控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第5期

• 四轮驱动电动汽车稳定性预测控制器快速实现

  许芳,郭中一,于树友,陈虹,刘奇芳

  为解决四轮驱动电动汽车在高速情况下易发生甩尾失控的安全性问题, 针对整车和执行器间的动力学耦合、控制系统非线性、多变量、实时性等问题, 本文采用集中式的控制策略, 设计了一种车辆横摆稳定的快速非线性预测控制器, 实现了整车横摆稳定和电机转矩分配的一体化控制. 为了控制系统的实时实现, 将非线性规划问题转化为代数方程组求解, 通过解耦预测时域间方程组的耦合关系, 实现时域间优化问题的并行求解, 提高了控制器的计算速度. 最后给出了控制器的硬件并行加速实验, 完成了控制系统的硬件在环实验, 实现了车辆横摆稳定系统的实时控制. 实验结果表明该控制器不仅具有良好的控制性能, 而且明显提升了系统实时性.

• 一种带时间协同和角度约束的多导弹三维协同制导律

  田野,蔡远利,邓逸凡

  针对多枚导弹在三维空间从不同初始位置同时拦截机动目标的问题, 设计了一种带视线角约束的有限时间协同制导律. 首先, 给出三维空间的导弹–目标相对运动方程并建立了考虑视线角约束的多弹协同制导模型. 其次, 对视线纵向及法向方向分别设计了相应的协同制导律. 其中在视线方向基于多智能体有限时间一致性理论设计了协同制导律, 保证各拦截弹能够同时击中目标; 基于一种新型的固定时间非奇异终端滑模控制方法设计了视线法向上的角度约束制导律, 使各拦截弹的视线角能够在固定时间内收敛至期望值, 实现空间上的协同; 同时, 构造了扩张状态观测器估计目标加速度. 最后, 对三枚导弹同时拦截同一机动目标的情况进行仿真对比, 验证了本文所提出协同制导律的有效性.

• 专家监督的SAC强化学习重载列车运行优化控制

  杨辉,王禹,李中奇,付雅婷,谭畅

  重载列车是我国大宗商品运输的重要方式, 因载重大、车身长、线路复杂等因素导致重载列车的控制变得困难. 本文将列车运行过程分为启动牵引、巡航控制、停车制动3个阶段, 基于多质点重载列车纵向动力学模型, 考虑常用空气制动, 利用(SAC)强化学习方法, 结合循环神经网络对专家经验数据进行行为克隆, 并将克隆出的专家策略对强化学习训练进行监督, 训练了一种新的智能驾驶操控策略. 本文的策略可以高效学习驾驶经验数据, 不断从学习中提高目标奖励, 得到最优控制策略. 仿真结果表明: 本文所提的控制策略比未受专家模型监督的强化学习算法更优, 奖励提升的周期更快, 并能获得更高的奖励, 训练出的控制器运行效果更加高效、稳定.

• 基于改进动态运动基元的6D轨迹规划

  王健发,王耀南,陈文锐,刁强

  动态运动基元(DMPs)轨迹规划方法可以简化机械臂控制中参数调整的复杂过程, 快速生成运动轨迹, 但是面对姿态的流形特性以及跨零点情况, 现有的DMPs很难达到预期的效果. 本文提出了一种基于改进DMPs的笛卡尔空间6D轨迹规划方法. 该方法采用四元数描述姿态, 实现了位置轨迹与姿态轨迹的无奇异表示. 通过解耦强迫函数与起–终点状态差值项之间的关联, 消除了跨零点引起的轨迹抖动、无法生成与翻转等问题. 此外, 基于机械臂和障碍物间的距离与偏角建立了虚拟阻抗关系, 并将其耦合到动力学模型中, 实现了机械臂末端的避障控制, 避免了避障行为过早问题, 有利于减少消耗. 机械臂6D轨迹规划仿真和实验表明, 本文提出的改进DMPs方法有效.

• 采用核鲁棒非负矩阵分解的执行器动态过程故障检测

  王印松,孙天舒,丁梦婷,袁环环,解沛然

  作为流程工业中控制系统的重要组成部分, 执行器的正常工作对确保生产过程的安全性和可靠性具有重要意义. 针对处于动态调节中的执行器, 提出一种基于核鲁棒非负矩阵分解(KRNMF)的故障检测方法. 首先, 利用正常状态下的历史数据构建流量特性曲线, 获取完备的动态工况训练集. 其次, 为克服运行数据动态特征、非线性特征, 在核非负矩阵分解的基础上引入稀疏误差矩阵, 隔离异常数据. 同时, 构造新的SPE统计量并使用核密度估计确定其控制限. 通过DAMADICS仿真、水箱平台以及火电厂减温水调节阀实际数据的对比实验, 验证了该方法的有效性.

