控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2022年第9期

• 热—板传输系统的稳定性分析

  张琼

  本文研究由处于相邻区域的板方程和热方程构成的耦合系统的稳定性质, 其中耦合来自两个区域的交界面上的传输边界条件. 在该传输系统中, 热方程起着控制器的作用, 且耗散通过交界面传输并影响板方程. 文献[1]证明了在板方程上施加额外的控制器时, 该二维传输系统的能量呈指数衰减. 通过应用频域方法, 椭圆方程的正则性理论等, 可以得到: 仅由热方程的耗散即可使得闭环系统指数稳定. 这一指数稳定的结论与相应的一维传输系统的性质吻合. 最后, 文章还分析了不同传输边界条件下的板–热耦合系统的稳定性.

• 扩散方程在可测集上的能观性估计和时间最优控制bang-bang性

  张灿

  在前期工作[4–7]中, 笔者证明当观测集是Lebesgue正可测集时, 具有实解析系数抛物方程的能观性不等式成立. 在这些工作中, 笔者主要用到此类偏微分方程的解在正可测集上的定量估计式. 在这篇文章中, 将运用文献[19]的结论, 建立有界区域上具有非实解析系数扩散方程在时空区域Lebesgue可测集上的能观性不等式. 作为应用,本文将给出相应的时间或范数最优控制问题的bang–bang性.

• 一维反应扩散方程的参数辨识和源项反演

  赵志学,郭宝珠,韩忠杰

  反应扩散方程在许多物理、化学以及生物过程的建模中都有着广泛的应用. 本文研究基于边界控制、边界观测的一维反应扩散方程反应项系数和源项的同时反演问题. 首先, 通过设计边界切换开关控制, 并借助于Dirichlet级数表示的唯一性以及逆谱理论, 证明了反应项系数和源项可以由边界观测唯一确定. 在可辨识性基础上, 结合矩阵束方法和最优扰动正则化算法, 提出了一种稳定的重构系统参数和源项的算法. 最后, 通过数值算例验证了辨识算法的有效性.

• 基于参数估计误差的辊道窑温度场优化控制方法

  陈宁,李彬艳,赫学实,罗彪,桂卫华,阳春华

  辊道窑烧结过程的温度是决定锂离子电池正极材料产品质量的关键. 然而, 根据炉内有限个测温点的温度建立起描述整个温度场的模型往往非常困难, 导致无法优化控制烧结过程的温度分布; 而控制方法的设计一般需要进行参数估计, 已有参数估计方法大多依赖于观测器/预测器的状态误差信息, 无法直接反映待估计参数的变化特征且方法的准确性取决于观测器/预测器的性能. 为此, 本文提出一种基于参数估计误差的温度场自适应动态规划(adaptive dynamic programming, ADP)优化控制方法. 首先, 基于传热机理建立二维多孔介质能量守恒方程, 构建包含角系数的边界条件以反映热辐射作用; 考虑到竖直方向温度变化较大, 通过转换边界条件建立起辊道窑一维温度场模型, 并根据正极材料的特性获得模型参数. 然后, 采用ADP中的策略迭代(policy iteration, PI) 优化设计温度场控制器, 神经网络(neural network, NN)用于PI中的评价网络以逼近代价函数; 基于权值参数的估计值与真实值之差构建参数估计误差, 通过将估计误差的信息融入到评价NN参数更新过程, 提出基于参数估计误差的NN权值更新算法, 以提高参数估计误差的收敛性, 实现有限时间内NN权值的快速收敛. 最后, 通过仿真验证所提建模和控制方法的有效性.

• 热传导方程的时间最优脉冲控制问题的有限元逼近

  黄景芳,刘康生,于欣

  时间最优控制问题是一类典型的最优控制问题, 受到研究者的广泛关注. 脉冲控制是一种在工程控制中被广泛应用的控制方式. 偏微分方程描述系统的最优控制问题的数值逼近的收敛性为数值求解方法的可行性提供了定性依据. 本文研究热传导方程的时间最优脉冲控制问题的有限元逼近的收敛性. 通过利用投影算子的特性和系统状态的误差估计, 证明了逼近问题的最优时间收敛到原问题的最优时间. 由此进一步利用原问题最优控制的bangbang性证明了最优控制的收敛性.

