控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第8期

• 网络攻击下一类非线性切换多智能体系统的安全自适应控制

  李占杰,马亚静,岳东

  针对一类控制方向未知的非线性切换多智能体系统, 本文研究了在不确定网络攻击下的安全控制问题. 网络攻击破坏传感器真实数据, 导致系统真实信息无法获取且不能直接用于控制设计. 为此, 通过受攻击状态构建一组新颖辅助变量来消除网络攻击造成的影响. 此外, 所研究的系统包含更一般的不确定性, 即未知控制方向, 未知常值参数以及不确定攻击. 这些不确定性在设计过程中相互耦合. 利用Nussbaum型函数并设计自适应律补偿耦合后的不确定性, 极大降低了系统复杂性. 通过系统性地迭代构造出共同Lyapunov函数, 提出了一套安全自适应控制方法, 保证了受攻击系统在任意切换下达到渐近输出一致性. 最后, 数值仿真验证了该方法的有效性.

• 切换自治系统的动态输出反馈镇定

  孙振东,王苗苗

  本文研究离散时间切换线性自治系统的输出反馈镇定问题. 在切换系统可观测的假设下, 设计具有多线性时变增益的动态观测器, 实现有限时间状态估计. 在此基础上, 设计多路径动态输出反馈切换策略, 实现闭环系统指数收敛.

• 带有混合时滞的切换系统的耗散性分析与控制

  解红珍,宗广灯,杨东

  本文研究了一类具有不稳定子系统和混合时滞的切换系统的耗散性和指数镇定问题. 首先, 为了消除不稳定子系统给这类时滞系统带来的不利影响, 采用了一种新颖的切换信号设计方法–将模态依赖平均驻留时间的慢切换和快切换方法相结合, 并通过利用Lyapunov相关理论, 给出了全局指数稳定的充分条件. 然后, 利用耗散性理论、多重Lyapunov-Krasovskii泛函技术、积分不等式、与Schur补引理等方法, 以线性矩阵不等式的形式给出了耗散性能的相关判据, 使闭环系统实现全局指数稳定性的同时具有严格耗散性能. 进一步, 在给定扰动衰减水平的前提下, 通过求解一些严格的LMI条件, 建立了一组可行控制器. 最后, 通过仿真实例验证了该方法的有效性.

• 切换非线性系统的输出反馈周期事件触发控制

  李实,向峥嵘

  本文针对一类在任意切换信号作用下的切换非线性系统, 研究了其输出反馈周期事件触发控制问题. 所考虑的非线性系统采用非严格反馈形式且含有未知时变控制系数. 在本文中, 仅利用采样时刻的系统输出. 为了估计系统的不可量测的状态, 基于采样的系统输出构造了降维状态观测器. 为了减少通信资源的利用, 提出了一种新的输出反馈周期事件触发策略, 该策略包含仅利用事件触发时刻的信息构造的输出反馈事件触发控制器以及仅在采样时刻间歇性监测的离散事件触发机制. 通过选取可容许的采样周期及合适的公共Lyapunov函数, 证明了闭环系统在任意切换下全局渐近稳定. 最后, 通过将本文中所给出的控制方案应用到数值算例中验证了其有效性.

• CLF-CBF-QP新形式下非线性系统的安全攸关控制与优化

  龙离军,胡腾飞

  利用二次规划(QP)结合控制Lyapunov函数(CLF)和控制障碍函数(CBF)形成非线性系统的一种安全攸关控制策略, 称为CLF-CBF-QP, 其在实现控制目标和确保安全之间起到协调作用. 然而, 一旦引入附加的约束, 如输入约束, QP求解可能变得不可行. 另外, 当考虑系统本身的体积或环境中存在快速移动的障碍物时, 动态系统与障碍物发生碰撞的可能性会极大地提高. 因此, 本文首先从控制输入空间和状态空间的角度分别分析QP求解可行性以及CLF和CBF中参数对QP求解可行性和系统性能的影响, 并提出一种CLF-CBF-QP新形式来提高优化问题的可解性; 其次, 在考虑动态系统本身的体积且环境中存在动态障碍物时, 设计一种CBF新形式使其仍能保证系统的安全性; 最后, 通过线性平面四旋翼在存在动态或静态障碍物的环境中进行轨迹跟踪来验证所提出方法的有效性.

