控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第1期

• 基于群集行为的分布式多无人机编队动态避障控制

  费思远,鲜斌,王岭

  针对无人机编队保持和动态障碍物规避控制问题, 本文提出了一种新的基于群集行为的分布式多无人机编队控制和避障控制算法. 首先考虑了由机间气流等因素带来的干扰, 基于吸引/排斥势场和一致性方法, 设计了分布式无人机编队的队形保持控制算法, 对编队内无人机之间的距离进行控制. 进一步考虑外部移动障碍对无人机编队的影响, 引入了排斥势场产生避障行为, 从而控制无人机编队规避移动障碍物. 然后, 基于Lyapunov的稳定性分析方法, 证明了多无人机编队闭环系统的稳定性和系统状态误差的最终有界性. 最后在四旋翼无人机编队实验平台上进行了室内飞行实验验证. 实验结果表明, 本文提出的分布式群集编队避障控制算法可以有效控制无人机编队规避外部障碍物, 且具有规避障碍后的队形重构能力.

• 独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人的系统设计与实验

  贺威,刘上平,黄海丰,付强,孙长银

  扑翼飞行机器人模仿自然界中的飞行生物, 通过扑动翅膀拍打空气驱动飞行. 它们机动性好、飞行效率高、噪音小, 在某些应用场景比传统的固定翼飞机和旋翼飞机更有优势. 目前扑翼飞行机器人的研究大多集中在机理研究和理论的建模与控制, 鲜有实现室外的自主飞行, 难以应对复杂的实际应用需求. 在本文中, 设计了一种独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人USTBird, 通过两个舵机独立驱动左右翅膀可实现无可控尾翼的机动飞行. 通过搭载自主设计的微型飞控板、GPS以及惯性导航模块, 采用PD控制实现了扑翼飞行机器人的室外自主巡航飞行. 设计了针对扑翼机器人的轻型两自由云台, 很大程度上消除了机翼扑动飞行引起的图像抖动问题. 针对机身振动和GPS测量误差带来的位置误差, 采用无迹卡尔曼滤波算法对GPS采集的位置信息进行估计, 提升了位置估计精度. 设计了面向扑翼飞行机器人的地面站系统. 考虑到扑翼飞行机器人存在的转向滞后问题, 对偏航角设计双闭环分段PD控制器, 最终实现了在外圆半径40 m和内圆半径10 m的圆环内的自主巡航任务.

• 基于滑动窗实时小波降噪的扩张状态观测器及自抗扰控制

  秦华阳,陈增强,孙明玮,孙青林

  自抗扰控制技术应用已日渐成熟, 但当系统中存在高频非平稳噪声信号时, 线性自抗扰控制(LADRC) 存在难以选取合适的观测器带宽的问题: 当带宽较小时, 线性扩张状态观测器(LESO)难以实现对总扰动的实时观测, 会造成时滞; 当带宽较大时, LESO又会放大噪声对系统的影响, 从而造成总扰动观测失真. 为了解决这一问题, 将小波降噪环节加入LADRC中, 通过设计基于滑动窗实时小波降噪的LESO, 对含噪输出信号进行实时降噪. 使用Simulink搭建系统模型, 分别在输出信号中加入高斯白噪声或谐波等不同类型的高频非平稳噪声进行仿真实验, 并将所提方法与滑动平均法进行对比, 结果验证了所提方法的有效性.

• 改进的基于分解的多目标进化算法求解双目标模糊柔性作业车间调度问题

  李瑞,龚文引

  针对同时考虑最大模糊完工时间和总模糊机器负载的双目标模糊柔性作业车间调度问题(BFFJSP), 本文提出了一种改进的基于分解的多目标进化算法(IMOEA/D), 同时最优化最大模糊完工时间和总模糊机器负载, 其主要特点是: 1) 采用3种初始化种群的策略; 2) 提出了非支配解优先策略; 3) 设计了结合5种局部搜索策略的变邻域搜索; 4) 提出了计数器策略预防陷入局部解. 运用大量实例进行了算法策略分析和对比实验, 仿真结果表明, IMOEA/D在求解BFFJSP上具有更优性能.

