控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第7期

• SINS/DVL水下组合导航技术发展综述

  卢道华,宋世磊,王佳,蔡雅轩,沈慧慧

  随着对海洋的探索和开发不断深入, 基于捷联惯性导航系统和多普勒计程仪相结合的水下组合导航技术,近年来在水下无人航行器导航定位得到了广泛应用. 本文简要概述了捷联惯性导航系统/多普勒计程仪(SINS/DVL)组合导航系统的基本架构, 列举了几种被广泛中应用于组合导航系统的信息融合技术. 通过对组合导航技术梳理分析, 总结出近期研究的3个热点问题, 包括初始对准技术、标定技术、鲁棒性技术, 以技术的更新和优化为依托, 详细阐述了3项技术的发展历程. 在总结归纳现有技术和研究成果的基础上, 展望并分析SINS/DVL组合系统将来的研究方向及其面临的挑战. 本文可为高精度水下导航技术研究提供有益参考.

• 单词嵌入表示学习综述

  刘建伟,高悦

  单词嵌入表示学习是自然语言处理(NLP)中最基本但又很重要的研究内容, 是所有后续高级语言处理任务的基础. 早期的单词独热表示忽略了单词的语义信息, 在应用中常常会遇到数据稀疏的问题, 后来随着神经语言模型(NLM)的提出, 单词被表示为低维实向量, 有效地解决了数据稀疏的问题. 单词级的嵌入表示是最初的基于神经网络语言模型的输入表示形式, 后来人们又从不同角度出发, 提出了诸多变种. 本文从模型涉及到的语种数的角度出发, 将单词嵌入表示模型分为单语言单词嵌入表示模型和跨语言单词嵌入表示模型两大类. 在单语言中, 根据模型输入的颗粒度又将模型分为字符级、单词级、短语级及以上的单词嵌入表示模型, 不同颗粒度级别的模型的应用场景不同, 各有千秋. 再将这些模型按照是否考虑上下文信息再次分类, 单词嵌入表示还经常与其它场景的模型结合, 引入其他模态或关联信息帮助学习单词嵌入表示, 提高模型的表现性能, 故本文也列举了一些单词嵌入表示模型和其它领域模型的联合应用. 通过对上述模型进行研究, 将每个模型的特点进行总结和比较, 在文章最后给出了未来单词嵌入表示的研究方向和展望.

• 质子交换膜燃料电池模型的频域分数阶子空间辨识

  叶伟琴,戚志东,田家欣,孙成硕

  针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统发电过程中的分数阶特性, 本文提出了一种频域分数阶子空间辨识方法建立PEMFC的分数阶状态空间(FOSS)模型. 考虑到时域分数阶的微分形式计算复杂度较大, 将时域中的分数阶微分在频域中转化为乘积的形式. 首先, 采用随机多频正弦激励信号对时域采集的信号进行处理, 得到输入输出的频率响应数据; 其次, 利用频率响应数据构造实、虚部矩阵; 接着, 通过RQ分解、SVD分解以及最小二乘法求取系统系数矩阵A, B, C, D; 由于参数同元分数阶次α、辅助阶次q以及频域采样点数M未知, 本文提出了一种GA–PSO算法进行优化, 将PSO算法作为主线, 加入GA算法中的选择、交叉和变异操作, 以进一步提高个体的自适应调整搜索方向、增强全局寻优的能力. 仿真结果验证了算法的有效性, 频域分数阶子空间辨识方法得到的输出能够较好的跟随实测数据, 且优化后的辨识结果误差更小, 精确度更高, 能够更准确地描述PEMFC的电特性变化过程.