• 预设时间下的分布式优化和纳什均衡点求解

  张苗苗,叶茂娇,郑元世

  本文研究了预设时间下的分布式优化和纳什均衡点求解问题. 假设每个智能体只能通过局部的信息更新自身的状态, 设计了一类预设时间下的分布式协议. 该协议可以在任意预设的时间内实现收敛, 并且不需要依赖智能体的初始状态和系统参数. 当目标函数是强凸函数时, 通过选取一个适当的Lyapunov函数, 利用代数图论和凸分析理论等工具严格的证明了多智能体系统在预设时间下能够收敛到优化问题的最优解和非合作博弈问题的纳什均衡点. 最后, 通过仿真算例进一步验证了本文所设计协议的有效性.

• 时滞和扩散驱动下信息物理融合系统恶意病毒传播动力学

  庄乾辉,肖敏,王赫,邱建龙,梁金玲,蒋海军

  本文提出了信息物理融合系统(CPS)中具有反应扩散效应的时滞恶意病毒传播模型, 研究了恶意病毒传播的空间格局动态演化机制, 为恶意病毒在信息物理融合系统中预测和控制提供了战略指导. 给出了模型的基本再生产数, 并分析了空间中无病毒平衡点和地方病毒平衡点的存在性. 在无时滞条件下建立了扩散引发的图灵不稳定条件; 在有时滞条件下得到了时滞依赖的稳定性条件和Hopf分岔判据. 最后, 通过数值仿真验证了理论分析的正确性.

• 精确估计下的多智能体系统漏斗复合控制

  李枝强,刘洋,周琪,鲁仁全

  针对一类具有时变扰动的非线性多智能体系统, 研究其在有向拓扑下的一致性跟踪问题, 提出一种基于精确估计的复合自适应预设有限时间(PFT)漏斗控制方法. 首先, 构建一种新的PFT漏斗控制, 使跟踪误差约束在PFT漏斗边界内. 其次, 采用神经网络(NN)逼近系统的未知非线性, 并利用NN逼近信息设计扰动观测器, 建立基于NN和扰动观测器的复合估计模型, 将得到的预测误差引入NN权值的复合更新律中, 实现对未知非线性和时变扰动的精确估计. 然后, 利用动态面技术和误差补偿机制, 在解决传统反步法“计算爆炸”问题的同时, 消除滤波器误差对系统的影响. 最后, 通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统所有信号均为有界的, 并通过仿真实验验证控制方法的有效性.

• 输入时滞非线性系统的新型动态面Funnel控制

  王清华,刘烨,张桂林,李洪芹,刘海珊

  本文针对一类带有输入时滞的不确定非线性系统, 提出了新型动态面Funnel控制方案. 首先设计补偿动态变量将输入时滞系统转换成无时滞的系统, 仅需在递归控制的最后一步补偿, 从而优化了控制器设计过程. 其次,构造Funnel函数, 使系统的瞬态和稳态跟踪误差被限制在给定边界内. 最后, 提出新型非线性动态面控制方法, 不仅避免了自适应反推控制中的“微分爆炸”问题, 而且消除了边界层误差, 使得系统的跟踪误差最终渐近收敛到零. 理论分析表明该闭环系统的所有信号一致最终有界, 仿真结果验证了该控制方案的有效性.

• 非线性时滞系统基于降阶观测器的反步镇定控制

  李文杰,张正强

  针对一类状态未知的非线性严格反馈时滞系统, 本文提出了一种基于静态增益函数的输出反馈控制方案.首先构造了降阶观测器以估计非线性系统的未知状态. 然后在Backstepping设计的每一步定义了具有控制增益函数的新型Lyapunov-Krasovskii泛函以补偿未知时变时滞, 定义新的选择不唯一的连续控制增益函数以补偿非匹配项以及Lyapunov-Krasovskii泛函补偿时滞时产生的非负项. 提出了一种无记忆输出反馈控制方案. 理论分析表明: 该控制方案消除了未知时滞的影响, 保证了闭环系统所有信号的有界性, 并使系统实现渐近稳定. 最后仿真结果验证了此控制方案的有效性.