• 基于仿射Bessel-Legendre不等式和不确定转移率的 神经网络稳定性

  王军义,张文涛,刘振伟,姜杨

  针对具有时变时滞和不确定转移率的马尔科夫神经网络系统, 充分考虑马尔科夫转移率的不确定特性, 利用基于松弛变量的有效技术代替传统不等式来约束转移速率中的不确定项, 从而减少了决策变量的个数并降低了计算复杂度. 通过建立时滞依赖的增广Lyapunov-Krasovskii泛函, 并基于仿射Bessel-Legendre(B-L)不等式, 给出依赖于时滞和时滞导数上下界的具有较小保守性的神经网络系统稳定条件. 最后, 通过两个数值例子说明了理论结果的有效性.

• 空地异构机器人系统协作巡逻路径规划方法

  胡子峰,陈洋,郑秀娟,吴怀宇

  空地异构机器人系统由空中无人机和地面无人车组成, 当两者协作执行持续巡逻任务时, 使用无人车充当无人机的地面移动补给站能够解决无人机续航能力不足的问题. 运动受限于路网中的无人车必须在适当地点为无人机补充能量, 这使得两者的路径高度耦合, 给空地协作路径规划带来了挑战. 针对此问题, 本文通过分析无人机能量、路网、空地汇合时间、巡逻任务全覆盖等多种约束, 以无人机完成全部巡逻任务的总距离为代价, 建立了空地协作巡逻路径规划模型. 该模型可推广至多架无人机与多辆无人车协作的情形. 然后, 采用遗传算法与蚁群算法相融合的方法, 对无人机巡逻路径和无人车能量补给路径进行优化求解. 仿真实验表明, 本文的方法不仅可以得到很好的路径规划结果, 而且较其他算法具有更优的收敛性和执行速度.

• 分布式随机离散事件系统的模式故障预测

  金衍伟,刘富春,赵锐,曹卫华,崔洪刚

  本文以随机自动机为模型, 研究分布式随机离散事件系统的模式故障预测问题. 首先根据分布式随机离散事件系统的分布特性对模式故障协同可预测性概念进行形式化, 并通过构造模式故障识别器来识别系统中发生的模式故障. 然后, 构造一个模式故障协同预测器, 提出一种基于协同预测器的具有多项式复杂度的算法, 得到关于分布式随机离散事件系统模式故障协同可预测性的充分必要条件, 实现对分布式随机离散事件系统的模式故障预测.关键词: 随机离散事件系统; 分布式; 模式故障; 故障预测

• 密度敏感模糊核最大熵聚类算法

  李烨桐,郭洁,祁霖,刘璇,阮鹏宇,陶新民

  提出一种密度敏感模糊核最大熵聚类算法. 该算法首先通过核函数将原始非线性非高斯的数据集转化为核空间数据集, 然后利用核函数的相似性抵消不属于该聚类的样本数据在聚类过程中对聚类中心求解的干扰, 消除正则化系数对聚类结果的影响, 进而抑制传统最大熵聚类算法的趋同性. 最后通过引入相对密度项, 解决因样本数据在特征空间的分布差异而导致的聚类中心求解偏差问题, 从而提高聚类结果的准确性. 实验部分, 本文讨论了算法参数间的关系以及对聚类结果的影响. 通过与传统模糊C均值聚类算法、核模糊C均值聚类算法、最大熵聚类算法、最大熵规范化权重核模糊C均值聚类算法以及其他两种改进最大熵聚类算法的聚类结果进行对比分析, 结果表明本文提出的密度敏感模糊核最大熵聚类算法的聚类性能明显优于其他算法.

• 具有时滞脉冲的线性随机时滞系统的均方指数稳定

  崔瑶,程培,蔡婷

  本文研究了具有时滞脉冲的线性随机时滞系统的稳定性问题, 基于Lyapunov函数和Razumikhin技巧, 针对具有镇定型脉冲和反镇定型脉冲的线性随机时滞系统分别建立了系统均方指数稳定的充分条件, 最后给出两个数值例子论证结果的有效性.

