控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第6期

• 实时格斗游戏的智能决策方法

  唐振韬,梁荣钦,朱圆恒,赵冬斌

  格斗游戏作为实时双人零和对抗博弈的代表性问题, 具有实时对抗和快速响应的重要研究特性. 相应针对性方法的提出有效反映了游戏人工智能领域的重要研究进展及发展方向. 本文以格斗游戏人工智能竞赛作为研究背景, 将智能决策方法分为启发式规则型、统计前向规划型与深度强化学习型三大类型, 介绍相应的智能决策方法在实时格斗游戏中的研究进展. 为分析格斗游戏智能决策方法的表现性能, 本文提出了胜率、剩余血量、执行速率、优势性和伤害性的5个性能因子, 系统分析智能决策方法的性能优势及不足. 最后, 对未来的在格斗游戏中研究发展趋势进行展望.

• 带有运行成本函数的Hamilton-Jacobi可达性分析

  廖玮,梁涛涛,魏小辉

  水平集方法将可达集表示为Hamilton-Jacobi方程解的零水平集, 保存多个不同时间范围的可达集则需要保存Hamilton-Jacobi方程在多个时刻的解, 这不仅需要消耗大量的存储空间还为控制律的设计造成了困难. 针对这些局限性, 提出了一种改进的基于Hamilton-Jacobi方程的可达集表示方法. 该方法在Hamilton-Jacobi方程中加入了一项运行成本函数, 可以用同一个时刻的解的多个非零水平集表示多个不同时间范围的可达集, 极大地节省了存储空间并为控制律的设计提供了便利. 为了求解所构造的带有运行成本函数的Hamilton-Jacobi方程, 采用了一种基于递归和插值的方法. 最后, 通过一些数值算例验证了所提出的方法的精确性、在存储空间方面的优越性以及设计的控制律的有效性.

• 改进的广义Feistel结构轻量级分组密码算法

  张晓枫,刘永桂

  随着复杂环境信息物理系统的更加开放, 数据的安全传输问题备受关注. 轻量级分组密码算法是保证信息物理系统数据安全传输的重要方法之一, 但其仍存在软件实现速率低、硬件实现复杂和灵活性缺乏等问题. 针对上述问题, 提出了一种基于四分支的广义Feistel结构的高性能轻量级分组密码算法. 相较于传统的广义Feistel结构算法, 该算法进行了以下优化: 1) 采用由模加、循环位移和异或3种操作组合成的ARX (modular addition, rotation andXOR)结构替换传统广义Feistel结构中的S盒(非线性替换层)和P盒(线性置换层), 简化了算法的轮函数结构; 2) 增加非对称双子密钥以处理每轮加密的明文中间状态, 使得中间状态不存在未处理的分支, 提高了算法的安全性; 3) 设计了可扩展的轮常数加模块, 提高了算法的灵活性; 4) 分支中增加混淆扩散结构fx, 加快了算法的混淆和扩散速度;5) 灵活设计了6个版本的轻量级分组密码算法, 以适应不同位数的CPU平台. 实验和分析表明, 该算法实现效率高,具有良好的混淆和扩散能力, 以及较高的安全性.

• 兼顾平顺性与车高调节的重型车空气悬架控制

  孙维超,张晋华,潘惠惠

  空气悬架由于质量轻、刚度以及高度可调等优点在重型车中得到了广泛的应用. 空气悬架可以实现重型车的两项重要功能: 平顺性保证以及车身高度调节, 但是空气悬架的平顺性以及车身高度调节均通过空气弹簧气压腔的气压改变来实现, 因此二者是彼此制约和冲突的. 然而, 目前对空气悬架车高调节的研究追求控制的精确性与稳定性而忽略了平顺性, 而对平顺性的研究又几乎不考虑车高变化造成的影响. 基于上述动机, 本文提出了兼顾平顺性的空气悬架重型车车高调节鲁棒控制方法, 实现了平顺性保障下的车高调节曲线精确跟踪控制, 提升了重型车空气悬架系统的整体性能. 实车参数仿真验证了所提出方法在平顺性与车高调节两项指标中的优越性.

