控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2021年第9期

• 基于智能优化算法的饮用水污染源定位方法研究综述

  龚瑾玉,颜雪松,胡成玉,龚文引

  近年来, 突发性饮用水污染事件频繁发生, 严重危害居民生活健康, 通过在饮用水供水管网中布置传感器对水质进行监测, 能快速识别污染源的位置、质量、发生时间等特征, 有利于有关部门采取措施控制污染扩散, 饮用水污染源定位研究具有重要的实际意义. 随着智能优化算法在工程问题中的广泛应用, 运用模拟–优化方法求解污染源定位问题成为当前学者们研究的热门领域. 本文首先给出污染源定位问题的模型和据此抽象出的数学模型, 并对模拟–优化法求解该问题的一般方法进行了描述. 通过对问题的深入分析, 归纳出污染源定位问题具有多模性、昂贵性和不确定性, 围绕这3个特性, 重点综述智能优化算法在饮用水污染源定位问题中的代表性研究成果, 最后指出有待于进一步研究的若干方向和内容.

• 面向多无人飞行器的有界跟踪控制方法的设计与验证

  林河,梁潇,方勇纯,张鹏

  针对多无人机跟踪轨迹时的控制问题和安全问题, 本文提出了一种四旋翼无人飞行器的有界跟踪控制方法. 该方法能够保证多台无人机在进行轨迹跟踪的同时将自身运动限制在指定范围内. 本文通过能量分析的方法设计了具体形式的控制器, 并基于Lyapunov稳定性分析证明了系统误差的有界和收敛特性. 在此基础上, 通过设计和搭建室内多无人飞行器实验平台, 完成了多无人飞行器实时轨迹跟踪的实验, 验证了该控制器的实际性能. 实验结论表明, 无人飞行器的有界跟踪方法不但拥有良好的动态特性, 而且能够有效地避免无人飞行器越过安全边界造成碰撞等问题, 具有较好的安全性和鲁棒性.

• 基于随机分布理论的递推子空间辨识

  于淼,刘建昌,郭戈

  在实际生产过程中, 采用传统子空间辨识法建立的离线模型并不能有效准确地跟踪系统的动态变化; 奇异值分解等线性代数工具虽然增加算法的数值鲁棒性, 但也相应增加了子空间辨识的在线递推困难. 为解决上述问题, 本文针对连续时间系统提出基于随机分布理论的递推子空间辨识方法. 首先, 通过随机分布理论构建系统的连续随机分布函数, 并利用微分计算获得系统等价的输入输出矩阵方程. 然后, 采用将输入输出数据矩阵“R”规模固定的方法, 达到数据压缩的目的. 最后, 通过最小二乘法和残差分析法递推更新模型的系统矩阵和噪声强度直至达到辨识要求. 仿真结果验证了所提方法的有效性和精确性.

• 时滞半Markov跳变神经网络系统事件驱动故障检测滤波器设计

  林文娟,何勇

  本文针对一类具有时滞的半Markov跳变神经网络系统, 研究其基于滤波器的故障检测问题. 首先, 通过引入一种事件驱动通讯机制和一个滤波器, 并将时变时滞以及网络诱导时滞考虑进来, 建立残差系统, 将故障检测问题转化为求解满足一定H1性能指标的滤波问题. 然后, 基于Lyapunov-Krasovskii(L–K)泛函方法, 通过利用时滞乘积型L–K泛函思想、积分不等式、改进逆凸矩阵不等式等方法, 以线性矩阵不等式形式给出故障检测滤波器的设计方法. 最后, 数值仿真结果验证本文所设计故障检测滤波器的有效性与优越性.