• 基于强化健康指数相似度量的航空发动机失效阈值设置

  刘小峰,史长振,黄洪升,柏林

  针对航空发动机剩余寿命预测中多监测参数对发动机性能退化表征能力不强及失效阈值设置困难问题,采用强化健康指数相似度量法进行了失效阈值加权设置. 该方法首先利用Box–Cox变换增强发动机监测参量与飞行循环间的关联性, 再采用降噪自编码器进行退化特征的提取. 为了增强退化特征对发动机剩余使用寿命的表征能力, 采用多重核典型相关技术构建发动机的统一健康指数(HI). 引入全阶时间幂灰色预测模型对全寿命参考发动机HI的失效阈值进行预测, 并结合基于KL距离的HI曲线相似度量方法对失效阈值加权融合, 以确定测试发动机的失效阈值. 试验结果表明, 本文提出的失效阈值设置方法充分考虑了航空发动机性能退化过程的个体差异性与相似性, 克服了传统失效阈值的主观设置问题, 有效地提高了航空发动机RUL的预测精度, 为实现航空发动机的健康管理提供一种新思路与手段.

• 具有外部扰动的PMSM系统的无模型自适应预测控制

  王誉,侯忠生

  针对于一类具有强耦合、负载不确定性和外界干扰的永磁同步电机(PMSM)系统, 本文研究了基于无模型自适应预测控制(MFAPC)问题, 并提出了一种新颖的MFAPC方案来实现有外界扰动的PMSM系统的速度追踪任务.所提出控制方案的主要优势在于仅使用了被控系统的输入/输出数据, 并且对外界干扰具有较强的鲁棒性. 此外, 还讨论了闭环系统跟踪误差的收敛性以及有界输入有界输出的稳定性. 最后, 通过与传统的PI控制方案、原型无模型自适应控制(MFAC)方案的仿真结果相比较, 验证了所提出MFAPC方案的有效性和优越性.

• 融合强化学习和进化算法的高超声速飞行器航迹规划

  池海红,周明鑫

  由于高超声速飞行器的复杂特性, 对其进行航迹规划是一项非常困难的任务. 本文针对高超声速飞行器巡航段, 提出了一种将无模型的强化学习和交叉熵方法相结合的在线航迹规划算法. 本文将航迹规划问题建模为环境信息缺失程度不同的马尔可夫决策过程, 利用(PPO)算法在建立的飞行环境模拟器中离线训练智能体, 并通过提高智能体的动作在时间上的相关性来保证航迹的曲率平滑. 交叉熵方法则以已训练的智能体由观测到的状态给出的动作作为一种先验知识, 进一步在线优化规划策略. 实验结果表明了本文的方法可以生成曲率平滑的航迹, 在复杂的飞行环境中具有较高的成功率, 并且可以泛化到不同的飞行环境中.

• 基于Hamilton理论的冷带轧机速度张力系统非奇异 快速终端滑模控制

  刘乐,周麟,邓冉阳,方一鸣

  针对交流异步电机驱动的冷带轧机速度张力系统的跟踪控制问题, 给出一种基于Hamilton理论的非奇异快速终端滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种新型扰动观测器对系统中由参数摄动和负载扰动引起的不确定项进行观测; 其次, 通过预反馈控制建立了冷带轧机系统速度张力磁链外环的耗散Hamilton模型, 进而基于互联–阻尼配置及能量整形方法完成耗散Hamilton控制器的设计; 再次, 基于串级控制思想完成了冷带轧机系统电流内环非奇异快速终端滑模控制器的设计. 通过理论分析证明了所提控制方法能够保证闭环系统全局稳定. 最后, 基于某交流异步电机驱动的冷带轧机系统的现场实际数据进行仿真对比研究, 仿真结果验证了本文所提方法的有效性.

• 基于TG–LSTM神经网络的非完整时间序列预测

  陈中林,杨翠丽,乔俊飞

  针对传统模型对含数据缺失的非完整时间序列预测精度不高的问题, 利用长短期记忆(LSTM)神经网络强大的时序建模能力, 提出一种带时间门的长短期记忆(TG–LSTM)神经网络. 首先, 提出一种能同时对输入值在线估计和输出值实时预测的TG–LSTM单元结构; 其次, 基于TG–LSTM结构设计一种网络的前向传播算法, 实现输入填补和输出预测同步进行; 然后, 建立TG–LSTM神经网络的学习算法来对输入填补和输出预测任务整体训练; 最后,通过在Mackey-glass基准数据集, 月平均气温数据集和污水处理出水氨氮预测中的实验结果表明: 与传统方法相比,TG–LSTM神经网络模型能以更高精度对非完整时间序列进行填补和预测.

