控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第12期

• 基于深度强化学习的双向装配序列规划

  赵铭慧,张雪波,郭宪,欧勇盛

  为了解决复杂装配模型的序列规划问题, 并使算法对任意初始状态具有较高的适应性, 本文提出了一种包含正向装配以及逆向拆解的一体化双向装配序列规划方法BASPW–DQN. 针对复杂装配模型, 首先进行了一体化装配序列规划的问题描述与形式化表示; 在此基础上, 引入了课程学习及迁移学习方法, 对包含前向装配和逆向错误零件拆卸两部分过程的双向装配序列规划方法进行研究. 在所搭建的ROS-Gazebo与TensorFlow相结合的仿真平台上进行了验证, 测试结果证明此双向网络对于任意初始状态(包括零装配、部分装配、误装配等初始状态)的装配任务均可以在较少步数内完成, 验证了所提方法对于解决装配序列规划问题的有效性与适应性.

• 基于改进罚函数策略的综合射频阵列智能多目标优化配置

  薛慧,张涛,王锐,李文桦

  综合射频系统是未来机载电子设备的发展趋势. 本文首次从系统工程运筹学的角度对无人机载综合射频系统中的雷达、侦察、通信、干扰的作战任务及威力进行了研究分析; 通过任务矢量的构建可实现不同作战环境下综合射频阵面的自主配置, 建立了基于任务矢量的综合射频系统阵面资源优化的物理模型和数学模型; 创建了基于作用距离、功耗、作战效能的多目标优化模型; 分析了孔径约束、功率约束和作用距离约束条件, 构建了基于任务矢量、距离矢量和优先级矢量的距离偏差值作为适应度函数. 通过基于改进罚函数的多目标进化算法对综合射频系统的阵列资源配置进行了多目标优化. 最后对优化结果进行了对比分析, 可为工程实践提供参考.

• 混合交叉熵算法求解复杂零等待流水线调度问题

  张梓琪,钱斌,胡蓉

  针对制造行业中广泛存在的一类复杂零等待流水线调度问题, 即带序相关设置时间和释放时间的零等待流水线调度问题(NFSSP SDSTs RTs), 建立问题的排序模型并提出一种混合交叉熵算法(HCEA)进行求解, 优化目标为最小化总提前和延迟时间. 首先, 设计了一种基于问题性质的快速评价方法, 有效降低评价解的计算复杂度. 其次, 采用交叉熵算法学习并积累优质解的结构特征, 建立概率模型对优质解的工件块分布进行有效地估计. 通过合理的采样和更新方法, 实现对解空间中优质区域的全局搜索. 然后, 为提高算法搜索效率, 设计带两种搜索策略的快速局部搜索方法, 对全局搜索发现的优质区域进行细致且深入的搜索. 最后, 仿真实验与算法对比验证了HCEA可有效求解NFSSP SDSTs RTs.

• 压缩空气储能系统模型预测控制

  徐晴晴,宋凯

  压缩空气储能作为一项新型物理储能技术, 利用模型预测控制可降低热力成本、提高能源利用效率. 为实现压缩空气储能系统的温度控制, 分析了压缩空气储能系统中的换热器系统、热能存储系统和盐穴储气系统的热力学特性, 建立压缩空气储能系统的集中参数和分布参数耦合系统模型. 设计耦合系统的模型预测控制策略, 针对控制器中复杂约束优化求解问题, 提出了基于Cayley–Tustin变换的离散化方法, 提高了压缩空气储能系统控制精度. 仿真结果表明模型预测控制可避免天气变化引起的干扰, 可以有效提高压缩空气储能系统热能利用.

• 分数布朗运动干扰下广义随机系统滑模控制

  李明,解静,考永贵,刘震

  本文考虑分数布朗运动干扰下时滞广义随机系统的基于观测器的滑模控制. 首先设计了不受分数布朗运动干扰的状态观测器, 然后给出了基于观测器的积分型滑模面函数的定义. 为了研究观测器系统有限时间随机有界性, 构造了带有二重积分的新型Lyapunov函数来处理分数布朗运动. 利用奇异值分解原理, 解决了观测器增益矩阵设计问题. 利用线性矩阵不等式和Gronwall不等式得到了系统随机有界性的充分条件. 同时给出了滑模面函数的有限时间可达性分析. 最后的数值仿真验证了所提方法的有效性.