• 输出非对称死区的非严格反馈非线性系统控制

  孙猛,杨洪

  本文研究了具有输出非对称死区和状态含未知控制方向的非严格反馈非线性系统, 设计了稳定的自适应神经网络控制器. 首先, 针对输出非对称死区的问题, 本文采用死区逆的方法, 构造光滑模型逼近原死区模型. 其次, 在控制器设计过程中, 基于障碍Lyapunov函数的构造, 动态面控制和反步法, 设计出自适应控制信号, 虚拟控制信号和实际控制信号. 通过稳定性分析, 证明所设计的神经网络控制器可以保证闭环系统内所有信号是半全局一致最终有界. 最后, 通过MATLAB数值仿真, 说明所设计控制器的有效性.

• 级联RTAC系统动态神经网络辨识与分散镇定控制

  张宇,程开新,竺俊杰,武国勋,姚熊亮

  针对含不确定关联项的级联RTAC系统的镇定控制问题, 提出了一种基于动态神经网络辨识的分散控制方案. 应用拉格朗日方程建立起了考虑不确定非线性作用力的级联RTAC系统数学模型, 采用动态神经网络实现级联RTAC系统中不确定关联项的在线辨识, 通过构造含神经网络权值矩阵迹的Lyapunov函数, 证明了辨识误差的一致有界性. 通过动态神经网络辨识不确定关联项、补偿系统建模误差, 建立级联RTAC系统分层滑模控制算法, 以实现级联RTAC系统的高精度分散镇定控制. 数值仿真验证了动态神经网络的引入对级联RTAC系统分散镇定控制系统瞬态幅值抑制、稳态精度提升的效果.

• 一类非线性系统的自适应抗测量噪声的输出反馈镇定

  林雷,沈艳军

  本文研究一类非线性系统的自适应抗测量噪声的输出反馈镇定问题. 所研究的非线性系统输出中存在正的且有界的乘性噪声. 非线性项的增长率为一个未知常数乘以输出的幂函数加上带有时滞输出的幂函数. 首先, 证明一个矩阵不等式. 其次, 设计含有3个时变增益的输出反馈控制器, 并给出增益的自适应律, 然后, 构造适当的Lyapunov-Krasovskii泛函, 给出确保闭环系统渐近稳定的充分条件. 最后, 仿真实验验证该方法的可行性和有效性.

• 区间2型T-S模糊系统的事件触发预测控制

  周靖峰,胡满峰

  本文研究了前提不匹配的区间2型(IT2)模糊系统的事件触发预测控制问题. 首先, 提出了一个IT2模糊系统模型, 包括动态事件触发机制(ETM)和预测控制器, ETM可以通过减少传输的数据包数量来节省有限的网络资源,预测控制器可以预测两个成功传输时刻之间的系统状态来处理不可靠的通信网络. 其次, 根据李雅普诺夫稳定性理论和前提不匹配方法, 得到了系统稳定的充分条件. 然后, 根据线性矩阵不等式(LMI)得到控制器增益. 最后通过数值模拟验证了方法的有效性.

• 具有Preisach类型磁滞输入的不确定非线性系统 自适应神经网络控制

  邱伟文,赖冠宇,章云

  本文针对一类执行器受Preisach磁滞约束的不确定非线性系统, 提出一种基于神经网络的直接自适应控制方案, 旨在解决系统的预定精度轨迹跟踪问题. 由于Preisach算子与系统动态发生耦合, 导致算子输出信号不可测量, 给磁滞的逆补偿造成了困难. 为解决此问题, 本文首先将Preisach模型进行分解, 以提取出控制命令信号用于Backstepping递归设计, 并在此基础上融合一类降阶光滑函数与直接自适应神经网络控制策略, 形成对磁滞非线性和被控对象非线性的强鲁棒性能, 且所设计方案仅包含一个需要在线更新的自适应参数, 同时可保证Lyapunov函数时间导数的半负定性. 通过严格数学分析, 已证明该方案不仅保证闭环系统所有信号均有界, 而且输出跟踪误差随时间渐近收敛到用户预定区间. 基于压电定位平台的半物理仿真实验进一步验证了所提出控制方案的有效性.

• 非线性系统有限时间自适应动态面容错控制

  李应森,陈明,王焕清,彭开香

  针对具有传感器故障的一类严格反馈非线性系统, 提出一种有限时间自适应动态面容错控制策略. 考虑的传感器故障包括: 固定偏差故障、漂移故障、精度下降及失效故障. 以反步法为主要设计依据, 利用模糊逻辑系统处理模型中的未知函数. 该控制策略的显著优势在于结合有限时间理论、容错控制、模糊逻辑控制及动态面控制, 使得系统无论发生故障与否, 均使得系统在原点处是半全局实际有限时间稳定, 同时保证系统的实际输出信号在有限时间内跟踪期望信号, 且跟踪误差收敛于坐标原点的小邻域内. 另外, 通过采用动态面控制技术克服了传统反步法中的计算复杂问题. 最后, 仿真算例证明了该设计方案的有效性.