• 多信道有限缓存下混合业务接入控制的排队性能研究

  黎锁平,徐倩毓,JAAFAR Gaber

  基于无线通信网的运行机制和实时性、非实时性混合业务对无线通信网络的不同服务质量(QoS)要求, 设计了有限缓存下实时性业务优先接入控制策略, 并建立了无线通信网络在有限缓存下混合业务带有优先接入控制的多服务台离散时间排队模型Geom1  Geom2/Geom1, Geom2/s, s(PP)/n + s; s. 精确划分了系统的状态组成, 分析了系统性能和状态转移概率, 获得了系统的稳态分布、平均队长、损失率、以及信道的平均利用率. 最后, 对所建模型进行数值模拟, 得到各业务到达率、服务率、信道个数、缓冲器容量与各业务损失率的关系. 针对网络拥塞控制,本文提出通过增加信道个数、提高优先级业务的服务率能有效地降低两类业务的损失率.

• 精确增量式ε型孪生支持向量回归机

  曹杰,顾斌杰,潘丰,熊伟丽

  为了解决现有ε型孪生支持向量回归机的训练算法无法高效处理线性回归的增量学习问题, 提出了一种精确增量式ε型孪生支持向量回归机(AIETSVR). 首先通过计算新增样本的拉格朗日乘子以及调整边界样本的拉格朗日乘子, 尽可能减少新增样本的二次损失对原有样本的影响, 使得大部分原有样本依然满足Karush–Kuhn–Tucker(KKT)条件, 从而获得一个有效的初始状态; 其次对异常拉格朗日乘子逐步调整至满足KKT条件; 然后从理论上分析了AIETSVR的可行性和有限收敛性; 最后在基准测试数据集上进行仿真. 结果表明, 与现有的代表性算法相比,AIETSVR能够获得精确解, 在缩短大规模数据集的训练时间上优势显著.

• 具有DoS攻击非线性网络的动态事件触发控制

  黄玲,孙晓宇,蔺小娜,郭婧

  针对非线性网络控制系统存在的拒绝服务(DoS)攻击设计一种具有动态事件触发策略的H∞安全控制器.首先, 将DoS攻击引起的丢包影响作为触发条件的不确定性, 针对这个不确定性以及在静态事件触发中引入一个内部动态参数, 设计动态事件触发机制, 在此基础上设计具有H1性能的安全控制器. 然后, 考虑网络通道中网络诱导时延对系统的影响, 建立能够体现时延上下界信息的Lyapunov-Krasovskii泛函, 依据Lyapunov稳定性理论、Young’s不等式、Schur补引理、单边Lipschitz条件、二次内有界和动态事件触发条件推导出系统存在安全控制器的条件, 继续利用一些特殊导数, 将双线性矩阵不等式转化为一组线性矩阵不等式, 从而实现触发参数与反馈增益的协同设计, 同时保证存在DoS攻击的安全性能. 最后, 通过一个数值例子验证所提方法的有效性.

• 采摘机械臂自适应输入整形控制研究

  刘德馨,张建成,李媛,方建军

  采摘机械臂在夹住柔性果茎后运输果实时, 执行器末端的加减速运动使得果实在移动过程中产生摆动, 易引发掉落, 进而导致采摘失败. 本文以单个西红柿作为负载, 将果茎近似为柔性连杆. 由于每一个果实的质量是不同的, 因此, 针对机械臂抓取可变柔性负载移动过程中的振动抑制问题, 提出了自适应输入整形控制方法. 当系统模型由于负载的不确定性发生变化后, 传统的输入整形算法无法抑制柔性连杆移动过程中产生的振动. 因此采用自适应输入整形算法, 实时计算脉冲的幅值和时间. 构造二次性能指标函数, 通过对机械臂移动的加速度和负载的摆角实时数据进行迭代运算, 达到零残余振动的目的. 仿真实验结果表明, 在变负载情况下, 自适应输入整形算法有良好的末端振动抑制能力, 获得满意的控制效果.