• 不确定Euler-Bernoulli梁方程的边界输出跟踪

  鲍玲鑫

  本文讨论边界带有控制输入非同位的内部不确定和外部扰动的Euler-Bernoulli梁方程输出跟踪问题. 为处理边界干扰, 文章首先设计了一个新的总扰动估计器, 在线估计未知扰动. 其次基于估计出来的总扰动, 设计一个伺服系统跟踪参考信号. 最后根据自抗扰方法获得控制输出跟踪的反馈控制. 闭环系统被证明是适定和有界的, 且受控系统的输出指数跟踪参考信号.

• 自抗扰控制对边界带有干扰的非线性sine-Gordon方程的镇定

  周华成

  本文讨论边界具有内部不确定和外部扰动的非线性sine-Gordon方程的镇定问题. 为处理sine-Gordon方程中的非线性项, 文章给出一个新的总扰动观测器在线估计未知扰动, 并通过自抗扰控制方法, 设计一个控制器使得在反馈控制中实时补偿(消除)总扰动. 闭环系统被证明适定的并且受控系统是指数稳定而扰动观测器是有界的. 数值模拟说明提出方法的有效性.

• 一类含不匹配干扰的非线性系统非递归鲁棒/自适应一体化控制律设计

  董鑫,张传林

  针对一类含不匹配干扰的非线性系统的控制问题, 基于递归化方案得到鲁棒或自适应控制律是常见的设计思路, 如反步法及其衍生控制策略等. 然而, 递归设计的控制律通常由含多偏微分项的多个虚拟控制器组成, 形式复杂的同时, 控制参数选取也较为困难, 易出现“复杂性爆炸”的问题, 因此较难得到广泛的工程应用. 同时, 因递归设计处理系统的非线性与不确定性的差异较大, 难以实现鲁棒/自适应控制的本质性融合. 本文从一个新颖的非递归控制角度出发, 提出了一个能够融合鲁棒/自适应控制策略的设计框架, 实现系统在不匹配受扰情形下的无静差跟踪. 仅通过一步坐标变换, 在等价的可镇定系统框架下, 根据实际工况来灵活切换合适的控制增益, 为工程师同时提供了两个可供选择的控制方案. 相较于已有算法, 本文所提控制器形式简洁易实现, 参数易调节, 适用范围广. 案例分析与实例仿真验证阐明了所提方法的简洁性及有效性, 并给出了一体化控制器工作模式的选取原则.

• 显式抑制测量误差的改进滑模控制

  张嘉榕,潘亮,朱波,胡天江

  反馈控制系统中模型不确定性和测量误差的同时出现, 给高精度控制器的设计带来挑战. 经典滑模控制能抵抗一定程度的模型不确定性和输入干扰, 但引入的高增益使得其性能对测量噪声极为敏感, 也容易引起系统强烈抖振. 为此, 本文针对一种典型的角度和角速率测量分别包含高频和低频测量误差条件, 提出了一种改进的基于趋近律的角度跟踪控制方案. 本方案采用低通滤波器来应对高频测量噪声, 同时采用一种新颖的基于模型的测量误差估计器, 来补偿低频测量漂移. 采用Quanser Aero平台进行两自由度角轨迹跟踪控制仿真和实验验证, 并与自抗扰控制等几种典型鲁棒控制方案进行了全面对比, 证实了本文方案性能上的优越性和调参的便捷性.