• 求解分布式两阶段装配流水车间调度的帝国竞争–协作算法

  陈雅玲,雷德明

  针对分布式两阶段装配流水车间调度问题(DTAFSP), 提出了一种新型优化方法—帝国竞争–协作算法(ICCA)以最小化总延迟时间. 该算法在帝国竞争算法基础上, 结合历史进化数据, 提出一种基于最强帝国搜索能力与最弱帝国计算资源之间自适应交换的帝国间协作方法, 并给出一种新型帝国竞争策略, 以提高算法搜索效率. 进行了大量计算实验, 计算结果验证了ICCA策略的合理性和有效性以及它在求解DTAFSP方面较强的搜索优势.

• 基于多智能集成学习的中短期电煤价格预测

  廖志伟,陈琳韬,黄杰栋,张文锦

  为扩大电力市场交易量与下调市场电价, 需要提升电煤价格预测的可靠性与准确性. 为此本文提出了多智能集成学习的中短期电煤价格预测方法. 首先, 阐述了Stacking集成学习的结构和原理; 然后, 介绍了数种智能电煤价格的预测模型, 并通过算例证明了不同单智能模型对数据的感知能力存在差异性; 进而, 通过比较单智能模型预测结果的差异值均差, 筛选出预测性能优异并且数据感知角度差异性明显的智能模型组. 为了充分发挥个模型感知能力差异性的优势, 利用Stacking融合各模型, 得到一种适用于电煤价格滚动预测的集成模型. 最后, 通过滚动预测2019至2020年的电煤价格, 对集成模型的有效性进行验证.

• 面向工业过程难测参数建模的双窗口概念漂移检测

  孙子健,汤健,乔俊飞

  针对工业过程数据固有概念漂移特性导致软测量模型性能恶化、需识别漂移样本以有效更新模型等问题,提出一种面向工业过程难测参数建模的双窗口概念漂移检测方法. 首先, 在离群样本检测窗口采用支持向量回归获得实时过程数据中包含的离群样本; 接着, 在分布检测窗口计算离群样本与历史样本集间的欧氏距离; 最后, 结合多种分布检验方法, 新定义能够表征离群样本蕴含分布变化的检验漂移度指标, 进而实现漂移样本的有效识别.采用合成和真实工业过程数据集验证了所提方法的有效性, 表明具有优于已有方法的性能.

• 大规模空投中的多翼伞一致性控制算法

  孙昊,刘雪峰,刘靖雷,孙青林,陈增强

  翼伞大规模空投广泛用于物资运输或救援救灾, 可将大量物资或人员依次运输至指定目标位置, 通过分析可以看出其控制目标与多智能体一致性控制问题的控制目标高度一致, 但翼伞存在强非线性特性, 难以通过传统一致性算法实现精确控制和稳定性证明. 因此, 本文将采用八自由度动力学模型, 在充分考虑翼伞非线性动力学特性的基础上, 结合自抗扰控制与多智能体一致性控制策略, 设计分布式控制器, 并针对时延, 信号噪声, 可变通信拓扑等多外界干扰的基础上, 在有限时间内确保多翼伞的运动误差可收敛到一个包含零点的邻域内, 同时给出该控制器的稳定性证明.

• 使用网络节点信息传递策略的分布式优化新算法

  马文龙,付敏跃,张焕水

  本文基于统计学习中众所周知的信度传播理论来研究非线性凸优化问题的分布式算法. 通过对优化问题中的网络图中节点上和节点之间的计算以及信息传递过程的深入研究, 结合信度传播理论得出适合分布式优化算法的信息传递策略. 在集中式经典牛顿法和原始对偶方法框架下, 所提分布式算法通过网络中的信息传递策略来完成设计. 所提的分布式牛顿–拉夫森算法在无圈连通图情形下是集中式牛顿法的分布式实现. 所提分布式原始对偶算法在无圈图情形下有集中式原始对偶算法的收敛效果, 且对于有圈连通图也有较好的适应性和鲁棒性. 仿真实验说明了我们所提信息传递策略和算法的收敛效果和适合的应用场景.