• 打印参数可变模式下3D打印批调度问题研究

  王彬,唐昊,戴飞,谭琦

  研究打印参数可变模式下3D打印批调度问题, 旨在对打印任务随机到达的3D打印服务系统进行优化建模. 考虑到工作台尺寸的限制以及打印参数层高对打印质量的影响, 论文以各个任务队列长度作为系统联合状态,以任务组合以及打印参数层高作为系统的联合控制变量, 以提高生产率、减少打印质量损失、节约电能为综合目标, 将优化问题描述为半马尔科夫决策过程(SMDP), 以便采用策略迭代算法、Q学习等算法求解系统最优调度策略. 仿真结果表明, 与层高参数固定模式以及先到先服务(FCFS)模式相比, 本文求解的批调度策略能够有效提高生产性能.

• 基于径向基函数神经网络与扩张状态观测器的无人直升机控制

  侯捷,陈谋,刘楠

  针对具有系统不确定和外部干扰的无人直升机飞行控制问题, 提出了一种基于神经网络和扩张状态观测器的控制方法. 利用神经网络逼近系统的不确定性, 引入扩张状态观测器对神经网络的逼近误差和系统外部干扰进行估计. 基于神经网络和扩张状态观测器的输出, 对无人直升机的主旋翼挥舞角、姿态角速率、姿态角、速度与位置系统分别进行了控制器设计, 以增强系统鲁棒性和抗干扰能力. 同时, 引入动态面控制方法以避免对虚拟信号进行直接求导, 并通过李雅普诺夫方法分析了闭环控制系统的稳定性. 最后使用无人直升机数据进行仿真验证, 结果表明设计的控制律能使无人直升机有效跟踪控制指令, 具有良好的稳定性与鲁棒性.

• 基于扩张状态观测器的永磁同步电机重复学习控制

  陈强,许昌源,孙明轩

  本文针对非参数不确定永磁同步电机系统, 提出一种基于扩张状态观测器的重复学习控制方法, 实现对周期期望轨迹的高精度跟踪. 首先, 将永磁同步电机中的非参数不确定性分为周期不确定与非周期不确定两部分. 其次, 构造包含周期不确定的未知期望控制输入, 并设计重复学习律估计未知期望控制输入并补偿系统周期不确定.在此基础上, 设计扩张状态观测器, 估计系统未知状态和补偿非周期性不确定, 进而提高系统鲁棒性. 与已有的部分限幅学习律相比, 本文提出的全限幅重复学习律可以保证估计值的连续性且能够被限制在指定的界内. 最后, 基于李雅普诺夫方法分析误差的收敛性能, 并给出仿真和实验结果验证本文所提方法的有效性.

• 考虑重要输入变量选择的非线性系统模糊辨识

  刘福才,吕金凤,任亚雪

  针对有数百个可能输入的复杂非线性动态系统模糊建模问题, 本文提出一种新的考虑重要输入变量选择的模糊辨识方法. 首先采用两阶段模糊曲线方法(TSFC)从大量可选择的输入变量中给出各输入变量与输出之间的关联度权重, 根据输入变量指标快速选择出重要的输入变量, 然后采用模糊聚类(FCM)和高斯(Gaussian)型隶属函数确定模糊模型前提参数, 采用递推最小二乘(RLS)辨识出模糊模型结论参数. 最后通过对Mackey-Glass混沌时间序列和Box-Jenkins煤气炉数据两个国际标准例题模糊建模验证了该方法的有效性, 并将该方法应用到一个实际气动变载荷加载系统的模糊建模中, 验证了该方法的实用性.

• 基于GAN–UNet的矿石图像分割方法

  李鸿翔,王晓丽,阳春华,熊伟

  在选矿生产过程中, 磨机给矿粒度对磨矿分级效率影响重大, 是一个关键的控制参数. 由于矿石表面不规则、棱线较多, 同时存在矿石间堆叠的问题, 给基于图像的矿石粒度检测带来极大困难. 本文提出一种基于GAN–UNet的矿石图像分割方法, 针对矿石图像棱线易引起矿石边缘错误识别的问题, 采用生成对抗网络进行图像分割,将U–Net作为图像分割生成器网络, 使用人工标记的矿石边缘图像作为真实图像, 随后构建判别器网络以判断图像来源, 同时将判别器误差与生成器误差通过加权形式引入网络训练中, 直到判别器难以判断分割图像来源, 获得满足条件的生成器. 对实际工业生产矿石图像的分割结果表明, 本方法与U–Net网络相比提升了网络对矿石边缘的识别能力, 减小了图像分割误差, 对矿石区域的相对误差平均值降至8.20%.

