控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第1期

• 自适应事件触发网络化非线性系统滤波器设计

  相赟,林崇,陈兵

  本文针对网络化非线性控制系统设计了基于自适应事件触发方案满足H∞性能的模糊滤波器. 第一, 提出新的自适应事件触发方案来决定数据包是否需要传输到通信网络中, 从而提高网络资源利用率; 第二, 运用模糊线积分的方法, 构建模糊李雅普诺夫泛函, 避免求解隶属函数的时间微分; 第三, 利用Wirtinger不等式及倒凸引理结合的技术, 得到滤波误差系统满足H∞性能的充分条件; 第四, 将滤波误差系统建模为时滞系统, 在此框架下, 实现自适应事件触发参数与滤波参数共同设计. 最后, 通过两个数值例子验证本文所提方法的有效性.

• 车载惯性稳定平台的神经网络滑模控制

  贾桐,李秀智,张祥银

  三轴车载惯性稳定平台为复杂的MIMO非线性系统, 针对其在不确定扰动下的伺服控制问题, 本文设计了一种神经网络反演滑模控制器(NNBSMC). 首先, 选用反演法对其解耦, 同时引入滑模控制律增加系统的抗干扰性;其次针对框架间的非线性摩擦力与系统耦合选用RBF神经网络作为扰动估计器, 以便实时估计与补偿; 然后采用前向增稳通道应对建模参数不精确以保证系统的稳定性. 最后, 利用Lyapunov定理分析了闭环系统的稳定性, 在伺服控制与姿态锁定的仿真实验中分别与双环PID、滑模控制和反演滑模控制作对比, 结果验证了提出的控制算法的有效性和鲁棒性.

• 无人驾驶车辆稳态漂移的无模型自适应控制

  王洪斌,左佳铄,刘世达,郑维,王力

  本文引入一种基于无模型自适应控制算法的无人驾驶车辆稳态漂移控制方案. 首先, 对车辆漂移动态过程进行动力学分析, 其次, 确定控制系统的控制输入量和控制目标, 然后基于无人驾驶车辆稳态漂移控制系统的动态线性化数据模型, 设计无模型自适应稳态漂移控制算法、伪雅可比矩阵估计整定算法和伪雅可比矩阵重置算法, 从而实现无人驾驶车辆的稳态漂移过程. 该无模型自适应控制方法仅使用车辆运行时的输入输出数据, 无须进行复杂建模, 实现了良好的动态控制结果, 具有的良好自适应性. 最后, 通过数值仿真验证了控制算法的有效性.

• 形状记忆合金手指系统的输出力自适应控制

  李晓光,张弼,张道辉,赵新刚,韩建达

  形状记忆合金(SMA)是智能材料中的一种, 具有功率重量比大、质量轻、无噪音等特性. 作为驱动器有利于结构的小型化和轻型化. 然而SMA的非线性、多映射的迟滞特性严重影响了输出力的精确控制. 为此, 本文提出了基于扰动补偿策略的自适应控制方法用于SMA输出力的精确控制. 首先, 搭建了SMA驱动的手指实验装置, 建立了机理模型; 其次, 采用状态观测器对系统的总扰动进行了实时估计; 最后, 基于机理模型设计了自适应控制器, 并进行了阶跃信号、正弦信号、抗负载扰动实验. 实验结果表明, 基于扰动补偿的自适应控制方法不需要系统精确建模, 参数调节方便. 在保证系统稳定和跟踪精度的同时, 具有较强的鲁棒性.

• 直拉硅单晶非均匀相变温度场最优控制

  张晶,刘丁,杜燕军

  针对直拉硅单晶固液界面相变温度场的非均匀性导致晶体直径不均匀问题, 提出一种基于偏微分方程(PDE)模型的温度场最优控制策略. 考虑生长速率波动的影响, 建立了一种改进的提拉动力学模型, 确定了域边界演化动力学关系. 研究基于抛物型PDE的时变空间域对流扩散过程的温度模型, 描述了域运动在对流扩散系统上的单向耦合. 针对无限维分布参数系统建模控制难问题, 采用谱方法进行系统近似, 选取整个空间域的全局和正交的空间基函数, 通过Galerkin方法对无限维系统进行降维, 获得了该系统的近似模型. 采用线性二次型方法控制晶体生长温度, 通过仿真实验对相变温度场模型进行验证. 结果表明, 优化后的模型能够获得较为平稳的晶体生长速率,减小了生长直径的波动, 使得固液界面径向温度分布更加均匀, 验证了该方法的有效性.

