控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第7期

• 从集群智能角度分析协同驾驶: 综述和展望

  郭宇晴,姚丹亚,张毅,裴欣,李力,李志恒

  协同驾驶是集群智能技术的典型应用之一. 和集群机器人相比, 协同驾驶既有集群智能技术的共性问题,也有特性问题. 对协同驾驶与集群机器人对比研究, 有助于更好理解协同驾驶问题的内在难点, 也有助于推动集群智能技术的发展, 完善复杂系统科学. 本文从集群智能研究的角度出发, 对协同驾驶进行反思综述. 本文首先介绍协同驾驶的研究背景和意义, 然后从集群智能的角度进一步分析协同驾驶和集群机器人的区别, 接着介绍协同驾驶的关键技术, 并着重强调协同规划在协同驾驶中的特殊性与重要性, 最后分析了世界各国协同驾驶发展现状, 并针对现阶段我国协同驾驶发展的难点提出一些建议，同时对协同驾驶的未来进行展望.

• 通信拓扑切换下车辆队列分布式模型预测控制

  罗捷,鲁良叶,何德峰,俞立,杜海平

  考虑通信拓扑切换下异质非线性车辆队列系统协同控制问题, 提出一种能够保证车辆队列稳定和弦稳定的分布式模型预测控制策略. 先结合车辆队列动态通信拓扑切换过程, 构建与时间相关的图函数, 再利用邻居车辆状态信息描述平均协同代价函数, 并将其引入局部滚动时域优化控制问题. 进一步, 应用平均停留时间概念和切换系统Lyapunov稳定性理论, 建立通信拓扑切换下车辆队列闭环系统的内部稳定性和弦稳定性充分条件. 最后通过两组典型交通场景的对比仿真验证本文策略的有效性.

• 孤岛交流微网群中各微电网分布式有功–电压调控策略

  张博,窦春霞,岳东,张占强,张腾飞

  孤岛交流微电网群中, 为维持各微电网的电压稳定并实现经济性分配有功功率, 本文提出了一种分布式有功–电压调控策略. 首先, 针对电压调控目标, 为各微电网的分布式电源和储能设备都设计了反下垂控制器和电压二次控制器以调节输出电压至期望的参考值; 其次, 针对有功分配目标, 还提出了各微电网及其内部发电设备的出功准则, 并基于边际成本一致理论, 设计了一种基于电流调控的功率分配方法, 以维持功率供需平衡并降低发电成本;最后, 根据小信号模型理论, 分析了上述策略对单个发电设备运行稳定性的影响, 并基于MATLAB/Simulink软件进行了仿真验证

• 多无人水面艇协同海上溢油羽流监测

  王俊伟,姚余磊

  本文讨论多无人水面艇协同海上溢油污染羽流监测问题, 其中羽流扩张过程是由二维空间对流–扩散方程描述. 本文的主要目标是为水面无人艇构建基于领导–跟随–锚的协同控制算法, 实现其对羽流边界的动态合围与实时跟踪, 其中羽流边界是一个预先设定阈值的水平集合. 为此, 选择两艘无人水面艇分别将其设定为边界领导艇和边界锚艇, 并将其余艇设定为跟随艇. 利用无人艇各自位置处局部区域内的羽流浓度信息, 本文提出了基于分布一致观测器的协同控制算法实现本文的主要目标. 结合Lyapunov技术、集合稳定概念以及多智能体协同控制理论,分析了所提控制算法的收敛性. 最后, 数值仿真验证了所提出协同控制算法的有效性.

• 基于super-twisting算法的多航天器姿态有限时间 分布式协同控制

  许淼,方一鸣,李建雄,赵晓东

  针对受外界干扰和执行器故障影响的多航天器姿态协同控制问题, 本文设计了一种基于干扰观测器的分布式协同supper-twisting滑模控制器. 首先, 将各航天器的外界干扰和执行器故障看作一个集总干扰, 设计自适应滑模干扰观测器对其进行估计. 其次, 将supper-twisting算法和积分滑模面相结合, 设计一种基于多航天器姿态一致性误差的分布式协同控制器, 并由Lyapunov稳定性理论证明了所设计的多航天器姿态可以在有限时间内收敛到平衡点附近的邻域内. 最后的仿真研究及比较结果表明, 所设计的控制器可以加快系统的收敛速度, 并提高系统的控制精度.

