控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第4期

• 一类输入饱和非仿射非线性系统的非线性动态逆控制

  杨浩,裴海龙

  输入饱和是实际系统中经常遇到的问题, 很多已有的控制方法要求被控系统具有仿射结构. 本文针对一类具有输入饱和的非仿射纯反馈非线性系统提出了一种基于奇异值摄动理论的非线性动态逆控制方法. 首先构建一个快变子系统, 在慢时间尺度下将非仿射非线性系统转换为具有仿射结构的线性系统, 从而应用已有的控制算法实现控制目的. 为了消除输入饱和带来的影响, 建立一个中间子系统对理想控制量与输入饱和限制下控制量的差进行估计和补偿. 所提出的控制方法不依赖于被控系统固有的时标分离特性, 并能证明闭环系统指数跟踪参考轨迹.该方法具有良好的扩展性, 可以根据实际需求与多种控制算法相结合. 与动态面控制器和传统近似动态逆控制器的对比仿真结果验证了本文控制方法的有效性.

• 带有干扰观测器的线控转向系统复合自适应神经网络控制

  王云龙,王泽政,王永富,赵晶

  考虑车辆线控转向(SbW)系统存在不确定动态特性以及外界干扰影响. 本文提出一种带有干扰观测器的复合自适应神经网络实现SbW系统的精确建模与稳定控制. 首先, 利用神经网络在线逼近系统不确定动态, 避免控制器设计中使用到系统模型的先验知识. 然后, 结合系统的跟踪误差与建模误差提出一种新的复合自适应学习率来更新神经网络的权值, 从而加快跟踪误差的收敛速度. 最后通过设计干扰观测器补偿系统受到摩擦力矩、回正力矩与神经网络逼近误差的影响, 提高了系统的抗干扰能力. 李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的跟踪误差信号一致最终有界. 数值仿真与硬件在环实验结果验证了该控制方法的有效性和优越性.

• 主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

  张钊,杨忠,段雨潇,廖禄伟,卢凯文,张秋雁

  为了获得更好的环境适应性, 研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器. 飞行器的变形主要分为两种: 机臂伸缩和折叠. 为抑制系统所受内外扰动影响, 设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器. 首先对主动变形四旋翼结构进行设计, 使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型, 然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化, 接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器, 最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿. 仿真结果表明, 本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力, 在飞行过程中可以良好地进行变形, 能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰, 具有较强的稳定性和抗扰性, 同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.

• 网联车辆协同巡航系统快速滚动时域状态估计

  何德峰,俞芳慧,徐晨辉

  考虑云平台监控下的网联车辆协同自动巡航控制(CACC)系统, 提出一种快速滚动时域估计方法. 采用网联车队纵向动力学模型描述网联车辆CACC系统, 降低网联车辆CACC系统的状态能观性要求. 再应用块概念设计滚动时域估计算法的噪声块结构, 压缩滚动时域估计问题的优化变量个数, 从而减少其在线计算量. 进一步, 应用李雅普诺夫稳定性定理证明估计误差系统的渐近稳定性. 最后以5车网联车队系统仿真验证所提算法的有效性.

• 基于最优密度方向的等距映射降维算法

  梁少军,张世荣,孙澜琼

  等距映射算法(ISOMAP)是一种典型的非线性流形降维算法, 该算法可在尽量保持高维数据测地距离与低维数据空间距离对等关系的基础上实现降维. 但ISOMAP容易受噪声的影响, 导致数据降维后不能保持高维拓扑结构. 针对这一问题, 提出了一种基于最优密度方向的等距映射(ODD–ISOMAP)算法. 该算法通过筛选数据的自然邻居确定每个数据沿流形方向的最优密度方向, 之后基于与各近邻数据组成的向量相对最优密度方向投影的角度、方向和长度合理缩放局部邻域距离, 引导数据沿流形方向计算测地距离, 从而降低算法对噪声的敏感度. 为验证算法有效性, 选取了2类人工合成数据和5类实测数据作为测试数据集, 分别使用ISOMAP, LLE, HLLE, LTSA, LEIGS,PCA和ODD–ISOMAP算法对数据集降维, 并对降维数据进行K-mediods聚类分析. 通过比对聚类正确率以及不同幅度噪声对此正确率的影响程度评价各算法降维效果优劣. 结果表明, ODD–ISOMAP算法较其他6种常见算法降维效果提升显著, 且对噪声干扰有更强的抵抗能力.

• 永磁同步电机有限时间预设性能控制

  陈子印,林喆,贾鹤鸣,王鹏

  为实现扰动作用下对永磁同步电机角位置伺服系统的高瞬态和稳态跟踪性能控制, 本文提出一种具有预设性能约束的有限时间控制方法. 首先, 设计扰动观测器实现对负载力矩扰动的估计与补偿. 其次, 引入有限时间预设性能函数以保证角跟踪误差的动态性能, 并通过可逆变换将受不等式约束的角位置跟踪误差转换为等效的无约束误差形式. 然后, 将有限时间指令滤波反步法应用于控制器设计中, 不仅可以避免“微分爆炸”的现象, 而且能够保证跟踪误差的有限时间内收敛. 最后, 通过仿真实验验证了该算法的有效性和对扰动的鲁棒性.