• 基于模型深度强化学习的数据中心主动地板控制

  温建伟,张立,段彦夺,李雷孝

  如何消除数据中心的局部热点是困扰数据中心行业的关键问题之一. 本文采用主动地板(AVT)来抑制局部机架热点现象, 并将数据中心AVT控制问题抽象为马尔可夫决策过程, 设计了基于深度强化学习的主动地板最优控制策略. 该策略基于模型深度强化学习方法, 克服了传统无模型深度强化学习方法采样效率低的缺陷. 大量仿真实验结果表明, 与经典无模型(PPO)方法相比, 所提出的方法可迅速收敛到最优控制策略, 并可以有效抑制机架热点现象.

• 车路协同环境下智能交叉口车速控制

  张游,潘福全,张丽霞,杨晓霞,陈秀锋,李昕光

  传统信号控制交叉口通过相位禁行方式来解决交通冲突,导致交叉口时空资源利用率低, 延误增加. 为提高车路协同环境下的交叉口通行效率, 本文提出了一种基于时空间隙动态分配的智能交叉口车速控制方法, 对交叉口车辆通行时间进行归一处理, 建立了车辆跟驰控制模型和冲突避碰模型, 使车辆能够根据交叉口控制区域内的实时路况信息预先进行速度调整, 达到不停车通过交叉口的最优安全速度. 运用VISSIM和MATLAB联合搭建仿真运行环境, 分别在600 pcu/ h, 1200 pcu/h和1800 pcu/ h交通流量条件下, 对智能控制和传统控制交叉口的控制效益进行评价对比, 结果表明: 该智能控制方法均能够有效缩短交叉口车辆延误, 减少车辆油耗和各类污染物的排放, 且交通流量越高, 改善效果越明显.

• 连续搅拌釜式反应器的自耦比例–积分–微分控制

  白家赞,曾喆昭

  针对一类参数不确定的连续搅拌釜式反应器, 使用了一种与被控对象无关的自耦比例–积分–微分(autocouplingproportional-integral-differential, ACPID)控制方法. 该方法将系统内部所有不确定因素及外部扰动定义为一个总扰动, 建立了以总扰动为激励的受控误差系统, 并根据ACPID 镇定规则建立了连续搅拌釜式反应器(continuous stirred tank reactor, CSTR)的ACPID控制系统. 理论分析了ACPID控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性. 仿真结果表明了ACPID控制系统的有效性, 在CSTR稳态调节控制领域具有重要的应用价值.

• 非平衡有向网络的完全分布式凸优化

  时侠圣,林志赟,王雪松,董世建

  分布式凸优化问题的目的是如何以分布式方法最小化局部智能体成本函数和, 而现有分布式算法的控制步长选取依赖于系统智能体个数、伴随矩阵等全局性信息, 有悖于分布式算法的初衷. 针对此问题, 提出一种基于非平衡有向网络的完全分布式凸优化算法(FDCOA). 基于多智能体一致性理论和梯度跟踪技术, 设计了一种非负余量迭代策略, 使得FDCOA的控制步长收敛范围仅与智能体局部信息相关, 进而实现控制步长的分布式设置. 进一步分析了FDCOA在固定强连通和时变强连通网络情形下的收敛性. 仿真结果表明本文构建的分布式控制步长选取方法对FDCOA在有向非平衡下的分布式凸优化问题是有效的.

