出了一种新型的几何特征相似度评价函数, 通过对内角特征相似度和边长特征相似度进行加权融合, 实现高精度的跨尺度显微图像配准. 实验部分针对四种不同几何图案进行图像配准, 并对实验结果进行详细分析, 验证了本文方法的良好性能.

• 加权有向图社区发现的子系统划分

  杨晓峰,谢巍,张浪文

  提出一种基于加权有向图的社区发现子系统划分方法, 并应用于分布式状态估计设计. 针对一类复杂非线性系统, 构建考虑连接边强度的加权有向图, 引入社区发现算法将复杂非线性系统划分成多个子系统. 同时考虑子系统之间连接边的数量和有向图顶点之间的连接强度, 使得划分得到的子系统内部关联较强, 而子系统之间的耦合强度较弱. 针对划分得到的子系统, 设计基于信息交互的分布式滚动时域估计算法, 并与已有的子系统划分方法对比, 在相同的状态估计设定下, 所提出的子系统划分方法能够有效提高状态估计的性能.

• 高斯过程回归模型多扩展目标多伯努利滤波器

  陈辉,李国财,韩崇昭,杜金瑞

  针对复杂不确定性环境下不规则形状的多扩展目标跟踪问题, 本文提出了一种基于高斯过程回归(GPR)模型的多扩展目标多伯努利(GPR–ETCBMeMBer)滤波算法. 首先, 在利用有限集统计理论(FISST)将多扩展目标的状态集与量测集分别建模为多伯努利随机有限集(MBer RFS) 和泊松随机有限集(Poisson RFS) 的基础上, 通过GPR方法建立多扩展目标随机超曲面的跟踪滤波模型. 然后, 基于容积卡尔曼滤波器(CKF)详细推导并提出GPR多扩展目标多伯努利滤波算法的高斯混合(GM)实现. 最后, 通过构造对星凸形多扩展目标和多群目标跟踪的仿真实验验证了本文所提算法的有效性.

• 采用卷积神经网络的低风险可行地貌分类方法

  张琪安,张波涛,吕强,王亚东

  针对现有识别方法中风险地貌误判率高、手动地貌特征提取具有局限性等问题, 提出了用于室外移动机器人的低风险地貌识别策略. 该策略以降低移动机器人遇险率为高优先级目标, 采用双重验证策略, 首先采用多分类器对所有地貌进行识别, 其后使用二分类器对多分类结果中的安全地貌再次鉴别. 基于该策略, 分别设计了2个卷积神经网络(CNN), Terrain–CNNⅠ用于多分类识别, Terrain–CNNⅡ则用于二分类安全确认. 为解决地貌样本相对稀缺问题, 收集了包含水面、草地、泥地、柏油路、沙地、碎石路共6类地貌图像, 通过数据增强方式快速扩充数据集用于网络的训练与测试. 实验结果表明: 所述方法在维持整体地貌识别率很高的前提下, 显著降低了关键危险地貌的误判率.

• 车用锂离子动力电池自适应状态联合估计研究

  曹铭,黄菊花,杨志平,鄢琦昊

  为确定动力电池的剩余电量和峰值功率这两个关键指标, 提出一种基于数据驱动的在线参数辨识方法, 通过递归最小二乘法精确计算电池的实时参数; 然后设计了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波的多状态联合估计算法,准确估计电池的实时荷电状态; 并在电压、剩余电量和单体峰值电流的多约束条件下, 建立多采样间隔持续峰值功率估算的数学模型. 最后在MATLAB/Simulink环境下搭建基于纯电动汽车实际运行工况的硬件在环测试模型. 结果表明: 在初始误差较大时, 剩余电量的估计误差在3%左右, 硬件在环测试系统的端电压误差保持在20 mV以内,峰值功率的平均误差为4.9745 W, 为联合估计算法的准确性提供了可靠理论依据.

• 数据驱动的多智能体网络鲁棒包容控制

  于镝

  针对输入受限的受扰多智能体网络, 提出具有领航层、估计层、控制层和跟随者层的新型鲁棒包容控制方案. 首先, 设计有限时间估值器获得跟随者的期望状态, 然后基于包容误差引入非均方折扣代价函数, 从而将鲁棒包容控制问题转换成受限最优控制问题. 并应用Laypunov拓展原理证明得到的最优控制策略使得网络实现一致最终有界稳定. 在系统动态完全未知的情况下, 采用提出的积分增强学习算法和执行器–评价器结构, 在线得到近似最优控制策略. 仿真结果验证了理论方案的有效性和可行性.