• 船舶航向保持运动的间接自回归历遍模型建模

  卢秋铸,吴军,陈佰健,杨鑫

  本文针对船舶航向保持过程提出了一种间接的建模方法来描述船舶舵角与艏摇角之间的关系. 建模数据来源于东京海洋大学实验船舶“夕路丸”的真实航行数据. 首先, 以船舶舵角为输入船舶艏摇角速度为输出, 建立一个过渡自回归历遍(ARX)模型; 然后根据艏摇角速度和艏摇角间的差分关系, 得到最终的ARX模型. 再多组测试数据下, 与机动建模组(MMG)模型和直接ARX模型的长期预测性能做了比较. 仿真结果显示, 本文提出的间接建模方法对船舶的航向保持过程有更好的长期预测效果.

• 基于特征迁移学习的综合能源系统小样本日前电力负荷预测

  孙晓燕,李家钊,曾博,巩敦卫,廉智勇

  基于历史数据和深度学习的负荷预测已广泛应用于以电能为中心的综合能源系统中以提高预测精度, 然而, 当区域中出现新用户时, 其历史负荷数据往往极少, 此时, 深度学习难以适用. 针对此, 本文提出基于负荷特征提取和迁移学习的预测机制. 首先, 依据源域用户历史负荷数据, 融合聚类算法和门控循环单元网络构建源域数据的特征提取和分类模型; 然后, 利用该模型提取当前待预测目标域小样本的特征及其类别信息, 进而给出基于特征相似度和时间遗忘因子的特征融合策略; 最后, 依据融合特征, 给出基于迁移学习和特征输入的负荷预测. 将所提算法应用于卡迪夫某区域的高中和住宅用电预测中, 实验结果表明了该算法在综合能源系统小样本电力负荷预测中的有效性.

• 航天机电伺服系统的自抗扰控制

  魏泽宇,许文波,张国林,于丹,王贺龙

  航天机电伺服系统作用是接收火箭控制系统的指令信号并带动空气舵或者喷管跟随指令信号运动, 其在应用上的主要特点是负载特性变化大. 传统的PID算法在航天机电伺服系统上的应用已经比较成熟, 但是在空气舵或者喷管本身负载特性发生改变时, 传统的PID算法的控制效果会明显下降. 因此, 本文建立了航天机电伺服系统柔性运动模型, 并提出了将自抗扰控制(ADRC)技术应用到航天伺服系统的控制中, 实现对负载的总扰动进行实时估计和补偿. 通过仿真和实验发现自抗扰控制器能够应对系统内部参数变化和外部扰动的不确定性. 同时, 自抗扰控制器对扫频信号具有低频范围内跟随良好, 高频范围内衰减显著的特性.

• 传输时延环境下信息物理融合系统中恶意病毒传播的 稳定性与分岔分析

  王璐,肖敏,周帅,张跃中

  本文考虑到恶意病毒在信息物理融合系统中的传播具有时延性, 基于非线性动力学理论建立了一类更具一般性的含有时滞的恶意病毒传播模型. 通过选取时滞作为分岔参数, 并讨论相关的特征方程, 研究了时滞对系统局部稳定性和Hopf分岔的影响. 研究发现, 系统的动力学行为依赖于分岔的临界值. 此外, 给出了保证系统稳定性和产生Hopf分岔的条件. 最后, 通过数值仿真验证了理论分析的正确性.