• 基于功能性电刺激的上肢康复系统条件反馈控制

  吴振龙,霍本岩,秦云辉,刘艳红,李东海

  功能性电刺激是脑卒中患者有效的康复方法, 然而上肢肌肉的动态模型存在着强非线性、多源扰动、模型不精确和参数变化大等控制难点. 为提高基于功能性电刺激的上肢康复系统的跟踪速度和扰动抑制能力, 本文提出了一种基于条件反馈的比例–积分控制策略, 条件反馈的设计用于提高系统的跟踪性能, 通过比例–积分控制器抑制外部扰动与模型不确定性. 通过单一变量法分析了控制器参数对控制效果的影响, 提出了一种简单、实用的参数整定规则. 基于Hammerstein肌骨系统模型, 通过仿真验证了所提方法在保证闭环系统鲁棒性的前提下, 与常规的比例–积分控制器相比在跟踪和扰动抑制性能方面的优势. 最后, 基于搭建的上肢康复系统控制平台, 对不同实验者在不同目标输出力下进行对比实验, 实验结果表明本文所提基于条件反馈的比例–积分控制策略的平均峰值量占比为9.22%, 而对比控制策略的平均峰值量占比为17.80%, 所提控制策略的平均单位误差绝对值积分指标是对比控制策略平均单位误差绝对值积分指标的70.43%, 验证了本文所设计的控制策略在保证闭环系统鲁棒性的前提下具有更好的跟踪效果.

• 基于随机矩阵建模的Student’s t逆Wishart滤波器

  陈辉,王莉,韩崇昭

  针对复杂的异常噪声条件下扩展目标跟踪问题, 本文基于随机矩阵模型(RMM)提出了一种Student’s t逆Wishart滤波算法. 首先, 运用Student’s t分布对异常的过程噪声和量测噪声进行建模, 运用逆Wishart分布对目标扩展状态进行建模, 以更加合理的数学模型表征异常噪声条件下基于稀疏量测的目标基本轮廓特征. 进一步的, 本文详细推导了能稳健估计目标椭圆形状特征的Student’s t逆Wishart滤波算法, 能在形状和方向动态演变过程中有效估计扩展目标的多重特征. 最后, 通过构造异常噪声条件下椭圆扩展目标跟踪的仿真实验验证了所提算法的有效性.

• 一类时变系统中补偿器的功能和设计

  开平安,曾世权,邓慧

  PID控制器由于其结构简单和参数整定容易, 具有良好的控制功能, 被广泛应用在工程上的线性确定性系统中. 但是, 在非线性系统和不确定性系统中, PID控制器由于其固定的控制参数和结构限制, 很难克服系统中内外干扰的影响, 控制器鲁棒性能较差. 本文按照被控对象中的标称模型设计常规PID控制器优化参数, 对非线性系统中多个线性化模型和不确定性系统中的不同工作点模型, 设计了一类补偿器, 使得整个闭环系统具有与标称模型下相同的控制品质. 工程应用例子论证了本文提出的补偿器能提高不确定与非线性系统的控制品质和鲁棒性能.

• 基于未知物体三维点云特征的机器人六自由度抓取

  李会军,瞿孝昌,叶宾

  针对非结构化环境中任意位姿的未知物体, 提出了一种基于点云特征的机器人六自由度抓取位姿检测方法, 以解决直接从点云中获取目标抓取位姿的难题. 首先, 根据点云的基本几何信息生成抓取候选, 并通过力平衡等方法优化这些候选; 然后, 利用可直接处理点云的卷积神经网络ConvPoint评估样本, 得分最高的抓取将被执行, 其中抓取位姿采样和评估网络都是以原始点云作为输入; 最后, 利用仿真和实际抓取实验进行测试. 结果表明, 该方法在常用对象上实现了88.33%的抓取成功率, 并可以有效地拓展到抓取其他形状的未知物体.

• 连续型同心管机器人正运动学快速求解方法

  冯子俊,李永强,冯宇,冯远静,刘扬

  针对可在受限环境中灵活运动的连续型同心管机器人传统正运动学方法计算时间较长, 不利于机器人实时运行的问题, 本文提出了基于机器人几何学的同心管机器人正运动学快速求解方法, 能够在精度损失有限的情况下, 提高正运动学模型的计算效率. 先根据Cosserat杆模型对同心管机器人进行建模, 再利用李代数理论建立了机器人空间位置和曲率的关系式, 并结合提出的正运动学方法, 对机器人进行了基于逆运动学的开环控制实验. 最后通过3管机器人的仿真和实物实验验证了本文所提方法的快速性和有效性.