• 线性系统的事件触发输出反馈有限时间有界控制

  杨中林,魏自航,林相泽

  本文研究了线性系统的事件触发输出反馈有限时间有界控制问题. 与渐近稳定只定性地要求系统在采样间隔有界不同, 有限时间有界需要估计系统轨迹的上界以保证满足动态系统的定量要求. 本文基于类李雅普诺夫函数给出了保证闭环系统的有限时间有界性和避免芝诺现象的充分条件. 这些充分条件可以转化为线性矩阵不等式, 便于验证和实际应用. 此外, 为了节约资源, 提出了一种可变参数的事件触发规则, 提高了设计灵活性. 仿真结果验证了本文的主要结论.

• 基于扰动观测器补偿的机械臂非奇异快速终端滑模控制

  孙国法,赵尔全,张国巨,黄鸣宇

  针对机械臂系统在实际应用中存在的建模误差及未知扰动问题, 设计了一种基于扰动观测器的改进型非奇异快速终端滑模控制策略. 通过扰动观测器准确估计系统存在的总扰动, 并设计恰当的非线性增益函数使扰动观测误差指数收敛, 实现了对控制器的前馈补偿. 考虑到终端滑模存在的奇异性问题, 结合扰动观测器设计了非奇异快速终端滑模控制器, 在保证跟踪误差有限时间收敛的同时抑制了滑模控制固有的抖振现象. 同时在控制器设计过程中, 用fal函数代替sig函数有利于削弱滑模控制抖振, 提高系统稳定性及跟踪精度. 最后, 利用MATLAB软件进行实验仿真, 验证了所设计控制器的有效性.

• 基于自适应线性自抗扰控制的飞机防滑刹车系统重构控制

  刘舒畅,杨忠,张钊,陈爽,张小恺

  飞机防滑刹车系统是确保飞机安全起飞、着陆和滑跑的重要航空机电系统. 除了其动力学中的强非线性、强耦合以及参数时变外, 潜在的执行器等组件故障也会严重降低防滑刹车系统的安全性与可靠性. 为满足故障及扰动状态下系统的性能需求, 本文提出了一种基于自适应线性自抗扰控制的飞机防滑刹车系统重构控制方法.根据飞机防滑刹车系统的组成结构及工作原理对其进行数学建模, 并对执行器注入故障因子. 设计了自适应线性自抗扰重构控制器, 同时分析了整个闭环系统的稳定性. 该控制器将组件故障、外部干扰以及测量噪声等视为总扰动, 根据状态误差反馈和系统输出信息, 利用BP神经网络在线优化更新扩张状态观测器和状态误差反馈律参数, 从而更精确地观测与补偿总扰动带来的不利影响. 最后, 在不同跑道环境下的仿真结果验证了所提出重构控制器的适应性和鲁棒性.

• 基于TS-FNN的城市固废焚烧过程MIMO被控对象建模

  丁海旭,汤健,夏恒,乔俊飞

  针对城市固废焚烧(MSWI)过程中因机理反应复杂、不确定性严重等原因导致被控对象模型难以建立的问题, 设计了一种基于(T-S)型模糊神经网络(FNN)的多输入多输出(MIMO)模型. 首先, 描述了MSWI过程的核心工艺流程并分析了模型的影响因素; 接着, 设计了面向过程控制的被控对象建模策略, 其由工况识别模块、数据预处理模块、特征约简模块、被控对象模型训练模块与被控对象模型测试模块组成; 最后, 通过实验表明了所构建模型的有效性, 为研究MSWI过程的优化控制算法奠定了基础.