• 多阶段间歇过程鲁棒模糊预测异步切换控制

  彭博,施惠元,苏成利,李平

  本文针对非线性多阶段间歇过程在切换瞬间存在异步切换的问题, 提出了一种鲁棒模糊预测异步切换控制方法. 该方法将非线性多阶段间歇过程表示为同步子系统和异步子系统的等效闭环扩展Takagi-Sugeno模糊模型,在此基础上给出了确保每个批次指数稳定和每个阶段渐近稳定的, 基于线性矩阵不等式的稳定性条件以及不同情况运行时间的计算方法. 根据运行时间采用超前切换思想, 避免异步切换情况的出现, 保证系统的稳定运行. 仿真案例表明所设计的控制器是有效的和可行的.

• 环卫车辆轨迹跟踪系统的无模型自适应迭代学习控制

  姚文龙,庞震,池荣虎,邵巍

  针对环卫车辆周期重复性工作特点, 考虑模型时变以及未知扰动问题, 提出一种基于无模型自适应迭代学习的环卫车辆轨迹跟踪控制方法. 首先, 针对环卫车辆建立了两轮移动机器人的运动学模型, 然后, 给出带时变参数和非线性不确定项的迭代域下全格式动态线性化数据模型, 引入时间差分估计算法, 设计基于最优性能指标的轨迹跟踪无模型自适应迭代学习控制方法, 并进行仿真分析. 结果表明, 环卫车轨迹跟踪系统车身角随迭代增加超调减小, 与传统迭代学习控制算法相比, 具有松弛的条件限制和较好的鲁棒性, 同时提高了控制系统精度.

• 基于深度学习与混沌特征融合的滚动轴承故障诊断

  金江涛,许子非,李春,缪维跑,肖俊青,孙康

  本文针对现有滚动轴承智能故障诊断方法在面向大噪声背景下鲁棒性能差的问题. 基于混沌理论, 提出采用相空间重构方法还原并丰富轴承振动的动力学特性, 通过卷积神经网络(CNN)提取混沌序列中的高级抽象特征,又考虑故障信号具有长程相关性, 将低维抽象故障特征引入长短期记忆网络(LSTM), 以灰狼算法优化的支持向量机(OSVM)作为分类器, 提出CCNN (Chaotic CNN)–LSTM–OSVM智能故障诊断方法. 试验结果表明, 在处理信噪比为??6 dB信号时, 该方法仍具有89.96%的准确率, 相比以Softmax作为分类器的CNN–LSTM和CCNN–LSTM方法分别高出15.36%和5.21%, 且在收敛速度方面亦有较大优势.

• 配置弹簧阻尼装置空间机器人双臂捕获卫星操作缓冲柔顺控制

  朱安,陈力

  为了避免空间机器人双臂捕获卫星操作过程中关节被冲击载荷破坏, 在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD). 该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量, 还能配合所设计的缓冲柔顺策略将冲击力矩限在安全范围内. 首先, 针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统, 分别利用耗散力Lagrange方程法与Newton–Euler法建立了其动力学模型. 然后, 结合动量定理、速度约束、闭链几何约束及牛顿第三定律, 导出了捕获后的闭链混合体系统动力学模型. 针对混合体系统的缓冲柔顺控制问题, 提出一种基于模糊小波神经网络的强化学习控制策略, 该策略通过自适应惩罚单元处理原始强化信号获得二次强化信号, 具有极强的环境适应能力. 最后, 利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性, 数值仿真验证了弹簧阻尼装置的抗冲击性能及所提策略的有效性.

• 基于低差异序列与快速扩展随机树融合算法的 机械臂路径规划

  代伟,李创业,杨春雨,马小平

  针对机械臂在高维关节空间下路径规划效率低的问题, 本文提出了一种基于低差异序列与快速扩展随机树融合的路径规划算法. 该方法首次使用Sobol序列代替快速扩展随机树中的伪随机序列, 从而生成均匀差异采样点, 且在采样过程中通过建立采样池对采样点进行优选, 提高了采样点质量和采样效率. 在此基础上, 为使规划的路径变得光滑, 本文采用基于最小二乘法的多项式拟合方法对各关节角的离散点进行后处理. 实验部分首先在二维空间中进行算法性能分析, 证明了本文改进的算法能够快速稳定的避开障碍物到达目标点; 最后以AUBO–i5机械臂为原型开展了实验研究, 验证了所提算法在机械臂上应用的优势.