• 基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制

  黄海丰,贺威,邹尧,杨昆翰,孙长银

  作为一种新型飞行机器人, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式, 能够有效地融入并适应复杂环境, 在军民融合领域具有广阔的应用前景. 目前针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的研究大多停留在对生物蝴蝶飞行机理的研究, 鲜有能够实现自由可控飞行的机器人系统. 本文设计了一款基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人, 名为USTButterfly-S, 其翼展50 cm, 重50 g, 可实现长达5分钟的自由可控飞行. 首先结合生物蝴蝶翅膀的扑动特征, 设计了双曲柄双摇杆对称扑翼驱动机构. 然后模仿凤蝶的翅翼形状, 设计了仿蝴蝶翼型. 对翅膀的几何学分析表明, USTButterfly-S的翅膀与凤蝶具有较好的形态相似性. 接着针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向控制问题,首次采用线驱动机构拉动翅膀调节翅翼面积, 进而实现了USTButterfly-S的无尾航向控制. 最后集成自主设计的飞控系统, USTButterfly-S能够实现室内盘旋飞行并进行实时航拍. 在实际飞行实验中, USTButterfly-S展现出类似生物蝴蝶的飞行特征.

• 基于改进卡尔曼滤波器的扰动抑制无模型自适应控制方案

  卢行远,侯忠生

  针对无模型自适应控制方法在测量扰动作用下控制效果不佳的问题, 本文提出了一种新的扰动抑制无模型自适应控制方案. 首先基于受控系统的动态线性化数据模型及测量扰动的统计特性, 在最小方差估计准则下推导了基于系统输入输出数据的改进卡尔曼滤波器. 然后基于此滤波器给出了一种新的扰动抑制无模型自适应控制方案. 该方案仅需用到受控系统的输入输出数据, 即可实现在强测量扰动作用下系统的无模型自适应控制. 仿真结果显示, 相比现有的扰动抑制无模型自适应控制方案, 该方案在系统跟踪常值参考信号、时变参考信号时均能有效地抑制测量扰动, 适用性更好的同时可以获得更小的跟踪误差及更大的数据信噪比.

• 基于参考输入优化的变速风电机组最大化风能捕获方法

  陈载宇,李阳,殷明慧,顾伟峰,刘建坤,邹云

  变速风电机组在额定风速以下应用最大功率点跟踪实现最大化风能捕获. 然而, 大惯量风电机组在面对快速波动的湍流风速时, 因转速调节慢而难以保持运行于最大功率点. 本文研究进一步发现, 平均转速跟踪误差与整体的风能捕获效率并非单调关系, 这使得当前以减小转速跟踪误差为目标的控制器设计难以有效提升风电机组的发电效率. 为此, 本文以提升风能捕获效率(而非减小转速跟踪误差)为目标, 提出一种基于参考输入优化的风电机组最大化风能捕获方法. 考虑到参考转速对风能捕获效率的复杂影响难以准确建模, 本文借助深度确定性策略梯度(DDPG)强化学习算法实现参考输入优化. 仿真结果表明该方法能够有效提升湍流风下变速风电机组的风能捕获效率.

• 多目标同时取送货选址–路径问题的多起点变邻域搜索算法

  陈希琼,胡大伟,王宁

  为使同时取送货的选址–路径问题(LRPSPD)的总成本和各路径间最大长度差最小化, 建立同时考虑车辆容量和行驶里程约束的LRPSPD双目标模型. 采用多蚁群算法构造多个以信息素为关联的初始解, 作为多目标变邻域搜索算法搜索的多个起点, 构造四类邻域结构进行变邻域搜索, 并根据最新获得的最优邻域解更新蚂蚁信息素,从而使蚁群算法产生的多个初始解间、以及初始解与变邻域搜索产生的解之间均存在正向影响关系. 用该算法求得文献中4组共128个算例的近似Pareto解集, 结果证明了最小化路径间最大长度差目标对于节点及需求分布不集中算例的重要意义. 以绝对偏向最小化总成本的解与文献中仅最小化总成本的几种算法的算例结果进行比较, 结果表明算法可在极短的运行时间里求得权衡各目标的Pareto解, 并使最小总成本目标值具有竞争性.