• 不确定系统的事件触发控制: 近似解输入法

  丁三波,刘旭,王勇,杨德东

  针对一类不确定非线性系统的事件触发控制问题, 提出了一种近似解输入法的控制策略. 首先, 对非线性系统进行线性化处理, 以便于构造系统的近似解. 其次, 根据确定线性系统解析解的定义, 利用系统矩阵和采样信号信息, 逐段地构造不确定非线性系统的近似解. 将测量误差定义为系统当前状态与近似状态之间的差, 构造事件触发条件和控制器, 并建立相关的稳定性判据. 本文证明了所提此方法可有效避免Zeno现象, 并将其推广到动态触发控制方案, 得到进一步提高的结果. 最后, 通过仿真对比验证了本文方法的有效性.

• 基于工况识别的辊式淬火过程板形预报方法

  陈聪,吴敏,陈略峰,章文,杜胜

  板形是衡量淬火后钢板质量的重要指标之一, 板形的预报对高质量钢板的持续稳定生产具有重要的指导意义. 本文提出一种基于工况识别的辊式淬火过程板形预报方法, 为淬火生产控制决策提供参考依据. 首先对淬火过程进行特性分析; 然后采用模糊C均值聚类算法对淬火过程进行工况识别, 使用支持向量机建立各工况的板形预报模型, 并运用改进的粒子群优化算法提高模型的精度; 最后利用工业生产数据进行实验, 结果验证了本文所提方法的可行性与有效性.

• 具有预设暂态性能的一类不确定非线性系统渐近状态跟踪控制

  陈浪雷,刘勇华,苏春翌

  研究一类不确定非线性时变系统的预设暂态性能渐近状态跟踪控制问题. 在无需系统函数先验知识的条件下, 本文采用漏斗控制技术和障碍李雅普诺夫函数方法, 提出了一种新颖的鲁棒自适应状态反馈控制策略. 所设计的控制器不仅能够确保状态跟踪误差渐近收敛到零点, 而且满足其预先设定的性能要求. 仿真实例验证了所提控制策略的有效性.

• 超启发式分布估计算法求解带软时间窗的同时取送货车辆路径问题

  张烜荧,胡蓉,钱斌

  本文针对带软时间窗的同时取送货车辆路径问题(VRPSPDSTW), 以最小化车辆行驶总里程和最大化服务准时率为优化目标, 提出一种超启发式分布估计算法(HHEDA)进行求解. 全局搜索阶段, 首先, 提出3种启发式规则生成初始个体, 以确保初始种群的质量和分散性; 其次, 根据问题特点, 构造3个概率矩阵分别学习和积累优质解的排序信息、客户间的距离信息和捆绑信息, 并通过采样概率矩阵生成新个体, 以增强算法全局搜索发现解空间中优质区域的能力. 局部搜索阶段, 将11种邻域操作组成备选集合, 进而设计学习型超启发式局部搜索(LHHLS), 用于动态选择备选集合中的部分邻域操作构成多种新的有效启发式算法, 以执行对解空间中优质区域的深入搜索. 最后,仿真实验和算法比较验证了HHEDA的有效性.