• 线性随机系统的微小传感器故障检测

  牛艺春,刘诗洋,高明,盛立

  针对一类线性随机系统, 研究了其微小传感器故障检测问题. 基于Kalman滤波算法构造状态估计器, 利用移动加权平均方法设计残差与评价函数. 根据非中心卡方分布的性质, 分析了故障幅值、窗口长度、误报率和漏报率之间的关系. 采用不等式技术, 得到了确保在统计意义下微小故障可检测性的最优权值和最小窗口长度. 最后, 通过一个仿真实例验证了所提方法的有效性.

• 多扩展目标跟踪中基于加权最优子模式分配距离的传感器管理方法

  陈辉,刘雅婷,张双庆,韩崇昭

  针对多扩展目标跟踪优化中的传感器管理问题, 本文基于随机有限集(RFS)提出一种基于加权最优子模式分配(W–OSPA)距离的传感器管理方法. 首先, 在部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)理论框架下, 给出基于逆威沙特椭圆分布假设的多扩展目标跟踪传感器管理的基本方法. 其次, 利用W–OSPA距离求解多扩展目标后验分布的离差, 以离差最小化获得最优化的多扩展目标状态估计设计传感器管理策略. 最后, 通过推导给出的离差数值求解方法进行最优传感器管理方案的决策. 仿真实验基于OSPA距离评价验证了所提传感器管理方法相对于其他算法对多扩展目标的质心运动状态和椭圆形状都有更好的估计效果.

• 黏性土冻胀风险可拓评价方法研究

  王伟,刘丹娜,王兴,高成梁,夏炜燕

  针对黏性土冻胀性分级指标单一、界限值大, 无法反映冻胀影响因素间不确定性的问题, 本文在基于可拓云模型在不确定性方面的优点, 结合熵值客观赋权方法提出了以取样深度、含水率、干密度、孔隙比和超塑含水率为评价指标的可拓云综合评价模型. 该模型可根据实测数据与冻胀风险等级的随机性处理离散化问题, 真实反映指标间的模糊性、随机性以及不确定性关系, 准确评价黏性土冻胀等级, 通过工程案例对该模型的有效性进行了验证.研究结果表明, 基于熵值法的可拓云综合评价模型在黏性土冻胀风险评价中的应用是有效的、可行的.

• 基于收缩反步的不确定机械臂轨迹跟踪控制

  孟宪洋,尤海荣,何平,张果,李恒

  针对不确定机械臂系统的轨迹跟踪控制问题, 基于干扰观测器原理, 提出了一种收缩反步控制算法. 首先,采用非线性观测器对系统的模型不确定项和未知外部干扰部分进行观测. 然后, 使用收缩反步控制求解出控制输入力矩, 从而实现对参考轨迹的精确跟踪, 并分析二阶闭环系统的增量稳定性和Lyapunov方程解的原点指数稳定性.最后, 将上述所提控制律应用于2-DOF机械臂, 通过收缩反步与滑模控制的对比仿真, 证明其有效性.

• 有限时间内的动车组群分布式协同巡航多智能体控制

  魏文军,葛俊德,武晓春

  本文研究了动车组群系统的移动闭塞协同巡航控制问题, 通过设计有限时间分布式协同控制算法实现了多车高速协同巡航. 算法取消了动车组中心控制单元, 将单列动车组的每个动力单元视为一个智能体, 不同动车组之间的智能体形成多智能体群系统. 设计了动车组智能体有限时间分布式协同控制算法, 该算法首先实现了单列动车组各个动力单元快速追踪到期望的速度, 且保证车钩位移在安全范围内, 其次该算法还能实现动车组群高速巡航等间距运行, 提高了线路利用率的同时避免了碰撞. 最后进行了理论分析, 证明了算法的稳定性和有限时间收敛性,并提供了仿真结果验证了该算法的有效性.

