控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第6期

• 基于预设性能的船舶直流微电网终端滑模反推控制

  许德智,张威,杨玮林,夏岩

  为了解决船舶直流微网中负载突变带来的直流母线电压波动问题, 本文首先在微网中引入混合储能系统并构建船舶直流微网的数学模型, 接着采用一阶低通滤波的策略分配差额功率, 最后设计了一种基于预设性能的终端滑模反推控制策略. 在控制器中引入预设性能函数, 使直流母线的跟踪误差按照预设的曲线进行快速收敛, 定义跟踪误差的终端滑模面并利用反推的方法求解出控制器, 最后对整个闭环控制系统的稳定性进行了证明. 通过MATLAB/Simulink仿真, 并与PI、反推控制策略进行对比, 突显所设计的控制策略在稳定直流母线电压、减小调节时间、加快负荷响应速度等方面的有效性与优越性.

• 基于均值改进控制策略的昂贵约束并行代理优化算法

  林成龙,马义中,肖甜丽

  针对具有黑箱特性的昂贵约束优化问题及工程中计算资源利用率不高问题, 提出了新的基于均值改进控制策略的并行代理优化算法. 该算法为了减少仿真建模计算负担, 选取Kriging近似模型对目标函数和约束函数进行近似估计. 在Kriging模型基础上, 利用均值改进与新增试验样本间的不等关系构建具有距离特性的控制函数. 算法的均值改进控制策略通过控制函数调整最大改进值, 实现样本设计空间的多点填充. 算法适用范围: 1) 计算成本主要来自于仿真估计而非优化; 2) 复杂的工程或商业软件内部无法修改的昂贵仿真问题. 数值算例和仿真案例表明: 该算法可有效获取近似最优解, 减少仿真试验次数的同时弱化均值改进准则的贪婪特性. 相比于其他多点填充策略, 均值改进控制策略可有效提升算法计算效率. 此外, 算法获取优化问题近似最优解的稳定性和精度均具有一定优势.

• 四轮独立驱动电动汽车转向稳定控制

  于树友,李文博,刘艺,陈虹

  四轮驱动电动汽车在中高速转向行驶过程中, 轮胎的非线性特性会使得汽车出现大摆动、侧滑、过度或不足转向等安全问题. 针对可能出现的问题, 提出了四轮驱动电动汽车转向稳定分层控制策略. 上层横摆稳定控制器采用基于图表的滑模控制算法规划出使车辆转向稳定的附加横摆力矩. 下层转矩优化分配控制器采用模型预测控制方法实现4个轮胎的转矩分配, 保证车辆转向行驶安全性. 仿真结果表明所设计的控制策略能够有效保证车辆的稳定转向行驶.

• 基于神经网络的欠驱动水下机器人三维同步跟踪和镇定控制

  方凯,姚佳琪,李家旺

  研究了欠驱动水下机器人的三维同步跟踪和镇定控制问题, 并考虑了模型参数不确定性、未知外界干扰和输入饱和限制的影响. 针对不同类型期望轨迹的特性, 构造了新的辅助虚拟信号以实现对欠驱动方向的控制. 基于反步法和Lyapunov直接法, 设计了一种饱和自适应统一动力学控制律, 使得AUV的状态误差最终收敛至零点附近的有界区域内, 其中未知模型参数和外部干扰通过基于神经网络的更新律进行估计. 仿真结果表明该控制方法是有效的且具有较好的控制效果.

• 多阶邻接分布熵下的复杂网络节点相似性分析方法

  王小刚,闫光辉,周宁

  为弥补宏观网络结构熵描述整体结构信息却忽略局部, 而微观熵描述节点信息又较浅层单一的不足, 提出一种节点多阶邻接分布熵, 以度量节点多阶邻居的分布特征信息, 便于在自定义阶数尺度上分析复杂网络结构. 该熵随多阶邻居阶数的增长而增大, 并在节点的离心率处收敛. 在给定的尺度下, 节点各阶邻居分布越均匀则多阶邻接熵越大. 基于多阶邻接分布相对熵, 比较节点间多阶邻居分布的差异, 从而以一种新的视角分析节点相似性, 并与其他有代表性的节点相似性方法进行了实验对比, 在互相似比和传播能力指标上, 取得了更好的结果.