• 感知范围受限的群机器人自主围捕算法

  罗家祥,许博喆,刘海明,蔡鹤,高焕丽,姚瞻楠

  针对在有障碍物场地中感知范围受限的群机器人协同围捕问题, 本文首先给出了机器人个体、障碍物、目标的模型, 并用数学形式对围捕任务进行描述, 在此基础上提出了机器人个体基于简化虚拟速度和基于航向避障的自主围捕控制律. 基于简化虚拟速度模型的控制律使得机器人能自主地围捕目标同时保持与同伴的距离避免互撞;基于航向的避障方法提升了个体的避障效率, 避免斥力避障方法导致的死锁问题. 其次本文证明了在该控制律下系统的稳定性. 仿真结果表明, 该算法在有效围捕目标的同时能够高效地避开障碍物, 具有对复杂环境的适应性. 最后本文分析了与其他方法相比该算法的优点.

• 改进交替方向乘子法求解冷水机组负荷分配群智能优化问题

  于军琪,陈时羽,赵安军,冯增喜,高之坤

  群智能控制系统中的多台冷水机组负荷优化分配问题是一个多块优化问题, 传统分布式方法难以获得其收敛解. 文中将交替方向乘子法(ADMM)引入冷水机组负荷分配群智能优化问题中, 并通过一种有效的高斯罚函数(GPF)更新策略改进了交替方向乘子法收敛特性. 同时, 建立了一种基于ADMM–GPF–GBS双层分布式计算框架的冷水机组负荷优化分配模型, 该模型仅利用相邻节点间的局部信息传递, 即可求解得出最优运行策略. 最后, 通过两个典型算例对比分析了所提优化方法的有效性, 并在实际硬件系统中进一步对该算法进行应用与验证. 结果表明, 所提算法适用于群智能控制系统下的多台冷水机组系统, 且具有比传统分布式算法更好的寻优能力和收敛性, 可以取得显著的节能效果.

• 测量受限线性多智能体系统一致性迭代学习控制

  魏永东,李宗刚,杜亚江,陈引娟

  本文针对通讯拓扑同时沿时间轴和迭代轴切换且存在测量受限的情形, 研究了基于迭代学习控制方法的连续线性多智能体系统输出一致性跟踪问题. 在系统通信拓扑始终含有以虚拟领航者为根节点的生成树, 以及所有智能体初态在每次迭代均可重置的条件下, 针对跟随者能够获得的局部信息而设计了测量受限分布式输出一致性协议. 然后, 利用λ范数的方法和圆盘定理给出了所有跟随者的输出收敛到虚拟领导者输出的两个充分性条件, 其中之一可实现时变迭代学习增益的分布式计算. 最后, 仿真结果验证了所得结论的有效性.

• 多运动目标的多无人机协同搜索追踪策略

  王洪民,田家强,韦凌云,庄育锋

  针对多无人机协同搜索追踪区域内多运动目标问题, 考虑无人机的传感器与避撞等约束和目标随机运动等特征, 提出了以垂线搜索为基础的多无人机协同搜索追踪策略. 策略包含任务分配和航迹规划两部分. 在任务分配部分, 设计了航道均分垂线搜索算法, 将搜索资源在区域内均匀分配, 提高协同搜索效能. 在航迹规划部分, 设计了改进的人工势场算法, 避免发生机间碰撞, 保障飞行安全. 在典型场景下, 仿真验证了策略的有效性, 相比传统垂线搜索方法, 本策略能在保证安全的前提下, 引导无人机群捕获更多的目标, 有效提升了多无人机协同搜索追踪的效果.

• 环形直流微电网的二次控制与稳定性分析

  刘骁康,王燕舞,肖江文

  本文阐述了一种环形直流微电网系统分布式二次控制的稳定性分析方法, 实现了微网系统的电压调控和电流分配. 首先, 借助多智能体系统的一致性算法, 设计了局部观测器来估计所有分布式能源节点的平均电压. 然后, 基于观测器状态和邻居节点的电流信息设计了融合误差和动态反馈控制器, 并通过解耦潮流代数方程得到了关于融合误差的闭环系统. 进一步基于图论、线性系统理论和矩阵特征值扰动分析方法, 得到了闭环系统的稳定性条件. 最后, 在环形直流微电网的仿真平台上验证了该方法的有效性.