• 基于二重势函数法的集群航路规划

  陈天德,黄炎焱,李琛

  人工势场法由于其在构型组织能力上的不足, 影响了该方法在集群航路规划上的应用, 为此提出基于二重势函数法的集群航路规划法, 通过第一重势能场形成集群到目标的可行路径, 通过第二重势能场形成构型, 从而实现集群航路规划. 此外, 针对人工势场法存在无谓避碰、陷阱问题等不足, 通过引入碰撞危险度来确定障碍物影响距离以及虚拟障碍物, 提出改进的人工势场法. 所有改进措施均未改变简单且易于执行的传统势函数模型, 为采用人工势场法实现集群航路规划提供了一种思路. 仿真结果表明改进的人工势场法很好的克服了不足, 所得路径也较为平滑, 且以该方法为基础所构成的集群航路规划法在集群航路规划上具有较好的表现.

• 分数阶多机器人的领航–跟随型环形编队控制

  伍锡如,邢梦媛

  针对多机器人系统的环形编队控制复杂问题, 提出一种基于分数阶多机器人的环形编队控制方法, 应用领航–跟随编队方法来控制多机器人系统的环形编队和目标包围, 通过设计状态估测器, 实现对多机器人的状态估计.由领航者获取系统中目标状态的信息, 跟随者监测到领航者的状态信息并完成包围环绕编队控制, 使多机器人系统形成对动态目标的目标跟踪. 根据李雅普诺夫稳定性理论和米塔格定理, 得到多机器人系统环形编队控制的充分条件, 实现对多机器人系统对目标物的包围控制, 通过对一组多机器人队列的目标包围仿真, 验证了该方法的有效性.

• 基于特征约简与选择性集成算法的城市固废焚烧过程二噁英排放浓度软测量

  汤健,乔俊飞,徐喆,郭子豪

  城市固废焚烧(MSWI)排放的污染物二噁英(DXN)对生态环境与人类健康具有极大危害, 其浓度的实时检测对MSWI过程运行优化和城市污染控制至关重要. 具有痕量特性的DXN排放浓度不能实时检测, 机理模型难以构建, 并且其与过程变量间的映射关系复杂. 针对上述问题, 本文提出了一种基于特征约简和选择性集成算法的DXN排放浓度软测量方法. 首先, 对在线采集的MSWI过程变量和离线化验的DXN排放浓度数据进行预处理, 获得具有小样本高维特性的建模样本; 接着, 基于变量投影重要性(VIP)值和特征约简比率值确定模型输入特征; 最后, 基于操纵训练样本的集成构造策略构建自适应确定核参数的选择性集成模型. 采用国外文献和国内工业MSWI过程的DXN排放浓度数据仿真验证了所提方法的有效性.

• 融入迁移限制与双层集合种群网络的传染病模型

  顾秋阳,琚春华,张双竹

  本文在斑块环境下基于易感–感染–易感模型(SIS模型)研究了感染者迁移限制对传染病传播的影响, 其中迁移限制用双层网络进行表示, 并提出了双层集合种群动态网络. 子种群(即斑块)用双层网络上的节点表示, 双层网络上的链接分别代表易感节点斑块和感染节点斑块间的迁移路径, 易感染和感染节点分别通过双层网络上的链接随机游走. 并提出了两种反应扩散方程分别作为易感染与感染节点的微分方程, 分别计算其数值解, 以评估每个斑块(节点)的感染风险. 研究表明: 在双层网络中, 迁移限制会降低感染节点密度, 将感染节点限制在中心节点(度值最高的子种群)中. 感染节点密度高度依赖于双层网络结构

• 基于集成知识蒸馏的肺病分析

  李坚强,王成,黄志超,陈杰

  新冠肺炎以来, 肺部疾病引起了人们更大的关注. 肺音的特征与诊断是肺病理学中重要的组成部分. 现有的肺音分析工作主要是对肺音的类型进行分类, 分类肺病的研究较少. 另外, 单个分类模型无法在保护隐私的前提下融合多方数据, 复杂的模型也难以保证分类的实时性. 针对这些问题, 本文提出集成知识蒸馏的肺疾病分类模型.首先从肺音音频中提取梅尔频谱特征, 然后建立多个二分类卷积神经网络模型作为教师模型, 最后通过集成知识蒸馏技术, 将多个教师模型的知识集成到一个精简的多分类学生模型上. 实验表明, 该模型能够在预测准确率达95%的情况下, 参数量比教师模型减少79%, 预测速度提升20%. 在同等条件下, 时耗仅有MobileNet–v3–small模型的6%,实现实时性肺疾病分析.