• 不对称欠驱动水面机器人事件触发全局渐近镇定控制

  王锐,司昌龙,马慧,郝程鹏

  本文研究了不对称欠驱动水面机器人事件触发全局渐近镇定控制问题. 首先, 引入坐标变换将系统全局渐近镇定控制问题转化为变换后模型欠驱动子系统的全局渐近镇定控制问题, 利用周期时间函数构造时变辅助变量提出了一种时变连续的镇定控制律, 并结合切换门限事件触发机制设计实际的事件触发推力与力矩控制输入使闭环系统全局渐近稳定. 所提出的方法仅在系统满足触发条件时对控制器进行更新, 能够节约系统资源以及减少执行器操纵次数, 同时不会降低原有的控制品质. 最后, 通过仿真验证了所提出方法的有效性.

• 井下调度运输的自动调度策略研究

  李文宏,郑建志

  为了提高煤矿井下机车调度效率和实现井下调度系统自动化, 基于Petri网理论知识结合实际井下矿场路况建立机车调度Petri网模型, 然后对Petri网模型添加限制库所和变迁使其调度过程无死锁, 并通过理论证明了该调度模型是无死锁和冲突的, 可以指导机车井下运输调度. 然后在机车调度规则下针对不同的井下机车调度相关参数, 提出了3种不同情况下的机车最优调度策略, 并通过验证实际矿场参数后的分析证明了该调度策略下机车的调度是不触发死锁情况下的最优调度. 最后通过仿真实验以及实际应用证明了该调度策略的正确性和完备性, 为井下运输的自动调度提供了理论基础.

• 作业型飞行机器人动态滑翔抓取的鲁棒自适应控制

  张振国,陈彦杰,占巍巍,何炳蔚,林立雄,王耀南

  作业型飞行机器人是指将多自由度机械臂固连在飞行机器人上的一类新型机器人系统, 它能够对周围环境施加主动影响, 同时也存在较为复杂的动力学性能. 本文针对作业型飞行机器人滑翔抓取物体时所受到的摩擦力和接触力问题以及在飞行过程中产生的转动惯量变化问题, 设计了一种整体式鲁棒自适应控制策略. 首先在作业型飞行机器人系统动力学建模中引入摩擦力和接触力模型, 考虑飞行机器人转动惯量为有界变量, 提高了建模和抓取的精度. 然后, 为减弱滑翔抓取产生的剧烈扰动对飞行控制性能的影响, 设计了一种抗扰动的鲁棒自适应控制器, 并使用区间矩阵法对转动变量变化进行补偿控制. 接着, 通过Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性. 最后通过仿真对比实验, 验证了所提出方法的有效性和优势.

• 具有清洗工艺的单臂组合设备终止暂态调度

  潘春荣

  随着多品种小批量生产模式的普及, 导致了组合设备频繁的暂态加工过程. 为了提高组合设备的生产柔性, 同时考虑晶圆驻留时间约束和腔室清洗时间约束, 研究了单臂组合设备的终止暂态调度问题. 首先, 提出了1–周期清洗工艺的暂态调度规则, 并采用了面向资源的Petri网对单臂组合设备的终止暂态过程进行建模, 引入避免死锁的变迁触发规则; 其次, 根据系统的终止暂态时间特性并考虑不同的调度情形, 建立了终止暂态调度的线性规划模型; 最后, 通过实例验证了该方法的可行性. 实验结果表明, 与运用改进拉式策略的虚拟晶圆方案相比, 该调度方案可有效地减少组合设备终止暂态的完工时间, 并满足晶圆制造的工艺要求.