• 永磁直线同步电动机智能递归非奇异终端滑模控制

  徐驰,赵希梅

  为解决永磁直线同步电动机(PMLSM)在运行过程中易受参数变化、外部扰动、摩擦阻力等不确定性因素影响的问题, 本文提出一种基于双隐层径向基函数神经网络(DRBFNN)的递归非奇异终端滑模控制(RNTSMC)方法来提高PMLSM系统的控制性能. 首先, 分别构造非奇异终端滑模面和递归积分终端滑模面, 使得两滑模面依次连续到达, 可在削弱抖振的同时保证跟踪误差在理论上的有限时间内收敛至零. 但由于系统不确定性的边界难以确定,因此引入具有更高拟合精度和泛化能力的DRBFNN对不确定性进行逼近和补偿, 并通过在线自适应更新连接权重,进一步提高神经网络的逼近能力. 最后, 系统实验结果表明, 该方法能够有效抑制不确定性对系统的影响, 提高了系统的位置跟踪精度, 并使系统具有较强的鲁棒性.

• 随机傅里叶特征相异度的故障检测算法

  张成,吕佩琛,伊海迪,李元

  针对大规模非线性动态过程故障检测问题, 提出随机傅里叶特征相异度(RFF–DISSIM)的故障检测方法.首先, 利用RFF对原始数据进行映射, 获得特征空间中的数据集; 然后, 在特征空间中应用滑动窗口技术并结合相异度指标对特征空间中的数据集进行过程状态监控. 本文方法通过RFF快速捕获数据的非线性结构并结合相异度指标消除样本间自相关性的影响, 有效地提高了过程监控性能. 通过一个数值例子和连续搅拌釜反应器(CSTR)的仿真实验并与传统的核主元分析、动态主元分析等方法对比分析, 仿真结果进一步证明了本文所提方法的有效性.

• 自适应非局部空间约束与K-L信息的模糊C-均值噪声图像分割算法

  王小鹏,魏统艺,房超,朱生阳

  针对传统模糊C-均值聚类(FCM)算法对噪声鲁棒性差的问题, 提出一种自适应非局部空间约束与K-L信息的模糊C-均值噪声图像分割算法. 首先, 通过定义平滑度, 设计自适应匹配函数, 实现非局部空间信息项搜索窗口和邻域窗口的自适应计算, 克服非局部空间信息窗口大小固定的问题. 其次, 将K-L信息引入目标函数, 利用隐马尔可夫模型计算图像像素的上下文信息, 减少分割的模糊性. 最后, 利用原始图像和非局部空间信息项局部方差的绝对差和其倒数自适应约束原始图像和非局部空间信息项, 实现约束项参数的自适应选择, 提高算法的灵活性. 含噪合成图像和彩色图像分割实验表明, 该算法在分割精准度、平均交互比、归一化互信息、模糊分割系数和模糊划分熵等性能方面均优于其他几种FCM算法. 例如, 在混合噪声密度为15%的条件下, 算法的模糊分割系数和模糊划分熵分别达到99.92%和0.14%.

• 带相关噪声异步采样系统的分布式最优线性递推融合估计

  姜帅,孙书利

  对带相关噪声的异步均匀采样线性离散系统, 研究了分布式最优线性递推融合预报和滤波问题. 通过引入满足伯努利分布的随机变量将系统同步化, 给出了局部Kalman预报器和滤波器. 分别推导了局部估值间的互协方差阵、分布式最优线性融合估值与局部估值间的互协方差阵. 提出了分布式最优线性递推融合预报器和滤波器. 与局部估值按矩阵加权的分布式融合估计算法相比, 所提出的算法具有更高的估计精度, 但与集中式融合相比有精度损失. 为了进一步提高估计精度, 又提出了带反馈的分布式最优线性递推融合预报器和滤波器, 证明了带反馈的融合估计与集中式融合估计具有相同的精度. 仿真例子验证了所提算法的有效性.