• 基于等价输入干扰滑模观测器的磁悬浮球系统模型预测控制

  王军晓,陈林杰,俞立

  本文针对系统不确定性和外部干扰引起的磁悬浮球系统控制性能下降的问题, 提出了一种基于等价输入干扰滑模观测器的模型预测控制(MPC+EIDSMO)方法. 首先将原系统转化为EID系统, 采用等价输入干扰滑模观测器对EID系统状态变量及等价输入干扰进行估计; 然后基于状态估计值设计模型预测控制器, 并将等价输入干扰估计值以前馈的方式补偿后得到最终的复合控制律, 实现对参考位置跟踪的快速性, 准确性以及对总扰动的鲁棒性.值得注意的是, 与传统EID结构中的龙伯格观测器相比, 等价输入干扰滑模观测器中增加的非线性观测误差反馈项有助于提高状态估计的快速性和精确性. 从理论上证明了该系统是全局一致毕竟有界的. 仿真和实验结果表明, 相较于基于EID观测器的模型预测控制方法和基于龙伯格观测器的积分模型预测控制方法, 所提方法提高了磁悬浮球系统的跟踪性能, 并且有效的抑制了系统不确定性和外部干扰.

• 一类机械臂系统自适应有限时间有界H∞跟踪控制

  李小华,杨瑞芳,刘辉,何帅

  考虑一种电机驱动的单连杆机械臂系统在受到输出约束时的自适应有限时间H∞跟踪控制问题. 一个有限时间有界H∞性能的新概念被提出, 并结合障碍Lyapunov函数(BLF)、神经网络自适应技术、有限时间控制理论和H∞控制理论, 提出了一种该系统在输出受限条件下的自适应神经有限时间有界H∞跟踪控制器设计方法, 避免了许多有限时间控制文献中控制器设计时出现的奇点问题, 实现了该机械臂系统的有限时间有界H∞轨迹跟踪控制.所设计的控制器保证了系统跟踪误差能够被约束在预先给定的范围内, 并且所有状态能在有限时间内收敛到平衡状态的邻域内, 同时对外部扰动具有H∞性能. 仿真结果验证了所设计控制器的有效性和优越性

• 微型钻头端刃侧刃缺陷的全景式视觉检测技术

  崔旭东,曹普信,王平江

  在微钻生产中采用机器视觉方法进行缺陷检测时, 其难点在于一次拍摄就获得微钻侧刃的完整的、高分辨率的图像. 当采用高倍率光学镜头时, 又产生视野与检测范围的矛盾. 为解决该矛盾, 本文创造性地设计了一套内锥镜面反射成像装置, 既可获得微钻端刃的清晰图像, 又可获得整个微钻侧刃的清晰图像, 使得微钻缺陷的全自动视觉检测成为可能. 试验结果表明, 本文研发的微钻全景式视觉检测系统, 能够满足微钻生产中的自动化检测需求.

• 基于累积平方误差–总平方波动指标的模型预测控制器性能评价及自愈

  张浩,赵众

  本文针对模型预测控制器实际投运中遇到性能下降问题, 提出了一种基于累积平方误差(ISE)–总平方波动(TSV)指标的模型预测控制器性能评价及自愈方法. 先基于累积平方误差(ISE)和总平方波动(TSV)指标对模型预测控制器进行实时性能评价, 再根据无限时域模型预测控制器(MPC)的逆特性, 基于ISE–TSV指标的分析, 提出了一种MPC控制器的鲁棒自愈方法. 在二级倒立摆的模型预测控制仿真与实验结果证明了所提自愈方法的可行性及有效性.