• 具有惯量特性的并网逆变器黑箱模型辨识

  杨向真,陶茹,杜燕,孙丽玲,杨秋强

  针对具有惯量特性的并网逆变器, 提出了一种统一虚拟同步发电机(VSG)模型和基于智能算法的惯量阻尼参数辨识方法, 实现了对未知模型的商业化并网逆变器装置的数学建模和惯量评估. 基于将具有惯量特性的并网逆变器装置等值为一台VSG的思想, 总结了现有各种VSG的实现方法, 归纳出一种包含锁相环和动稳态阻尼特性的统一VSG模型; 利用遗传算法实现了统一VSG模型惯量和阻尼参数的准确辨识, 但锁相环的控制参数却无法准确辨识, 为此, 从系统闭环极点的角度详细分析了锁相环参数辨识的准确性与其带宽之间的关系, 并提出了选取高带宽锁相环的统一VSG模型进行并网逆变器等值惯量和阻尼辨识的解决方案. 最后, 通过MATLAB/simulink仿真验证了所提模型辨识方法在多种不同VSG控制策略下的适用性和有效性.

• 具有时变时滞的线性离散随机系统的间歇故障检测

  张森,盛立,高明

  针对一类具有时变时滞和外部未知扰动的线性离散随机系统, 研究了其间歇故障检测问题. 考虑一类具有周期性的时变时滞, 利用提升技术和叠加原理将线性时变时滞系统转化为线性时不变系统. 基于等价空间法设计对外部未知扰动解耦的结构化标量残差, 在此基础上, 通过残差统计特性分析和给定的显著性水平设定检测阈值. 利用两个假设检验分别检测间歇故障的发生时刻和消失时刻, 并分析了间歇故障的可诊断性. 最后, 仿真结果验证了该间歇故障检测方法的有效性.

• 超级电容负载的耦合并联充电系统无源分布式协同控制

  刘建刚,杨胜杰

  储能式轻轨车辆采用超级电容作为动力源, 其并联充电系统每个充电机不可避免的存在着线路不对称、元器件老化及工艺误差等因素, 使得输出电流不均衡. 本文将并联充电系统的电流均衡问题抽象成一类非线性耦合动态互联系统的输出同步问题, 结合系统的无源性, 根据最近邻原则, 借助饱和函数, 设计了保证控制输入有界的输出同步控制器. 利用子系统存储函数构造李雅谱诺夫函数, 在系统满足无源性、通信拓扑满足细致平衡条件的情况下, 借助Barbalat等相关引理证明了整个闭环系统的稳定性. 将提出的无源性协同控制方法运用到了具有超级电容负载的并联充电系统控制实例中, 借助仿真验证了本文提出的无源性协同控制方法的有效性.

• 基于参考模型的扰动观测器控制系统

  周涛,吴雄林

  为了补偿控制系统的未知动态和外部扰动, 论文提出一种基于参考模型的扰动观测器控制系统. 首先, 分析了二阶理想参考模型控制系统的设计, 并通过闭环传递函数证明了参考模型控制系统的稳定性. 然后, 设计了二阶系统扰动观测器和基于参考模型的扰动观测器控制律, 分析了二阶闭环控制误差系统收敛性. 并推广到n阶控制系统, 证明了n阶闭环控制误差系统稳定性. 最后, 仿真实验结果表明, 与线性自抗扰控制(LADRC)系统相比, 基于参考模型的扰动观测器控制系统阶跃响应的跟踪精度和抗扰性能明显优于LADRC系统, 扰动的估计精度高, 控制输入量小于LADRC系统; 基于参考模型的扰动观测器控制系统正弦跟踪精度和扰动的估计精度也高于LADRC系统. 该新型控制系统结构简单, 抗扰性能好, 控制效率高, 具有重要的工程应用价值.