• 考虑非线性奖惩机制的多主体主从博弈模型

  王乐乐,陈佳佳,焦丕华,赵艳雷,彭克

  本文针对以往电价机制仅由供方主导而缺乏电能供需双向调节功能的缺点问题, 构建了一个考虑双边非线性奖惩机制的电力市场多主体主从博弈模型, 以实现市场多主体的利益均衡. 首先, 在零售端提出了一种由供需双方共同参与且具有动态奖惩激励的电价机制. 其次, 在此基础上构建了一个以零售商为领导者、用户为跟随者的主从博弈模型, 同时利用演化博弈描述用户的动态选择过程. 然后, 证明了该主从博弈模型纳什均衡解的存在性,并设计了分布式算法进行求解. 最后, 通过算例分析证明了本文所提博弈模型的合理性, 并验证了电价机制在引导用户合理用电、保证供需平衡以及实现成本节约等方面的有效性; 同时仿真结果表明给出的分布式求解算法具有较快的收敛速度和良好的稳定性能.

• 采用RGB–D时空上下文模型的多目标遮挡跟踪算法

  万琴,朱晓林,肖岳平,孙健,王耀南,颜金娥,杨佳玉

  为了提高实时RGB–D目标遮挡跟踪精确度, 解决多目标遮挡跟踪容易发生模型漂移和跟踪丢失等问题, 本文提出一种基于RGB–D时空上下文模型的多目标遮挡跟踪算法. 首先获取多目标检测定位区域, 再通过目标时空上下文特征提取, 建立目标时间上下文模型、目标空间上下文模型构成目标RGB–D时空上下文模型; 然后在跟踪器判别跟踪状态时通过计算时间一致性进行颜色和深度特征自适应融合确定目标在当前帧位置; 最后, 当跟踪器判别多目标遮挡时引入深度概率, 利用深度概率信息特征进行约束, 通过最大后验概率(MAP)关联模型有效解决目标遮挡跟踪问题. 在公用数据集clothing store dataset和princeton tracking benchmark dataset上进行定性对比实验和定量结果分析表明, 本文提出的算法具有良好的遮挡跟踪性能, 能较好解决多目标遮挡跟踪问题, 提高目标遮挡跟踪的精确性和鲁棒性.

• 带工作休假和工作故障的M/M/1/N排队系统性能分析

  杨喜娟,李忠学,王海涌,武福

  本文在可修M/M/1/N排队系统中引入了启动时间、工作休假和工作故障策略. 在该系统中, 服务台在休假期间不是完全停止工作, 而是处于低速服务状态. 设定服务台在任何时候均可发生故障, 当故障发生时立刻进行维修. 且当服务台在正规忙期出现故障时, 服务台仍以较低的服务速率为顾客服务. 服务台的寿命时间和修理时间均服从指数分布, 且在不同的时期有不同的取值. 同时, 从关闭期到正规忙期有服从指数分布的启动时间. 本文建立此模型的有限状态拟生灭过程(QBD), 使用矩阵几何方法得到系统的稳态概率向量, 并应用基本阵和协方差矩阵理论, 计算出系统稳态可用度、系统方差、系统吞吐率、系统稳态队长及各系统稳态概率等系统性能指标. 同时, 通过数值实验对各系统参数对系统性能的影响进行了初探. 文中的敏感性分析体现了这种方法的有效性和可用性. 实验表明, 文中提出的模型, 可有效改善仅带有工作休假或工作故障策略排队模型的系统性能.

• MRMR和SSGMM联合分类模型的煤泥浮选系统药况图像识别

  曹文艳,王然风,樊民强,付翔,王宇龙

  为解决煤泥浮选过程依靠工人肉眼识别泡沫特征来调节药剂用量, 造成药剂浪费, 产品质量不合格的问题,提出一种MRMR和SSGMM联合分类模型的药况图像识别方法. 针对泡沫图像的形态、纹理、颜色特征与泡沫类别具有不同程度的相关性. 将精煤灰分作为泡沫的类别信息, 利用最大相关最小冗余(MRMR)算法筛选最优特征; 针对传统的高斯混合模型(GMM)在聚类时, 存在结果需人为判断实现分类的问题, 通过引入少量已知加药状况下的泡沫图像特征样本对其改进, 构建半监督高斯混合模型(SSGMM)泡沫图像聚类器. 将优选的且具有少量先验标签信息的多维泡沫图像特征融合到SSGMM聚类模型中, 利用少量的标记样本引导聚类, 并将其标签信息映射给聚类结果实现自动分类. 实验表明, 这种联合分类模型提高了泡沫识别的准确性, 为药剂用量的准确控制与精煤产品质量提供了关键技术支持.