• 考虑驾乘人员公平性的网约出租车合乘路径优化模型

  曹弋,周泽禹,李金洋

  为了充分发挥合乘出租车承载率高、运营效益高及交通资源省等优点, 缓解城市打车难问题, 对网约出租车合乘路径优化问题开展研究. 首先针对路网中网约出租车的供需情况, 以系统路径最短为优化目标建立目标函数, 其次考虑网约出租车额定载客量、路径合理性、乘客利益及驾驶员收益与时间窗因素, 构建优化模型的约束条件, 并结合绕行距离与乘客公平性原则进行费用约束, 使得绕行距离长的合乘子路径获得更多的费用补偿, 然后基于遗传算法思想, 针对合乘路径中乘客需求起终点的次序问题, 设计了改进的交叉与变异算子. 最后依据大连市区局部路网高峰时段内的出租车供需数据, 利用合乘路径优化模型及算法进行求解. 研究表明, 优化模型及算法可以短时间寻求到系统近似最优解, 所得合乘方案较非合乘出行模式有效减少了出租车空驶率与乘客的出行成本, 提高了驾驶员的平均收益.

• 移动机器人的线性自抗扰控制设计与实验验证

  王会明,张扬,王雪闯

  为了实现移动机器人的高精度轨迹跟踪控制, 设计了一种基于扩张状态观测器的扰动抑制方法和相应的实验验证平台. 首先, 考虑到不确定扰动如车轮纵向和侧向滑动对移动机器人系统控制性能的影响, 建立了受扰下的运动学模型; 然后, 基于扩张后的运动学模型设计了扩张状态观测器来估计系统扰动; 接着, 利用扰动估计构建了线性自抗扰控制器, 并利用Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性; 同时, 基于MATLAB/Simulink软件和微控制器搭建了所推荐控制算法的实验验证平台. 最后, 仿真和实验结果都验证了所提出控制方法的有效性.

• 钢铁企业热电系统多能流网络多工况优化调度

  姚林,张岩,吕政,张红日

  钢铁企业热电系统是典型的耗能大户, 合理有效的能源调度对提高企业能源利用效率、低碳发展、实现碳中和目标具有重要意义. 考虑热电系统涉及的多种能源介质相互关联和耦合, 产耗量随生产计划以及主工序设备运行状态的改变动态变化等特征, 提出一种基于多能流网络的多工况优化调度模型. 首先, 针对热电系统能源利用过程中的多工况特征, 提出基于多维隐马尔可夫–动态时间弯曲混合模型的工况识别方法, 并基于能源介质产生、消耗、转换的能量流路径分析, 建立热电系统多能流网络模型, 将不同能源介质的需求量等价为对蒸汽、电力和副产煤气的需求量. 其次, 综合分析能源介质动态平衡约束、设备产耗能约束、多能源消耗约束, 建立热电系统多目标优化调度模型, 并得出能源介质调度方案. 通过钢铁企业实际生产数据实验表明, 本文方法能够有效保证系统安全运行、减少系统外购煤的消耗量、增加系统自身发电量、降低运行成本、降低碳排放.

• 基于条件高斯分布的未知输入与状态估计算法

  丁博,杨月全,方华京

  针对未知输入同时存在于系统方程和测量方程的直接馈通线性随机系统, 提出了一种同时估计未知输入和状态的算法. 首先, 通过将未知输入模型描述为有限方差的高斯分布, 利用条件高斯分布的性质, 推导出新的滤波算法, 以同时得到未知输入估计和状态估计. 其次, 证明了当未知输入的方差趋于无穷大时, 本文提出的算法等价于已有的递归三步滤波算法. 最后, 分析了本文算法的渐进稳定性条件, 结果表明, 与已有算法相比, 本文的算法适用范围更广.