• 光储系统直流母线电压与超级电容荷电管理控制

  刘海涛,马丙泰,郝思鹏,黄铖,张匡翼

  光储并网系统中, 针对电压源型换流器(VSC)中外环直流母线电压无静差控制, 提出改进型PI控制方法.根据超级电容荷电状态(SOCsc)提出基于交互控制及限值管理混合储能系统二次功率分配控制策略. 临界充放电模式下, 引入虚拟修正电流的概念, 根据超级电容分配功率的正负及交互速率因子确定虚拟修正电流的大小, 使SOCsc向稳定的区间变化; 极限充放电模式下, 对SOCsc进行限制管理, 避免其过充过放现象. 通过算例分析, 验证了所提改进型PI控制策略的优越性; 并基于获得的SOCsc进行二次功率分配, 控制其荷电状态(SOC)运行于相对稳定工作区间.

• 基于注意力的高炉流态化料面多尺度检测算法

  张腊梅,陈先中,侯庆文

  针对高炉料面图像经常发生多物理形态周期转变导致料线追踪精度下降问题, 研究了一种基于注意力的多尺度卷积核流态化料面检测算法(MKAD). 构建了雷达数据集–灰度图像–料形可视化的一类特征提取框架, 在卷积层采用通道和空间双注意力机制, 获得不同尺度的精细化颗粒流态化特征; 使用多尺度卷积核自适应方法提取并融合喷涌料面多尺度颗粒物特征, 实现跨通道特征融合. 在南钢3#高炉和武钢7#高炉进行了实验和综合评估, 精确率分别可达83.01% 和86.50%, 与峰脊锐化方法相比, 分别实现了1.41%和4.9%的性能提升, 上述融合特征提取框架显著增强了料面检测的鲁棒性.

• 一类不确定变速风力涡轮机系统的实际跟踪控制

  徐文青,李健,吴昭景

  本文研究一类不确定变速风力涡轮机系统的实际跟踪控制问题. 与现有文献对系统不确定性和参考信号的严格限制(系统参数已知, 扰动光滑或上界已知, 参考信号二阶可导)不同, 本文允许系统参数全部未知, 扰动不必可导且上界不必已知, 参考信号仅需一阶可导, 因此传统控制设计方法无效. 为此, 本文首先给出误差系统, 将原系统的跟踪控制问题转化为误差系统的镇定控制问题. 然后, 对误差系统选择适当的李雅普诺夫函数, 将自适应动态补偿技术融入反推控制设计框架, 给出自适应状态反馈控制器显示形式. 性能分析表明该控制器保证闭环系统所有信号有界且转子转速实际跟踪到期望转速, 即在某个时刻之后到达并保持在期望转速的任意给定邻域内. 值得指出的是, 所设计的控制器仅依赖于参考信号本身而不依赖其导数, 因此降低了相关文献对参考信号可量测性的限制. 最后, 仿真实验验证理论结果的有效性.

• 数据丢包下事件驱动的非线性多智能体迭代学习控制

  王宏伟,李昊哲

  针对具有随机链路丢包、通信带宽受限以及模型未知的非线性多智能体一致性问题, 提出一种事件驱动的分布式无模型迭代学习控制策略. 首先建立系统的事件驱动决策机制, 给出基于输出信息的通信触发条件, 当该条件满足时触发事件, 各智能体间进行通信, 不满足条件时则不通信, 从而能够有效减少智能体间的大量通信和能量耗散. 其次, 使用伪偏导数将非线性系统沿迭代轴动态线性化, 借助邻居在前一步事件触发时的输出信息设计随机链路丢包补偿机制, 再结合事件驱动通信机制设计分布式控制协议. 在此基础上, 使用压缩映射原理分析算法收敛性能, 仿真结果表明随着迭代次数的增加, 事件触发间隔变大, 所有的智能体将完成对期望轨迹的跟踪.