• 基于集成局部费舍尔判别分析的故障分类

  钟凯,徐明星,韩敏

  实际工业过程数据的局部特性一般都较为复杂, 不利于样本特征的提取和故障分类精度的提高. 针对此问题, 本文提出一种集成的局部费舍尔判别分析(ILFDA)模型, 可以同时从变量和样本两个维度挖掘数据的局部结构特征, 提高故障分类的性能并降低建模的难度. 首先, 根据过程的结构原理对复杂系统进行分块, 从而可以有效获取变量维度的数据局部信息, 并排除无关变量的影响. 其次, 针对样本维度的数据局部信息, 在每个变量子块中分别建立局部费舍尔判别分析(LFDA)模型, 并为每个局部模型分配相应的权值, 从而可以更准确地衡量不同子块对当前故障的影响程度. 最后, 利用分类性能加权策略将各个子块的分类结果进行融合. 田纳西–伊斯曼(TE)过程中的仿真结果验证本文所提的ILFDA方法具有更好的故障分类效果.

• 用于清洗绝缘子的四旋翼无人机抗回冲力控制

  万能,白若蓉,汪晓,郭可贵,季海波

  本文主要针对利用四旋翼无人机清洗绝缘子时受到的回冲力干扰及姿态控制问题, 提出了一种用于清洗绝缘子的无人机抗回冲力控制方法. 对于无人机系统, 本文运用非线性控制方法中的反步法来设计姿态控制器, 使其达到输入状态稳定, 并对外部扰动具有鲁棒性. 本文首先根据无人机运动模型建立了其动力学方程. 之后, 运用动量定理和流体力学中的伯努利方程对所受的回冲力进行建模. 然后, 运用反步法设计姿态控制器并证明其稳定性. 最后，运用MATLAB对无人机系统进行仿真实验, 其结果证明了文中所提出的控制方法的有效性和鲁棒性. 本文所提出的控制方案可以避免目前已有的一些技术存在的缺陷, 并且为无人机抗扰动控制和绝缘子冲洗都提供了发展空间.

• 一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制

  王立新,赵丁选,刘福才,刘谦,张祝新

  为解决一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制器设计过程中面临的阶次选择问题, 本文从系统特性、频域等角度, 分析自抗扰框架中“积分器串联结构”与轻载电液位置伺服系统之间的内在联系, 得到轻载电液位置伺服系统在自抗扰控制框架下是本质“一阶”系统的结论, 从而合理设计了1阶线性自抗扰控制器. 在此基础上, 提出了有效的控制器参数整定方法, 并分析了闭环系统的稳定性. 仿真和试验结果表明, 与高阶相比1阶线性自抗扰控制器可以更好地控制动态过程较快、负载较轻的惯性负载电液位置伺服系统, 为自抗扰控制在液压伺服领域的工程应用提供了参考.

• 基于可靠性的鲁棒模糊聚类

  潘金艳,高朋,高云龙,谢有为,熊裕慧

  相比于k-means算法, 模糊C均值(FCM)通过引入模糊隶属度, 考虑不同数据簇之间的相互作用, 进而避免了聚类中心趋同性问题. 然而模糊隶属度具有拖尾和翘尾的结构特征, 因此使得FCM算法对噪声点和孤立点很敏感; 此外, 由于FCM算法倾向于将各数据簇均等分, 因此算法对数据簇大小也很敏感, 对非平衡数据簇聚类效果不佳. 针对这些问题, 本文提出了基于可靠性的鲁棒模糊聚类算法(RRFCM). 该算法基于当前的聚类结果, 对样本点进行可靠性分析, 利用样本点的可靠性和局部近邻信息, 突出不同数据簇之间的可分性, 从而提高了算法对噪声的鲁棒性, 并且降低了对非平衡数据簇大小的敏感性, 得到了泛化性能更好的聚类结果. 与相关算法进行对比,RRFCM算法在人造数据集, UCI真实数据集以及图像分割实验中均取得最优的结果.

• 推力矢量飞机鲁棒故障检测与辨识和 指令滤波容错控制系统设计

  李炳乾,钱坤,严浩,王发威

  针对推力矢量飞机(TVA)在超机动飞行中的舵面故障、执行器故障、参数摄动和外界干扰等问题, 提出了一种鲁棒故障检测与辨识和指令滤波容错控制(RFDI–CFFTC)系统设计方法. 首先针对TVA故障模型提出了一种基于多观测器的RFDI 机制, 通过引入自适应律和观测器来补偿参数摄动和外界干扰的影响, 实现对舵面故障和执行器故障的准确检测与辨识, 同时准确估计故障程度; 然后在RFDI的基础上, 设计了CFFTC容错控制律, 实现包容舵面故障、执行器故障、参数摄动和外界干扰的TVA容错控制, 同时改善了传统反步法中的“微分爆炸”问题; 最后对RFDI–CFFTC系统的稳定性进行了证明. MATLAB/Simulink仿真验证了本文方法的有效性.

• 非线性随机多智能体系统的固定时间一致性

  陈世明,黎力超

  本文研究了在固定拓扑和切换拓扑下, 非线性随机多智能体系统的固定时间一致性问题. 首先针对固定拓扑, 设计了一种非线性控制协议, 利用随机Lyapunov稳定性理论和代数图论给出了实现固定时间一致性的充分条件和收敛时间的上界值, 随后将结论推广至切换拓扑, 设计的切换拓扑子图的并集只需要满足连通条件, 即可实现固定时间一致, 模型更具一般性. 最后, 两个仿真实例进一步验证了理论结果的有效性.