• 约束多目标粒子群算法在烧结配矿优化中的应用

  冯茜,李擎,王耀祖,全威

  针对钢铁生产的烧结配料过程中铁矿石价格变化大、矿石品位波动、烧结原料信息复杂、烧结配料约束繁多等对烧结配料成本的影响, 提出了一种基于区域划分的约束多目标粒子群优化算法对烧结配矿进行优化. 以国内某钢铁厂的实际烧结生产配料为例, 构建烧结配料系统模型; 为了协调全局探索和局部搜索的关系, 将自适应角度划分策略融入约束评价准则, 结合区域分布提取局部最优解信息, 同时引入双外部存储集机制, 维护种群多样性; 通过标准函数集的测试, 验证了所提算法的有效性. 该算法应用于配矿过程中, 能够兼顾成本与全铁含量, 有效降低了烧结配料的成本, 对烧结铁矿石资源的综合利用及质量保证具有重要意义.

• 相机抖动场景中数据驱动的背景图像更新算法

  孙国庆,侯忠生

  视频序列中的运动目标检测是计算机视觉领域的重要研究课题. 背景减除是运动目标检测的有效方法, 但相机抖动会对背景提取带来极大干扰, 从而可能造成传统基于模型的图像处理方法模型失真. 本文提出了相机抖动场景下前景图像提取的数据驱动背景图像更新控制算法. 首先利用Harris特征检测进行背景补偿以消除抖动干扰.然后利用无模型自适应控制方法, 建立单入单出控制系统来表示背景图像并进行实时更新. 最后运用背景减除法提取运动目标前景图像. 本文方法与传统基于模型方法进行了不同视频序列的对比仿真. 实验结果表明, 本文方法可以有效处理相机抖动场景下的运动目标检测问题, 目标前景图像分离效果更加接近真实场景.

• 架空配电线路雷电感应电压特性及解析算法性能分析

  于建立,张迎栋,程龙,鲁志伟

  为了深入理解架空线雷电感应电压特性为配电网雷电防护提供技术参考, 本文采用时域有限差分法及Agrawal耦合模型对10 kV架空配电线路雷电感应电压进行了数值计算. 以解析计算方法中导线高度、回击电流幅值以及落雷距离3个特征参数为考察对象, 分析了三者对架空线雷电感应电压的影响, 实现了对解析计算公式计算精度的定量化分析. 计算表明, 雷电感应电压脉冲幅值随导线高度和回击电流幅值增大均线性提高, 随落雷距离减小非线性提高. 受水平电场特性及导线相互作用的影响, 落雷距离减小和导线数增多均会显著加重雷电感应电压波形的畸变. 以数值计算为标准, 解析算法误差可高达45%50%, 本文研究结果可为配电网运维工作提供理论参考.

• 考虑非线性因素的飞机防滑刹车系统控制

  陈希远,王浩天,严小双,杨建忠

  飞机的刹车过程存在较强的非线性, 目前广泛应用的速度差加压力偏调式(PBM) 控制律难以实现对飞机刹车的高性能控制. 本文提出了一种考虑飞机刹车过程中非线性因素的滑模控制律. 首先建立考虑轮胎跑道非线性和刹车盘摩擦系数非线性的的飞机防滑刹车系统非线性模型, 然后设计了滑模观测器对飞机速度进行估计, 并在此基础上设计了一种滑模变结构控制律, 最后基于模糊理论对滑模控制律进行优化, 从而抑制控制器的抖振. 仿真结果表明, 基于模糊指数趋近律的滑模变结构控制律控制效果优于传统“PD+PBM”控制律, 抑制控制器输出抖振效果良好, 能够很好的适应刹车过程中的复杂非线性因素, 刹车效率高, 控制方法合理有效.

• 基于空间基函数优化组合的微波加热温度分布数值求解

  杨彪,马红涛,杜婉,刘承,高皓

  针对微波加热是一个多物理场各自演变及相互耦合的过程, 无法直接求得媒质温度分布偏微分方程(PDE)解析解的问题, 本文提出一种快速及准确求解微波加热温度分布的新方法. 首先, 本文在无限维PDE降维到有限维ODE温度模型的基础上, 分析了ODE温度模型阶次选择与温度分布求解精度量化关系. 其次, 通过自适应变异粒子群算法(AMPSO)优化误差函数近似得到最优的空间基函数转换矩阵, 利用该矩阵将空间基函数进行线性优化组合, 进一步降低ODE模型阶数, 进而使得在一定误差范围内可以更快速的求解微波加热过程中媒质的温度分布. 再次, 通过数值仿真实验证明, 温度分布求解误差主要产生于模型阶次的选择, 且优化后的低维ODE模型的温度分布精度相对误差控制在1.64%以内, 求解速度提升72.2%. 最后, 使用多物理场耦合有限元方法求解微波加热PDE温度模型, 进一步验证了优化后的低维ODE温度模型的准确性, 充分验证了本文方法的有效性.