• 基于车辆与车辆的车联网分布式协同感知定位

  谯小康,屈小媚

  车辆协同感知定位是车辆定位的热点技术. 针对车载自组织网络, 本文在GPS卫星导航和车辆自身航位推算(DR)的基础上, 利用车辆之间的到达时间(TOA)观测和车辆到车辆(V2V)的实时通信来设计一种分布式协同定位方法. 针对协同定位中TOA测量函数的非线性和辅助车辆真实位置未知的问题, 提出了一种基于改进无迹卡尔曼滤波(UKF)的协同定位算法. 相对于传统的UKF协同定位使用GPS观测值作为辅助车辆位置, 本文提出的算法将辅助车辆位置作为未知参数, 扩维到状态向量, 有效降低了辅助车辆位置误差对定位精度的影响. Monte Carlo仿真结果表明, 利用TOA观测的协同定位精度明显优于仅利用GPS和DR的独立定位精度, 且改进的UKF协同定位算法相比于传统UKF算法, 具有更高的定位性能.

• 基于Q-learning的离散时间多智能体系统一致性

  朱志斌,王付永,尹艳辉,刘忠信,陈增强

  针对模型未知的一类离散时间多智能体系统, 本文提出了一种Q-learning方法实现多智能体系统的一致性控制. 该方法不依赖于系统模型, 能够利用系统数据迭代求解出可使给定目标函数最小的控制律, 使所有智能体的状态实现一致. 通过各个智能体所产生的系统数据, 采用策略迭代的方法实时更新求解得到多智能体系统的控制律, 并对所提Q-learning方法进行了收敛性和稳定性分析. 最后, 论文给出了计算机仿真验证了所提方法的有效性.

• 改进蚁群算法水面无人艇平滑路径规划

  敖邦乾,杨莎,曲祥君

  针对水面无人艇的路径规划, 首先用仿生学算法对环境障碍物做开运算, 提出改进的蚁群算法搜索可行路径得到航路点序列, 优化合并没有障碍物的相邻航路点并顺序连接, 得到可行且无碰撞风险的全局路径; 其次, 使用Dubins曲线算法对连接点进行平滑处理, 分析其几何特性并找出其不足之处; 最后, 引入贝塞尔三阶曲线理论对于已经优化过的折线段进行平滑处理, 使其在满足最小旋转半径的同时, 也满足USV动力学特性, 最终得到一条优化可行的路径. 仿真结果证明本算法设计的光滑路径在计算复杂度、路径优化等方面都有了较大的提高.

• 二阶非线性多智能体系统有限时间分布式优化

  娄如思,王璐瑶,马丹

  本文研究一类具有未知常参数的二阶非线性多智能体系统的有限时间自适应分布式优化. 首先, 通过给定各个智能体的二次目标函数, 并结合多智能体系统达到一致性的条件, 构造含有惩罚因子的惩罚函数, 提出加速智能体状态收敛至目标函数最优解的控制策略. 其次, 在给定惩罚因子下, 基于幂积分方法和有限时间稳定理论, 设计有限时间分布式自适应控制协议, 使得惩罚函数的梯度在有限时间内收敛到零的邻域内. 再次, 通过增大惩罚因子,保证多智能体系统的状态最终达到一致, 并收敛到总体目标函数的最优解. 最后, 仿真算例验证了结果的可行性和有效性.

• 多伺服电机智能化协调容错轨迹跟踪控制系统设计

  朱俊威,顾曹源,王鼎,张文安,王鑫

  针对一类具有执行器、传感器故障的多伺服电机控制系统, 设计了相应的多伺服电机智能化协调容错轨迹跟踪控制系统. 首先, 提出了一种新结构的分布式中间估计器, 修改了其设计结构, 提高了估计方案的可行性. 其次,通过在线强化学习估计策略, 可以显著提高估计性能, 其核心是自适应切换机制与源故障模式定位功能块的集成,并根据估计值设计了协调容错轨迹跟踪控制器. 同时, 设计了可视化人机交互操作界面, 可将伺服电机的实时位置、速度、相应的位置、速度估计值及控制性能等信息反馈至监控中心. 操作人员可随时调节伺服输入, 完成任务调整, 可有效提升系统实用性. 多伺服电机控制系统的实验结果验证了所提方法的有效性及优越性.