• 基于广义超螺旋算法的无速度传感器永磁同步电机 有限时间速度控制

  张伟键,都海波,朱文武,王利楠

  针对三相表贴式永磁同步电机, 本文首先根据广义超螺旋算法(GSTA), 设计出广义超螺旋观测器, 能够估计电机的转子位置和转速. 然后基于上述设计的广义超螺旋无速度传感器, 结合有限时间控制理论, 设计出有限时间速度控制器, 可以实现基于无速度传感器下的有限时间速度调节. 通过仿真和实验验证了上述方法的有效性.

• 应用粒子群算法优化模糊规则的自适应多目标控制策略

  林歆悠,王召瑞

  为了改善一款插电式混合动力汽车(PHEV)的燃油经济性和排放性能, 本文利用等效燃油消耗最小方法(ECMS)建立以油电转换等效因子为核心的多目标控制策略. 首先, 在建立PHEV模型和多目标优化价值函数的基础上, 构建了模糊比例积分等效因子优化模型. 随后, 利用粒子群优化(PSO)算法通过对隶属度函数值及控制规则进行优化以得到更为准确的比例和积分系数, 进而获得更为精确的等效因子用以合理分配动力部件的能量, 从而建立了基于PSO–fuzzy的PHEV等效因子自适应多目标优化控制策略. 最后以福州市实际行驶工况数据对所提出的控制策略进行仿真研究, 结果表明在该策略控制下PHEV的燃油经济性和排放性均得到了明显改善. 其中, 基于PSO–fuzzy的控制策略与基于一般模糊控制的策略相比, 等效油耗降低了9.0%, HC排放量降低了2.7%, CO排放量降低了2.9%, NOx的排放量降低了7.8%.

• 基于观测器的周期拒绝服务攻击网络化系统动态事件触发控制

  黄玲,郭婧,张恒艳

  针对具有周期拒绝服务(DoS)攻击的网络化系统, 设计一种基于观测器的具有动态事件触发策略的控制器.首先, 通过DoS攻击对网络化系统的影响建立了DoS攻击模型, 采用切换系统的方法, 将具有DoS攻击的网络化系统分为DoS攻击活跃子系统和DoS攻击休眠子系统. 对不可测的系统状态设计状态观测器, 通过在静态事件触发中引入一个内部动态参数, 设计了动态事件触发机制. 利用动态事件触发序列设计基于观测器状态的控制器, 同时, 为保证系统在DoS攻击活跃期间子系统的稳定性, 将当前最后一次成功触发状态作为DoS攻击活跃的控制信号, 通过引入两个辅助函数得到闭环增广系统. 其次, 依据Lyapunov稳定性理论、Jensen’s不等式和Schur补引理, 得到两个切换子系统稳定充分条件, 在此基础上引入DoS攻击限制得到具有LMI形式的切换系统渐近稳定的充分条件, 同时给出了状态观测器、控制器和动态事件触发协同设计的参数. 最后, 通过一个数值例子验证所提方法的有效性.

• 含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统滑模控制算法

  朱斌,孙瑞胜,陈洁卿,陈伟,严大卫

  针对含有非匹配干扰和未知动态的非仿射系统控制问题, 提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进滑模控制(SMC)方案. 本文首先利用扩张状态观测器, 将原系统转变为一个包含干扰的二阶积分级联系统, 使含有未知动态的非仿射系统控制器设计问题转化为二阶积分级联系统的控制器设计问题, 从而使得控制器在设计过程中不需要对对象模型完全已知. 为了改善ESO的瞬态性能, 提出了一种含有预设性能函数(PPF)的改进ESO, 利用PPF对估计误差进行约束, 抑制ESO收敛过程中的振荡和超调. 其次, 提出了一种带有修正项的改进滑模面, 在降低ESO估计误差所带来的非匹配干扰影响的同时, 也提高控制系统的收敛速度和跟踪精度. 仿真算例表明, 所提的改进ESO能够更快收敛, 振荡次数显著减少, 改进的滑模控制能够处理非匹配干扰的影响, 并获得更快的收敛速度以及更高的跟踪精度.