• 不确定Euler–Lagrange多智能体系统经验回放自适应蜂拥控制

  王希铭,孙金生,李志韬,吴梓杏

  针对具有可参数化线性回归的不确定项的Euler–Lagrange多智能体系统, 提出了一种基于经验回放的自适应蜂拥控制算法. 在系统模型中的不确定项可以被分解为已知的回归矩阵和未知的回归参数的情况下, 该算法通过在线辨识未知参数, 降低了传统自适应蜂拥控制算法中估计参数收敛对持续激励条件的要求, 可以有效地提高蜂拥系统的性能. 利用设计的滤波器, 在获得估计参数量与实际参数的误差信息的同时, 可以避免使用系统状态的导数信息. 本文设计的自适应律不仅保证系统达成蜂拥控制的目标, 还通过记录不同时刻的误差信息, 使得系统在满足间断激励的情况下, 保证估计参数收敛于实际值. 通过LaSalle不变集理论对算法进行了分析, 给出了理论证明. 仿真验证了该算法的有效性.

• 汽车电子节气门系统自适应固定时间预设性能控制

  万春雨,焦晓红,王众

  针对汽车电子节气门系统对暂稳态性能的较高要求以及系统固有的非线性和参数不确定性特性, 将预设性能控制策略与固定时间稳定性理论相结合, 应用自适应技术对系统参数的在线调节能力, 提出了一种自适应固定时间预设性能控制策略. 通过固定时间收敛理论与改进的预设性能函数设定及控制参数的实时调节, 保障了闭环控制系统对节气门开度任意参考信号的高性能位置跟踪及对运行过程中参数变化和负载扰动的鲁棒性. 控制器的有效性和优势通过MATLAB/Simulink仿真和基于dSPACE的硬件在环实验平台的实验得到验证.

• 基于递推规范变量残差和核主元分析的微小故障检测

  秦玉峰,史贤俊

  微小故障由于故障征兆不明显从而很难在故障发生早期对其进行检测. 针对该问题, 本文提出了一种基于递推规范变量残差和核主元分析(RCVD–KPCA)的微小故障检测方法. 首先构造规范变量残差, 从中提取数据的线性特征. 利用指数加权滑动平均法对规范变量残差进行递推滤波处理, 提高规范变量残差对微小故障的敏感程度;然后使用KPCA提取规范变量残差中的非线性主成分作为非线性特征, 根据提取的特征提出了两个新的故障检测统计量; 此外, 利用核密度估计确定故障检测统计量的控制限. 由于同时提取了过程数据的线性和非线性特征, 有效地提高了非线性动态过程中微小故障的可检测性. 以闭环连续搅拌釜式反应器过程为例进行了仿真分析, 仿真结果表明本文所提方法具有较好的故障检测性能.

• 基于动态参考规划的鲁棒Tube模型预测跟踪控制

  陈硕,郑年年,栾小丽,刘飞

  为实现扰动和约束作用下对系统的最优鲁棒跟踪, 提出一种动态参考规划(DRP)方法, 设计鲁棒Tube模型预测控制器(RTMPC)将系统状态驱动到以最优跟踪点为中心的扰动不变集内. 基于DRP的RTMPC控制方法, 以多步参考为决策变量, 确保在线优化递归可行性的同时, 增加在线优化的自由度; 另外, 通过设定目标函数惩罚标称状态轨迹和参考稳态之间、以及最后一步参考稳态和设定点之间的加权欧式距离, 可实现最优鲁棒跟踪.

• 执行器约束下基于数据驱动的参数化前馈控制器设计

  杨亮亮,张晖,张华,鲁文其

  针对执行器约束下非重复性点到点运动的轨迹跟踪问题, 提出了一种在执行器约束下基于数据驱动的参数化输入整形滤波器和前馈控制器优化设计算法. 首先对输入整形滤波器以及前馈控制器进行参数化, 然后在目标函数中加入控制信号变化量与控制信号能量的约束, 再采用基于数据驱动的迭代寻优算法得到最优参数, 在该参数下可以实现满足执行器约束条件下的运动控制系统轨迹最优跟踪性能. 并且由于采用了前馈参数化设计方法, 在点到点轨迹发生变化时所提出算法依然能够保持良好的轨迹跟踪性能. 仿真与实验结果表明在执行器约束下所提出算法能够实现最优点到点轨迹跟踪性能, 并且对非重复性点到点轨迹跟踪具有一定的鲁棒性.