• 内外不确定因素同时估计与补偿的鲁棒分布式跟踪控制

  张特,李世尧,朱波

  本文研究了多运动体系统中领航者(leader)和跟随者(follower)同时受扰条件下的跟踪控制问题. 针对3–DOF直升机模型的角度轨迹协同跟踪任务, 设计并验证了基于跟随者不确定因素和外部领航者干扰同时补偿的分布式鲁棒算法. 分别通过不确定与干扰估计器和扩张状态观测器实现对内外扰动的估计与补偿, 恢复了标称系统的跟踪性能. 证明了闭环估计误差和跟踪误差的最终界大小与估计器核心参数值的单调关系, 同时给出了系统实现渐近跟踪的条件. 利用数字仿真实验和“虚实结合”实验验证了内外干扰同时补偿的必要性和参数调节机制的有效性.

• 利用方位角信息的移动机器人编队控制

  谭瑶,梅杰

  本文以移动机器人为研究对象, 仅利用方位角信息实现多智能体系统的编队控制. 为实现大规模编队和队形的缩放控制, 智能体被分为领航者、第1跟随者以及其余跟随者. 首先, 考虑智能体之间相对位置信息难以精确测量的情形, 设计仅用方位角信息的估计算法获得准确的相对位置; 然后, 基于获得的相对位置信息设计第1跟随者的控制算法, 使得第一跟随者与领航者之间的位置收敛到理想约束位置以控制整个队形的规模; 接着, 设计其余跟随者的控制算法使得各智能体之间的方位角达到理想约束角度, 从而形成理想编队队形. 最后通过数值和ROS仿真实验验证算法的有效性.

• 储能汇聚参与辅助调频服务的协同优化算法

  曾君,胡家健,徐铭康,潘志伟,刘俊峰

  用户侧分布式储能是电网潜在的优质调频资源, 它们的闲余时间和闲余电量未能得到很好的利用. 本文以分布式储能集群为研究对象, 基于状态势博弈理论提出了一种完全分布式的协同优化算法, 实现分布式储能有效汇聚参与电网一次调频. 为适应分布式储能频繁退出/参与调频辅助服务, 本文首先将分布式储能一次调频问题转化为状态势博弈, 依据分布式储能汇聚特点与需求, 建立了分布式储能的行为逻辑与互动机制. 在事件驱动机制下, 使得分布式储能自适应地通过相互博弈来动态调整自身策略, 保证分布式储能集群单位调节功率的充足与稳定. 最后给出了交流微电网的算例, 证明了该算法作用下的分布式储能集群能有效汇聚, 辅助增强电力系统频率稳定性.

• 考虑风电和储能接入电网的多目标协同博弈区间经济调度

  黄 頔,杨 鑫,高 林,张 聪,陈皓勇

  针对风电的不确定性对电网调度的经济和安全运行造成影响的问题, 充分考虑储能灵活充放电的运行优势, 提出了一种基于改进均衡协调算法的多目标区间储能经济调度优化方法. 本文综合考虑有功调度与无功优化之间的内在耦合关系, 以典型日运行的电压偏差和系统综合运行总成本最小化为优化目标, 建立多目标区间储能经济调度优化模型. 在优化过程中, 首先考虑在直流潮流的区间调度模型中, 通过优化储能和发电机的有功出力来实现对风电不确定性的处理, 然后采用改进均衡协调算法对考虑交流潮流的有功–无功储能调度模型进行综合优化, 从而获得兼顾电网安全性与经济性的均衡最优解. 本文还从风电的不同区间波动以及风电场并网规模的角度出发, 分析了对系统储能调度运行的影响. 最后本文将改进算法获得的最优解与采用带权重系数的理想点法分析获得的Pareto最优解进行对比分析, 可避免确定权重因子时的人为主观因素. 本文通过对IEEE RTS–24节点系统进行算例仿真, 验证了所提模型的合理性和可行性.

• 面向网络攻击下弹性均值趋同的智能体群组编队

  王刚阳,徐明,伍益明,胡沁伶,郑宁

  本文研究通信范围有限的智能体群组编队问题, 探索网络攻击下多智能体系统弹性均值趋同控制策略. 现有的工作表明, 多智能体系统可通过维持一个所谓r–鲁棒的通信网络, 实现分布式弹性趋同控制器的设计. 然而, 传统的方法中只有当单个智能体的通信范围足够大时, 才能使网络满足r–鲁棒这一特定条件. 本文利用智能体可移动的特性放宽了对通信范围的要求, 通过小组化和模块化的设计思想以及相应的编队策略, 让智能体沿预设轨道做周期性运动, 从而达成具有r–鲁棒的通信网络, 并基于该通信网络提出了一种分布式弹性均值趋同控制方法. 此外, 分析给出了单模块和多模块情况下多智能体网络达成r–鲁棒的所需条件. 最后在仿真实例中, 实现了网络攻击下系统状态的均值趋同, 实验结果验证了群组编队和均值趋同控制方法的有效性.