• 改进人工势场的手术机器人位姿规划

  郝林佳,叶灿,都书鲜,王宇,武博,张楠

  运动避障与路径规划是手术机器人自动化手术中重要的技术环节, 为机器人手术提供了良好的术中安全性及准确性. 本研究针对上述两关键技术, 提出改进人工势场的手术机器人位姿规划算法, 首先, 通过对引力函数进行改进, 在不求取运动学逆解的情况下, 能够准确驱动机械臂到达指定位姿; 接着, 利用快速凸包算法将障碍物凸体化, 通过Gilbert Johnson Keerthi (GJK)算法计算障碍物与机械臂连杆等效圆柱面之间的最近距离, 使避障距离更加准确; 然后, 通过自适应步长, 使机械臂运动更加平稳快速; 最后, 引入动态引力常数, 使机械臂具有逃离局部极小值的能力. 实验结果表明, 本研究能够让机器人在避障情况下平稳快速到达规划位姿, 并在陷入局部极小值时逃逸,为未来医疗机器人在自动化手术方面提供了新思路.

• 具有未知扰动上界的气垫船全鲁棒滑模控制

  付明玉,白丹,张坦,董李晶

  本文以轨迹跟踪为任务目标, 针对具有未建模动态, 参数不确定和未知扰动的全垫升气垫船非线性动力学模型, 提出了一种新颖的全鲁棒滑模变结构控制器, 并且结合一种不需要扰动上界信息的综合观测器对系统的总扰动进行前馈补偿. 首先给出气垫船四自由度的运动学和动力学矢量模型, 在扰动上界未知的条件下, 针对系统内外不确定性的本质不同, 分别设计前馈补偿, 同时加入补偿项进一步减小估计误差. 然后, 设计了一种新颖的无趋近过程的全鲁棒滑模控制器, 保证高速行驶的气垫船在未知扰动的环境中仍能够较好的完成跟踪任务, 减小跟踪误差的同时消除抖振, 增强气垫船控制系统的鲁棒性. 通过Young’s不等式和李雅普诺夫稳定性证明整个联动系统的稳定性, 仿真结果表明该方法的有效性.

• 船舶目标重叠下马赛克图像数据增强方法研究

  曾广淼,俞万能,王荣杰,林安辉

  目标识别中的重叠遮挡问题一直以来是研究的难点, 船舶目标在狭窄水域发生相互遮挡的情况依然存在.本文提出了一种改进的马赛克数据增强方法, 将训练图片拼接变换成3种不同的尺度, 并按照不同比例输入网络进行训练, 强化了检测算法对局部特征的学习能力, 在保持测试速度不变的情况下, 提高了对重叠目标的识别准确率,降低了不同分辨率下识别能力的衰弱速度, 加强了算法的鲁棒性. 基于小型移动测试平台的实测实验证明, 相对于原始算法, 经过改进后的算法在重叠目标的识别准确率上提高了2.5%, 目标丢失时间减少了17%, 在不同视频分辨率下的识别稳定性上提高了27.01%.

• 考虑频域分解后数据特征的空调负荷预测模型

  于军琪,边策,赵安军,解云飞,惠蕾蕾

  针对空调负荷预测实际应用中容易存在数据散杂且可用信息匮乏的问题, 从负荷序列的非线性、非平稳性和随机性出发, 提出了一种基于变分模态分解(VMD)的负荷预测方法. 对不同数据特征序列考虑不同算法的数据观测与训练原理差异, 充分发挥各个模型优势. 首先采用随机森林(RF)进行特征选择, 利用VMD将负荷序列按趋势分量、平稳分量和噪声分量进行分类重构, 并分别对非线性序列建立最小二乘支持向量机(LSSVM)预测模型, 时序平稳序列建立极端梯度提升(XGBoost)预测模型, 采用正态分布拟合随机误差, 得到各子序列预测结果并进行叠加输出最终负荷预测结果. 实验结果表明, 所提方法能准确反映负荷的特性并具有更好的预测精度, 能有效预测空调负荷, 为空调节能优化控制策略提供依据.