• 具有时变通信受限非线性信息物理系统的网络化预测控制

  刘国平

  针对具有时变通信受限的一类非线性信息物理系统, 本文采用网络化预测控制策略, 对于时变通信时延和数据丢失, 不是使用常规的被动方式抑制, 而是进行主动补偿. 为了使补偿时变通信受限的方式简单、主动和通用,提出了一种新颖的网络化非线性预测控制方法. 所设计的网络化非线性预测控制器能达到具有与无网络的本地闭环控制系统完全相同的期望控制性能. 同时, 经系统稳定性分析, 给出了闭环网络化非线性预测控制系统稳定的充要条件. 数值算例说明了所提网络化非线性预测控制器设计方法对信息物理系统中时变通信延时实现了完全补偿.

• 基于强化学习的一类具有输入约束非线性系统最优控制

  罗傲,肖文彬,周琪,鲁仁全

  针对部分系统存在输入约束和不可测状态的最优控制问题, 本文将强化学习中基于执行–评价结构的近似最优算法与反步法相结合, 提出了一种最优跟踪控制策略. 首先, 利用神经网络构造非线性观测器估计系统的不可测状态. 然后, 设计一种非二次型效用函数解决系统的输入约束问题. 相比现有的最优方法, 本文提出的最优跟踪控制方法不仅具有反步法在处理n阶系统跟踪问题上的优势, 而且保证了所有虚拟控制器均为最优, 同时, 该方法可以简化控制器设计过程. 最后, 基于李雅普诺夫稳定性理论, 证明了闭环系统中的所有信号一致最终有界. 通过仿真结果验证该方法的有效性.

• PMSM伺服系统线性自抗扰控制器的参数整定

  许文波,魏泽宇,孔伟,潘龙,刘伟奇

  当自抗扰控制器在工程中应用时, 控制器性能和参数整定难易决定了其可推广性. 本文阐述了一种将PI控制器改造为线性自抗扰控制器(LADRC)的方法, 并给出了参数整定规则. 首先, 本文对于永磁同步(PMSM)伺服系统“位置–速度–电流”三闭环控制建立了“P+P/I+P/I”结构的控制模型, 并通过极点配置的方法将控制器参数整定转换为位置环和速度环的带宽设计. 其次, 本文将积分(I)替换为线性扩张状态观测器(LESO), 从而将PI控制器改造为线性自抗扰控制器. 对LESO同样通过极点配置将参数整定转换为LESO对外扰观测的带宽设计. 这样将LADRC控制器中的7个待整定参数转换为3个物理意义明确的待整定参数, 降低了参数整定难度. 最后本文通过仿真和实验的方法对控制器的快速性和鲁棒性进行了验证.

• 随机开放量子系统的纯态开关反馈控制

  董智翔,丛爽

  针对目标态为纯态的情况, 本文对有限维随机开放量子系统, 提出一种同时适用于本征态和叠加态的开关控制, 它是由常量控制和基于李雅普诺夫方法设计的控制律组成, 实现随机开放量子系统的状态转移和收敛控制,其中, 李雅普诺夫函数为系统的状态距离, 常量控制用来驱动系统状态从初始状态进入含有目标态的收敛域中, 李雅普诺夫控制用来使进入收敛域中的状态继续收敛到期望的目标态. 将所提出的控制方法, 应用于2比特随机开放量子系统进行了数值仿真实验, 并与本征态开关控制律方法进行了性能对比, 实验结果表明了所提出的控制律的优越性.

• 工业有机污染物治理过程的多目标优化控制

  高世达,薄翠梅,李俊,陈宇鑫,崔世宇,乔旭

  工业有机污染物具有多相态共存、治理工艺复杂、治理成本高等特点. 因此针对有机污染物的临氧裂解/催化氧化治理工艺, 研究了一种基于改进的NSGA–II的优化控制方法. 首先, 根据治理过程的工艺要求和设备操作参数, 使用Aspen Plus建立了稳态模拟系统, 并对关键控制参数进行了灵敏度分析. 然后以最低的总能耗和最大的废水治理量为优化目标, 使用改进的NSGA–II优化处理过程的控制参数, 获得一组帕累托最优解. 最后, 基于能量平衡设计了厂级有机污染物综合处理的能量自平衡控制方案, 并进行动态模拟和实验装置测试. 模拟和实验结果表明, 该系统具有良好的动态响应性能, 所设计的实验装置稳定运行状态下能耗低, 净化效率高.