• 带有完全分布式观测器的多智能体系统自适应容错一致性

  尹艳辉,王付永,刘忠信,陈增强

  针对一类同时带有执行器故障, 未知非线性动态和非匹配干扰的多智能体系统, 本文提出一种新的自适应容错控制方案. 首先, 设计一种适用于有向切换拓扑的完全分布式观测器估计领导者的信息, 将一致性问题转化为局部的信号跟踪问题. 其次, 拆解转化后的误差系统为两个耦合的子系统, 实现非匹配干扰与匹配因子分离. 然后,利用径向基神经网络近似非线性动态, 并结合反步法设计3种自适应故障补偿器, 使系统能够在线补偿故障和未知动态的影响. 最后, 数值仿真验证了所提方案的有效性.

• 通讯受限条件下的机器人编队算法

  罗家祥,关振峰,刘海明,蔡鹤,高焕丽,黄杰

  针对通讯受限条件下大规模移动机器人编队任务, 本文提出了基于行为的分布式多机器人线形编队控制和避障算法. 机器人个体无需获得群体中所有机器人的信息, 而是根据传感器获取的环境信息和局部范围内的机器人信息对其自身的调整方向进行预测, 并最终很好地完成了设定的编队及避障任务. 由于本文方法需求的通讯量不大, 并且采用分布式控制, 因此该方法适用于大规模的机器人集群编队任务. 文中还给出了本系统的稳定性分析, 证明了系统的稳定性. 实验结果表明该算法使得机器人能够仅通过局部信息形成线形编队, 在遇到障碍物后能够灵活避开障碍物, 并且在避开障碍物进入安全区域后重新恢复线形编队.

• 非线性多智能体磁滞系统的分布式输出反馈渐近一致控制

  刘烨,杨朋举,张绪

  针对一类具有磁滞输入且状态未知的非线性多智能体系统, 本文提出了一种基于领导者–跟随者的分布式输出反馈渐近一致自适应控制方案. 首先, 构造了具有动态高增益的K-滤波器以估计多智能体系统的未知状态. 然后, 采用一种新型的动态面控制策略设计控制器. 不同于传统动态面控制策略所采用的一阶低通滤波器, 本文设计了含正时变积分函数的非线性滤波器, 该滤波器不仅能解决“微分爆炸”问题、降低计算负担, 而且能补偿传统动态面的边界层误差, 使跟踪误差收敛到零. 理论分析表明: 该控制方案能有效地消除未知磁滞的影响, 确保整个闭环系统的稳定性, 并使跟踪误差达到渐近收敛的目标. 最后, 通过仿真对所提出控制方案的有效性进行了分析和验证.

• 事件触发策略下多AUV抗干扰固定时间编队控制

  苏博,王洪斌,高静

  针对多AUV编队控制的模型参数不确定及未知海流干扰的问题, 提出基于固定时间模糊干扰观测器的事件触发编队控制方法, 该方法可保证编队控制在固定时间内收敛. 首先, 构造了固定时间模糊干扰观测器处理系统的集总扰动, 实现固定时间内对扰动的精确估计. 在扰动观测器的基础上, 将指令滤波器与反步法结合, 消除了多次求导产生的计算爆炸问题; 其次, 为了降低网络传输资源能耗, 将事件触发机制引入多AUV编队控制中, 设计具有固定时间收敛性能的分布式编队控制器, 且系统收敛时间仅取决于控制器设计参数, 并经理论证明无Zeno行为; 最后通过多AUVs编队仿真实验, 证明了所提出算法的有效性和合理性.

• 单路径导引的车式移动机器人协同编队控制

  王常顺,王丹,彭周华

  针对含有模型不确定性和未知外部扰动的车式移动机器人集群, 本文设计了一种分布式协同编队控制器,通过单条参数化路径导引, 实现了车式移动机器人协同编队运动. 本文首先在运动学层级设计了基于领航–跟随策略的队形制导律和路径更新律, 其次在动力学层级设计了前向速度和姿态角控制律, 通过线性扩张状态观测器估计并补偿系统模型中的非线性部分, 消除参数摄动和外部扰动造成的不利影响, 然后通过级联系统理论证明了闭环系统的输入到状态稳定性, 最后通过数字仿真和加热机群实验结果验证了本文控制器的有效性.