• 基于自适应动态规划的移动装弹机械臂轨迹控制

  唐志国,张富尧,马彦

  针对移动装弹机械臂系统非线性、强耦合、受多种不确定因素影响的问题, 本文基于自适应动态规划方法,提出了仅包含评价网络结构的轨迹跟踪控制方法, 有效减小了系统跟踪误差. 首先, 考虑到系统非线性特性、变量间强耦合作用及重力因素的影响, 通过拉格朗日方程建立了移动装弹机械臂的动力学模型. 其次, 针对系统存在不确定性上界未知的问题, 建立单网络评价结构, 通过策略迭代算法, 求解哈密顿–雅可比–贝尔曼方程, 基于李雅普诺夫稳定性理论, 设计了自适应动态规划轨迹跟踪控制方法. 最后, 通过仿真实验将该控制方法与自适应滑模控制方法进行了对比, 进一步检验了所设计控制方法的有效性.

• 具有执行器故障的不确定多智能体系统自适应动态面控制

  林曼菲,张天平

  本文研究了一类具有输入量化、未建模动态和执行器故障的非线性多智能体系统的一致跟踪问题. 引入一个可量测的动态信号消除未建模动态对系统的影响. 利用Young’s不等式和高斯函数的性质, 有效地处理了多智能体邻居节点在设计的第一步中对子系统的耦合作用. 通过将滞回量化器表示为具有有界系数和有界扰动的输入线性函数, 并利用动态面控制方法, 提出一种自适应神经网络动态面控制方案, 简化了控制器的设计, 保证了闭环系统的所有信号都是半全局一致终结有界的, 所有跟随者都能实现期望的一致性. 最后, 仿真结果验证了所提出的自适应控制策略的有效性.

• 低计算复杂度的永磁同步电机多步预测电流控制

  高锋阳,罗引航,张凯越,王文祥,杨乔礼

  传统的永磁同步电机模型预测电流控制策略仅在一个采样周期内寻优, 难以避免陷入局部最优问题, 而多步预测会增加预测次数, 计算复杂度成倍增长. 为此, 提出一种低复杂度的永磁同步电机三步电流预测控制策略. 首先, 在延时补偿的基础上, 两步预测结合三矢量电压控制和最优占空比电压控制, 三步预测保持与两步预测相同的电压矢量, 然后由代价函数选出控制电压矢量; 最后, 设计电感dq轴分量双闭环的鲁棒控制. 仿真结果表明, 相比其他控制策略, 所提策略具有良好的动静态性能, 寻优代码执行时间降低了约51%; 在不影响输出电能质量的前提下,开关频率降低了约17%; 并对电感失配造成的性能恶化具有抑制性.

• 小样本红外图像的样本扩增与目标检测算法

  吴晗,张志龙,李楚为,李航宇

  深度卷积神经网络模型在很多公开的可见光目标检测数据集上表现优异, 但是在红外目标检测领域, 目标样本稀缺一直是制约检测识别精度的难题. 针对该问题, 本文提出了一种小样本红外图像的样本扩增与目标检测算法. 采用基于注意力机制的生成对抗网络进行红外样本扩增, 生成一系列保留原始可见光图像关键区域的红外连续图像, 并且使用空间注意力机制等方法进一步提升YOLOv3目标检测算法的识别精度. 在Grayscale-Thermal与OSU Color-Thermal红外–可见光数据集上的实验结果表明, 本文算法使用的红外样本扩增技术有效提升了深度网络模型对红外目标检测的精度, 与原始YOLOv3算法相比, 本文算法最高可提升近20%的平均精确率(mean averageprecision, mAP).

• 双重积分器的二阶线性自抗扰控制: 快速无超调阶跃响应

  金辉宇,兰维瑶

  双重积分器不易控制, PD和PID控制都难以实现其快速无超调阶跃响应. 本文发现单参数二阶线性自抗扰控制能实现双重积分器的快速无超调阶跃响应. 同时能任意配置回路传递函数的增益穿越频率, 而保持相位裕度恒为31.9?. 这是线性自抗扰控制优于PD和PID控制的一个例子. 分析和算例还表明, 在抗低频外扰和高频内扰方面,二阶线性自抗扰控制优于PD和PID控制.