• 含不等式约束的欠驱动系统约束跟随控制

  李旻,熊亮,尹辉,上官文斌,秦武

  在运动控制领域, 欠驱动机械系统通常需要满足一系列的等式约束(完整或非完整的)以便获得较好的运动表现, 同时出于安全考虑还需要满足一定的不等式约束条件. 本文提出了一种约束跟随控制方法, 用以解决同时含等式和不等式约束的欠驱动系统控制问题. 该控制设计主要分为两步: 第1步: 只考虑系统需要满足的等式约束, 运用约束跟随控制方法推导出基于系统模型的状态反馈控制律; 第2步: 考虑系统需要满足的不等式约束, 先通过状态变量映射将不等式约束整合到原等式约束中以得到新的等式约束, 再基于新的等式约束和第1步所述的约束跟随控制方法, 推导出系统所需的状态反馈控制律. 将该约束跟随控制方法应用于三自由度非线性强耦合的欠驱动平面垂直起降(PVTOL)飞行器. 仿真结果表明, 该控制方法能有效处理PVTOL飞行器运动过程中需满足的等式约束(轨迹跟踪和姿态保持)和不等式约束(边界服从).

• 基于改进模型参考自适应系统的永磁同步电机参数辨识

  李垣江,董鑫,魏海峰,张懿,刘维亭

  针对永磁同步电机多参数辨识时, 数学模型存在的欠秩问题, 提出一种改进模型参考自适应系统的分步在线辨识方法. 该方法采用Popov超稳定性理论设置自适应律, 可以保证辨识时系统的稳定性; 在改进的模型参考自适应系统中, 首先辨识定子电阻、转子磁链, 待两个参数辨识结果稳定后, 再辨识直交轴电感. 这样在同一个模型中实现多个参数辨识, 克服了由于数学模型欠秩问题而导致辨识结果的不确定性. 仿真结果表明, 本文设计的方法辨识速度较快, 辨识度高, 具有一定的实用性.

• 具有通信约束的反馈辅助PD型量化迭代学习控制

  周楠,王森,王晶,沈栋

  本文针对网络线性系统, 研究了具有通信约束的反馈辅助PD型迭代学习控制问题. 信号从远程设备传输到迭代学习控制器过程中, 存在数据量化与数据包丢失的情况. 将数据包丢失模型描述为具有已知概率的伯努利二进制序列, 采用扇形界方法处理数据量化误差, 提出了一种反馈辅助PD型迭代学习控制算法. 采用压缩映射法分析证明了在存在数据量化和丢失的情况下, 所提控制算法依然可以保证跟踪误差渐近收敛到零. 并进一步对存在初始状态偏移时所提算法的鲁棒性进行了讨论. 最后, 通过仿真示例, 对比验证了理论结果的有效性和优越性.

• 可反馈线性化系统的鲁棒自适应容错控制设计

  姚雪莲,杨艺

  针对存在不确定执行器故障和未知不匹配干扰的可反馈线性化非线性系统, 提出一种鲁棒自适应容错控制策略. 首先分别给出系统输入和扰动关于系统输出的相对阶, 针对两种相对阶之间的不同关系设计鲁棒控制器,抑制干扰对系统输出的影响; 然后针对各故障情况分别设计容错控制器; 最后将各控制器进行融合得到一个综合故障补偿控制器, 从而有效解决故障模式、类型、大小、时间和外界干扰等多重不确定性, 保证闭环系统稳定和渐近输出跟踪性能. 仿真结果验证了所设计控制方案的可行性与有效性.

• 基于活动发生关系的流程相似性度量方法

  李东月,方欢

  针对现有的流程模型行为相似性度量方法大都基于变迁的发生序列, 存在时间复杂度较高的问题, 提出一种基于活动发生关系的流程相似性度量方法. 首先, 形式化左右集概念, 并引入违背度和左右集权重$\alpha,\beta$, 通过活动间的关系变化来确定$\alpha$和$\beta$的取值, 进而得到活动的相似性; 然后, 将流程中活动的相似性进行归一化, 提出基于活动发生关系的流程相似性算法(AOR), 进行业务流程的相似性度量. 最后, 使用实际事件数据案例对本文方法进行了评估, 实验结果表明: 该方法能够正确计算两个不同流程之间的相似性, 且具有较好的时空复杂度.

• 基于局部熵双子空间的多模态过程故障检测

  郭金玉,刘玉超,李 元

  为了提高非高斯工业过程的检测性能, 提出局部熵双子空间(LEDS)的多模态过程故障检测方法. 运用局部概率密度估计构建数据的局部熵矩阵, 消除数据的多模态特性. 用Kolmogorov-Smirnov (KS)检验局部熵数据中变量的正态分布特性, 对高斯分布和非高斯分布的数据分别建立基于PCA的高斯子空间和ICA的非高斯子空间故障检测模型. 利用Bayesian决策将检测结果转化成发生故障概率的形式, 将检测结果组合成最终的统计信息, 进行故障检测. 将该方法应用于数值例子和田纳西–伊斯曼多模态过程, 仿真结果表明, 该方法在误报率较低的情况下, 故障检测率最高, 优于PCA、局部熵PCA(LEPCA)和局部熵ICA(LEICA)方法.