• 采用非线性无源理论的MMC–MG并网电流控制

  王兴贵,王海亮,薛晟,李晓英

  针对MMC半桥串联结构微电网(modular multilevel converter microgrids, MMC–MG)并网电流控制中, 采用传统PI控制方法时其动态性能较差的问题, 提出一种利用无源控制理论的电流控制策略. 首先, 阐述了系统的拓扑结构, 并建立了其欧拉–拉格朗日数学模型. 然后, 通过选取系统的状态变量, 设置误差能量函数及需注入的阻尼项,以得到无源控制律; 并依据该控制律设计无源电流控制器. 此外, 通过观察采用不同阻尼值时控制器的稳定性、电流谐波特性、幅频和相频特性曲线, 进而得到最佳的阻尼参数; 最后, 由系统的并网仿真模型验证所提无源电流控制的有效性. 结果表明, 与传统PI控制相比, 阻尼注入无源控制方法能在不同运行工况下实现对电流和功率参考值的快速跟踪. 同时, 具有良好的谐波特性和稳定性.

• 不确定Chua电路系统的固定时间自适应参数估计

  石尚,李慧,闵惠芳,徐胜元,孙永辉

  针对具有未知参数的不确定Chua电路系统, 本文提出了一种基于Volterra积分算子的固定时间自适应参数估计算法. 在仅有输出信号的已知的情况下, 该算法能够保证参数的估计值在一个不依赖于初始误差的固定时间内收敛到参数的真实值. 通过在Volterra积分算子中巧妙的选取核函数, 使其满足在τ = 0和τ = t时核函数及其导数为零, 从而能够有效消除系统初始值的影响, 同时避免了对系统输出导数的计算. 最后, 仿真结果验证了所提算法的有效性.

• 控压钻井系统井下不确定参数与未知状态估计

  徐宝昌,吴楠,孟卓然

  针对控压钻井过程中井下信息获取难度大的问题, 本文设计了一种可以同时估计井下不确定参数与未知状态的自适应观测器. 首先, 针对未知状态中含有不确定参数的控压钻井系统, 提出了一种可解耦不确定参数的观测器匹配条件. 其次, 根据此观测器匹配条件设计自适应观测器估计井下参数与状态, 并通过李雅普诺夫稳定性理论证明了估计误差的渐近稳定性. 最后, 基于线性矩阵不等式方法求解观测器增益, 提高观测器的鲁棒性. 仿真分析表明: 与已有针对控压钻井系统设计的自适应观测器相比, 本文所设计的观测器对井下环空摩擦积分和井底流量的估计具有更好的收敛性以及鲁棒性.

• 动态事件触发的无人机非线性系统故障检测

  盖文东,李珊珊,张桂林,张婧

  本文在Hi/H1优化框架下, 研究基于动态事件触发的无人机非线性系统故障检测问题. 高空、长航时无人机需要通过通信网络与地面站进行数据交互, 以实现故障检测等复杂功能. 为了充分利用有限的通信资源, 采用动态事件触发机制决定是否将测量输入输出数据传送给故障检测模块, 若传输数据不满足触发条件则被丢弃, 因此,故障检测性能不仅受到干扰和故障影响, 还受到非事件触发时刻数据与实际系统数据误差影响, 即事件触发传输误差影响. 为此, 针对无人机非线性系统, 提出一种新的动态事件触发Hi/H1故障检测方法. 该方法可以在动态事件触发条件下, 实现故障检测滤波器残差与事件传输误差完全解耦, 能够避免连续通信和Zeno现象. 在Hi/H1优化框架下, 通过Riccati方程递归计算, 得到动态事件触发故障检测滤波器的最优解. 最后, 以无人机非线性姿态控制系统为例, 验证所提方法的有效性和可行性.

• 基于多质点模型的动车组精准停车自适应控制

  李茂青,王以庆,高云波,阳长琼

  精准停车是列车自动驾驶系统的关键技术之一, 有助于提高乘客上下车效率, 降低列车停站晚点风险. 本文针对动车组精准停车问题, 建立动车组多质点非线性动力学模型, 处理各节车厢因随机且未知的乘车人数分配不同的制动力. 在此模型的基础上, 利用动车组运行过程中的状态偏差, 设计自适应控制器. 针对模型动态非线性和参数的未知性, 设计参数的估计律, 对参数值进行实时估计. 根据输入–输出稳定性理论, 通过构建含参数估计误差的Lyapunov函数, 证明自适应控制算法的渐近稳定性. 仿真结果表明: 基于动车组多质点模型, 参数自适应控制器分配不同的控制输入给复合控制单元进行协调制动. 该控制方法在实现动车组平稳运行的同时, 使得停车误差在±5 cm以内.