• 基于事件语境的文本情感原因对特征提取

  叶苑莉,张灵,陈云华

  现有的情感原因对提取任务(ECPE)大多采用将情感从句逐一与原因从句匹配的方法, 或专注于候选对的排序方法, 忽略了影响情感因果关系成立的从句的事件语境, 导致模型在理解情感因果关系时产生偏差, 并且无法捕捉长距离的因果关系. 为此, 本文提出了基于注意力机制和情感从句卷积核的分层模型, 将原始文档的事件语境特征嵌入到情感原因对特征提取器中, 以创建一个集成和增强的特征. 首先, 将情感分析得到的情感从句类别特征作为卷积核. 然后, 利用文档的事件语境特征提取情感原因对. 本文方法在中文数据集的F1分数上有1.38%6.08%的提升, 在英文数据集的F1分数上有2.35%~7.27%的提升, 说明情感分析和因果事件语境对于情感原因对提取的有效性.

• 基于DVMD降噪的旋转机械故障诊断

  尹逊龙,牟宗磊,王友清

  针对振动信号噪声难以剔除而造成故障诊断精度低的问题, 提出了一种基于深度变分模态分解(DVMD)的旋转机械故障诊断方法. 首先, 利用麻雀算法(SSA)对变分模态分解(VMD)算法的参数进行优化. 然后, 通过SSA–VMD对信号进行自适应深度分解得到模态分量, 将每层深度的分量与原始信号作皮尔逊相关系数分析, 再对分量进行奇异值分解(SVD)或者直接剔除, 将处理后分量重构后, 实现振动信号的深度降噪. 最后, 提取降噪信号的一维多尺度排列熵特征和二维时频特征, 将特征依次放入轻量级梯度提升机(LightGBM)中进行训练, 实现故障诊断. 设计方法在风力涡轮传动系统的齿轮箱故障信号上进行验证, 不仅能够剔除信号的大量噪声, 并且提高了故障诊断精度, 具有良好的工程应用前景.

• DoS攻击下网络化控制系统基于观测器的记忆型事件触发预测控制

  卢韦帆,尹秀霞

  本文研究了DoS攻击下网络化控制系统记忆型事件触发预测补偿控制问题. 首先, 由于网络带宽资源有限和系统状态不完全可观测性, 引入了记忆型事件触发函数, 为观测器提供离散事件触发传输方案. 然后, 分析了网络传输通道上发生的DoS攻击. 结合上述记忆型事件触发方案, 在控制节点设计一类新颖的预测控制算法, 节省网络带宽资源并主动补偿DoS攻击. 同时, 建立了基于观测器的记忆型事件触发预测控制的闭环系统, 并且分析稳定性.通过线性矩阵不等式(LMI)和Lyapunov稳定性理论, 建立了控制器、观测器和记忆型事件触发矩阵的联合设计方案,并验证了该方案的可行性. 仿真结果表明, 该方案结合记忆型事件触发机制可以有效补偿DoS攻击, 节约网络带宽资源.

• 具有切换拓扑的多智能体系统协同控制的差分隐私保护

  孙玉娇,杨洪勇,于美妍

  网络信息技术的不断发展与普及使得各类数据的发布采集变得方便与便捷, 但数据的直接发布势必会造成个网络信息的泄露和敏感信息的失密, 因此敏感信息的保护成为了各行各业关注的问题. 本文研究了基于固定拓扑和切换拓扑的多智能体系统协同控制的差分隐私保护问题, 将差分隐私算法与传统平均一致性算法结合, 提出了具有隐私保护的协同控制算法, 分析了隐私保护算法对分布式协同控制闭环系统稳定性的影响. 基于所提算法, 应用矩阵论和概率统计对隐私保护协同控制算法的收敛性和隐私性进行理论分析, 该算法可以保护智能个体的数据隐私, 同时可以使得系统运动实现均方一致. 在系统拓扑结构动态变化的情况下, 本文对该算法的收敛性和隐私性进行理论分析, 讨论了切换拓扑对隐私保护的影响. 最后的仿真示例验证了理论结果的正确性.