• 广义非线性扩张状态观测器设计及性能分析

  张世华,齐晓慧,万慧

  针对时变外扰, 提出广义非线性扩张状态观测器设计方法. 在分析传统扩张状态观测器的设计策略的基础上, 通过对总扰动进行重构、引入广义扩张状态, 设计反映扰动中已知分量的广义扩张状态观测器(扩张r +1阶). 理论分析了观测器的收敛性, 并得出了观测误差上界与扩张阶数的定量关系式. 通过仿真对广义扩张状态观测器抑制外界正弦扰动的有效性进行检验, 数值模拟结果表明, 本文设计的观测器能够有效利用扰动中已知分量的信息, 降低系统的不确定性, 提高观测精度.

• 热波耦合系统的指数镇定及其H∞鲁棒性

  金雪莲,张思佳,郑福

  本文对具有边界观测和同位控制的一维热波耦合系统的指数镇定进行了研究. 当控制为零时, 系统是多项式稳定的. 本文设计2种反馈方式–静态负比例反馈和动态反馈, 利用Lyapunov函数直接法, 得到在2种反馈下闭环系统是指数稳定的. 此外, 并对2种控制的H∞鲁棒性进行了分析, 给出了相应的充分条件.

• 基于动态高效潜结构投影的质量相关故障检测

  孔祥玉,王晓兵,罗家宇,杨治艳

  高效潜结构投影(EPLS)算法是一种反映过程变量与质量变量相关关系的多变量统计分析方法, 在质量相关故障检测中具有良好的检测效果. 然而EPLS算法是一种静态检测模型, 不能反映实际工业过程或装备测试中的动态特性, 对动态过程中质量相关故障的检测率较低. 为此, 本文提出了一种基于自回归移动平均模型(ARMAX)的动态高效潜结构投影(D–EPLS)检测算法. 该算法首先基于输入时滞值构建增广矩阵, 反映工业以及装备测试过程中的动态特性; 然后将增广矩阵分解为质量相关和质量无关空间分别进行故障检测; 最后通过数值仿真和田纳西伊斯曼过程(TEP)验证算法有效性. 实验结果表明所提算法能够更好的适应动态过程, 并全面提高了质量相关故障的检测率.

• 欠驱动RTAC的滑模自抗扰镇定控制

  檀盼龙,秦华阳,孙明玮,刘俊杰,孙青林,陈增强

  针对欠驱动RTAC (rotational/translational actuator)的镇定问题, 提出了一种滑模自抗扰控制方法, 通过对总扰动的观测和补偿降低了未知扰动对RTAC的影响. 为克服RTAC的欠驱动特性, 所提方法通过将可驱动的摆球角度和无驱动的小车位置两个状态相结合, 构建出虚拟被控量作为系统输出, 从而使RTAC的动力学模型转换为非欠驱动模型. 基于重建的模型设计线性扩张状态观测器(linear extended state observer, LESO)和滑模控制器, 并采用Lyapunov方法证明RTAC的闭环稳定性, 实现了RTAC的镇定控制, 有效抑制了小车的振荡. 最后, 通过数值仿真和硬件实验验证了所提控制方法的有效性, 与已有方法的对比分析证明该方法具有良好的控制性能.

• 基于网格细胞模型的类脑大尺度空间矢量导航方法

  谷雨,赵修斌,代传金

  动物和人类可以使用感官中不完整的空间信息来快速定位其当前位置并导航到目标, 为未知环境下的矢量导航提供了生物模型. 本文针对基于连续吸引子模型和余数系统的大尺度空间矢量导航方法所存在的鲁棒性问题, 提出了一种基于振荡干扰模型和逐级模糊度确定法的大尺度空间矢量导航方法. 仿真结果表明, 在2%的测量噪声条件下, 该方法可以在245 m*245 m*sin 60° 的大尺度环境下准确解算出位置矢量, 并且每个维度中位置的解算精度可以达到1 cm以内, 有效提高了大尺度空间内矢量导航的鲁棒性.