• 通过线性增量控制抑制混沌

  刘畅,曾以成

  本文基于三维Lorenz两翼系统、三维四翼系统以及四维四翼系统, 利用线性增量控制实现了减少吸引子涡卷数以及抑制混沌的目的. 此控制是在多涡卷混沌系统中耦合一个线性系统, 通过不断增强两个系统之间的耦合强度, 移动并且逐渐消除多涡卷混沌系统的部分平衡点, 从而达到控制目标. 利用平衡点坐标变化曲线、分岔图、Ly-apunov指数谱、以及相轨图等表征方法分析并刻画了被控制的多涡卷系统动力学行为变化的过程. 为了验证线性增量控制对于实现吸引子退化以及抑制混沌的有效性和电路可实现性, 以三维四翼系统的控制为例设计了电路,Multism仿真结果和硬件实验结果均与在MATLAB中得到的数值仿真结果一致.

• 全相关核偏最小二乘故障诊断方法及在抽油机上应用

  汪波,夏钦锋,钱龙,彭军,周伟

  针对油田抽油机生产数据存在强非线性和强耦合性, 导致故障诊断困难的问题, 本文提出一种全相关动态核偏最小二乘(FCDKPLS)故障诊断方法. 首先, 构建抽油机生产数据自回归模型, 反映数据变量间的动态特性; 其次, 分析了KPLS算法中输出变量与输入变量残差子空间的相关性, 为此, 在输出模型上构建一个辅助矩阵, 从而表征输入变量与输出变量的全相关性, 建立输入变量和输出变量之间更直接的联系. 最后, 将提出的全相关动态偏最小二乘方法应用于抽油机过程故障诊断, 实验结果表明本文提出方法的有效性.

• 基于数字水印的网络控制系统回放攻击检测

  颉新春,费敏锐,杜大军

  随着网络技术在控制系统中的广泛应用, 如何处理数据回放及数据篡改等网络攻击行为是广大科技工作者必须考虑和解决的一个问题. 在构建包含控制网络和检测网络的控制系统基础上, 本文给出了一种网络控制系统的数学模型, 并详细阐述了其传感器节点到控制器节点的数据传输方法. 考虑到控制器节点遭受回放攻击的实际情况, 通过数据帧中添加时间戳和水印数据, 并采用拟合优度检验等相关策略, 由此提出一种新的异常行为检测方法. 仿真结果表明, 该方法在一定程度上能够有效并快速地检测出针对控制器的回放攻击行为, 具有应用前景和推广参考价值.

• 定值和随动单闭环系统传感器故障诊断

  那文波,高宇,李明,刘甜甜

  在线闭环系统传感器的故障, 由于控制器的调节作用, 使得其故障诊断变得复杂. 本文针对定值和随动单闭环系统传感器故障, 在正常系统和故障系统动态特性分析基础上, 提出了一种基于系统动态趋势和数据驱动的故障诊断方法. 该方法利用动态窗口残差数据实现故障监测; 以数据变化最大值实现故障估计; 采用二次线性回归实现故障分离; 建立了系统故障监测、故障估计和故障分离的静态模型; 同时给出了诊断模型在线应用的标定方法和诊断流程. 通过实验验证了方法的有效性和诊断的高精度. 该方法适用于一般的一阶定值和随动闭环控制系统传感器的实时故障诊断.

• 考虑通信延迟的多自治水下航行器协同定位算法

  卢 健,陈 旭,罗毛欣,杨腾飞

  自治水下航行器(AUV)协同定位中通信延迟具有常态性. 面对延迟到达的信息, 传统方法一般会有定位精度或实时性的损失. 针对通信延迟的不利影响, 本文在建立水声探测和通信时延模型的基础上, 以扩展卡尔曼滤波(EKF)为算法框架, 提出了信息顺序到达和信息出序到达2种协同定位算法, 并以建构面向信息出序情景的算法为主要创新工作. 在信息顺序到达算法中, 将延迟信息进行序贯处理以减小定位误差. 在信息出序到达算法中, 以信息出现一步滞后的延迟为背景, 使用出序信息直接对从AUV最新状态估计进行再更新, 信息无损地实时估计运动状态. 计算机仿真实验结果表明, 本文算法相比于传统的航位推算、整周期滤波、量测丢弃等方法, 具有更高的估计精度; 相比于数据缓存滤波、重新滤波等方法, 具有强实时性.