• 一种QCN火焰图像特征提取的转炉炼钢碳含量实时预测方法

  刘旭琛,刘辉,赵安

  钢水碳含量是影响转炉炼钢出钢质量和冶炼效率的主要因素, 而实现碳含量的连续实时预测是炼钢终点控制的关键和难点. 针对不同碳含量对应火焰图像呈现出的随机自然纹理相似性较高的问题, 根据炉口火焰纹理独有的多方向多尺度不规则特点, 提出了四元数复杂网络(QCN)彩色纹理描述符. 首先, 利用四元数等距映射融合火焰图像颜色通道信息, 且用幅值谱和二次量化后的相位谱描述映射后图谱以增强颜色信息描述; 其次, 采用复杂网络的方式, 以相位为条件并利用幅值信息构造一种网络连接权重公式, 于幅值谱构建炉口火焰图像的多尺度不规则彩色纹理复杂网络模型; 最后, 计算复杂网络的拓扑特征度和聚类系数, 以其相关特征量化复杂网络拓扑连接模式,构建炉口火焰QCN特征, 并通过KNN回归模型预测终点碳含量. 结果表明, 碳含量在± 0.01%误差范围内的预测准确率为85.65%, 在± 0.02%误差范围内预测准确率达到91.83%, 且所提算法满足实时性要求.

• MOb-GRU神经网络工业软测量建模方法与输出预测

  王 珠,刘佳璇

  由于工业过程具有强非线性、动态特性与慢时变性, 其完整性建模相对较难. 针对工业过程的现有软测量技术并未综合考虑过程的非线性和动态特性, 本文提出了一种依赖模型阶次的GRU(MOb–GRU)神经网络软测量模型, 针对非线性动态过程进行全动态建模. 首先, 在MOb–GRU的结构选择上, 本文根据所研究实际对象的动态特性复杂程度确定网络的总模块数. 另外, MOb–GRU能灵活设置反向更新的单元数, 这种设置打破了传统GRU只能从第1个模块开始输出的限制. 其次, 为使记忆网络以较快的速率收敛到最优, 本文分别设计了基于自适应学习率和学习率矩阵的网络训练算法. 接着, 仿真实验分别选取了典型的单变量与多变量非线性动态过程, 并采用MOb–GRU神经网络对其进行建模和预测. 最后, 仿真结果证实了MOb–GRU网络结构的合理性以及训练算法的高效性.

• 贪心选择在地铁站内行人疏散中的应用

  邱杰凡,李志强,周小龙,徐瑞吉,单加响,方凯

  大型室内场所空间布局较为复杂(如地铁站), 人群的高密度聚集往往存在一些潜在的风险. 本文在分析国内外人群快速疏散研究现状的基础上, 提出了一种基于贪心选择的行人疏散方法. 该方法以地铁站内复杂场景作为研究背景: 首先, 针对地铁站内的行人的行动轨迹难以获取问题, 本文利用地铁站内行人真实出站数据, 基于元胞自动机, 构建了行人疏散轨迹半仿真模型, 并利用实际流量数据优化该半仿真模型; 其次, 基于该轨迹模型, 为了满足高动态场景中的实时性, 采用复杂度较低的贪心选择策略分配最优疏散出口; 最后, 以杭州武林广场地铁站为例, 使用真实出站数据设计对比实验, 验证行人轨迹模型的有效性以及出口分配方法的性能. 结果表明, 本文所提出的行人轨迹模型能够较好的模拟行人的轨迹, 仿真中各出口疏散人数同真实出站数据拟合程度的可决系数R2达到了0.67. 相较于最短路径和最短时间出口分配方法, 本文所提出的方法在整体疏散效率上分别提高了27.2%和16.5%.