控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第10期

• 垂直气动人工肌肉系统的模型参考自适应逆补偿控制

  肖怀,孟庆鑫,闫泽,赵诗影,赖旭芝,吴敏

  与传统刚性驱动系统相比, 气动人工肌肉系统具有质量轻、人机交互友好等优势, 近年来在生产生活中受到广泛关注. 然而, 该类系统的运动呈现出复杂的迟滞特性, 这给针对该类系统的跟踪控制研究带来了挑战. 本文针对垂直气动人工肌肉系统, 提出一种模型参考自适应逆补偿控制策略, 可有效克服迟滞特性以及控制过程中外界扰动和参数摄动等不确定因素对系统运动状态的影响, 实现系统高精度跟踪控制. 具体而言, 本文首先对系统的运动特性以及影响系统控制精度的不确定因素进行分析; 然后, 基于分析结果建立一个描述系统运动特性的参考模型; 进而采用逆补偿思想, 通过对所建立的参考模型求逆来构造一个逆补偿控制器, 克服迟滞特性对系统运动状态产生的影响; 随后, 基于最小均方误差算法设计自适应律, 在线辨识参考模型的权值, 同时估计逆补偿控制器的设计参数, 克服外界扰动和参数摄动等不确定因素对系统运动状态的影响; 最后, 通过实验验证所提控制策略的有效性.

• 复杂环境下基于推抓协同操作的目标物体抓取

  孙先涛,唐思宇,陈文杰,贺春东,智亚丽,陈伟海

  针对现有抓取技术在复杂环境下难以进行有效的目标导向性抓取的问题, 本文提出了一种基于深度强化学习的推动和抓取协同操作的方法. 相对于以往的抓取方法, 本方法使用深度学习来处理Intel-D435i相机所获得的RGB-D图像数据, 同时又在视觉网络中引入了注意力机制, 用来提高系统对工作区域内目标物体的敏感性. 其次,使用深度Q网络来学习UR5机械臂与环境之间的交互过程, 提出了密集奖励策略来评判推动或抓取操作的好坏. 随着训练次数的不断增加, UR5机械臂在训练过程中不断地优化两种操作之间的协同策略, 从而更高效的进行决策.最后, 在V-rep仿真平台上设计了仿真场景, 并进行测试, 平均抓取成功率达到92.5%. 通过与其他几种方法进行对比, 证明该方法可以在复杂环境下较好的完成目标物体的抓取任务.

• 集员卡尔曼滤波器在电机故障诊断中的应用

  王振华,张文瀚,崔骞,沈毅

  本文针对伺服电机提出了一种基于集员卡尔曼滤波器的故障诊断方法并进行了实际应用. 首先, 基于运动学关系和数据驱动技术构建了伺服电机的综合系统动态. 之后, 针对电机的位置–速度模型设计了一个中心对称多面体卡尔曼滤波器来检测位置传感器和速度传感器是否发生故障. 同时, 针对电机的力矩–速度模型设计了一个中心对称多面体卡尔曼滤波器来检测力矩执行器故障和速度传感器故障. 然后, 基于上述的两个中心对称多面体卡尔曼滤波器提出了一种故障隔离律, 可以定位出伺服电机故障部件的位置. 最后, 通过一个实际的伺服电机实验平台对所提出方法进行了应用, 并验证了其可行性与有效性

• 一类非线性系统的神经网络自适应区间观测器设计

  易泽仁,谢巍,刘龙文,胥布工

  本文研究了一类单输入单输出非线性系统的神经网络自适应区间观测器设计问题. 针对由状态和输入所描述的未知非线性函数的界不可测, 现有的区间观测器方法并未有效地处理系统含有参数不确定性的未知非线性函数. 首先, 本文构造两个径向基函数神经网络来逼近未知非线性部分, 进而分别估计系统状态的上下界; 然后, 选择合适的Lyapunov函数, 采用网络权值校正和网络误差选择机制确保所设计的误差动态系统有界和非负性, 并证明了神经网络自适应区间观测器的稳定性; 最后, 通过仿真实例验证了所提出的神经网络自适应区间观测器的有效性.

• 基于PID参数整定的无模型自适应控制器参数整定方法

  李翔,侯忠生

  本文针对一阶线性时不变(FOLTI)系统, 将常用的比例–积分–微分(PID)控制器参数整定方法推广到无模型自适应控制(MFAC)参数整定中, 利用PID控制参数整定方法整定直接型MFAC方案的伪梯度初值, 以期改变MFAC控制律初始参数的试凑式选取, 提升MFAC应用的方便性和可接受性. 通过仿真, 验证了所提伪梯度初值整定方法的有效性, 并对比了FOLTI系统的系统参数和系统结构发生变化后, 应用MFAC与PID控制的性能差异.

• 基于学习型人工蜂群算法优化双向GRU的乙烯产率预测

  温在鑫,钱斌,胡蓉,金怀平,杨媛媛

  本文针对以乙烯产率为生产指标的预测问题, 基于双向门控循环单元网络(BGRU)建立乙烯产率预测模型,以最小化模型误差为优化目标并提出一种学习型人工蜂群算法 (LABC) 对预测模型进行优化和设计. 在构建BGRU预测模型时, 先对乙烯裂解炉实际生产过程进行分析, 确定影响产率的关键因素并将其作为模型的输入; 再采用LABC对BGRU网络模型的结构、初始权值和阈值、训练比和动量因子进行全面的优化和设计. 在LABC中, 首先根据人工蜂群算法(ABC)特点构建强化学习(RL)框架下的状态集、动作集、奖励函数和最优混合搜索策略, 在此基础上, 提出一种深度双Q网络(DDQN) 来实现最优混合搜索策略, 通过该策略可智能选择合适的搜索动作来执行针对不同状态的局部搜索. 本文通过在标准数据集和实际生产数据上的测试及算法对比, 验证了所提学习型人工蜂群算法优化的双向GRU 网络(LABC BGRU)模型具有预测精度高、适用性强的特性.

• 反馈非线性系统随机梯度辨识算法及其收敛性

  魏纯,徐玲,丁锋

  反馈非线性受控自回归系统是由前向通道的受控自回归模型和反馈通道的静态非线性构成, 这类系统经过参数化后得到双线性参数辨识模型. 本文通过对辨识模型中双线性参数乘积项进行分解, 基于梯度搜索原理, 提出了反馈非线性系统的随机梯度辨识算法. 为了改善随机梯度算法的收敛速度, 引入遗忘因子, 文章给出了遗忘因子随机梯度算法, 利用随机过程理论, 建立了随机梯度算法的参数估计收敛定理, 证明了算法的收敛性. 最后, 通过数值仿真验证了算法的有效性.

• 面向空间目标交汇的多拦截器最优部署算法

  宋晓程,黄书彦,陈鹏飞,薛文超,李陟

  对空间目标的交汇拦截是现代空天防御体系部署的关键环节, 而其核心优化控制问题为实现交汇次数的最大化. 本文针对一类多个拦截器与空间目标交汇的最优问题, 提出了同时优化拦截器初始部署位置和机动过程中加速度的最优控制策略. 首先, 建立了同时考虑了部署地域和动力学约束的交汇次数最大化的最优控制模型. 进一步, 给出了拦截器与目标可交汇的必要条件以及最优加速度输入设计, 进而使得将最优控制问题转为拦截器部署位置的优化问题. 最后, 严格给出了各个拦截器最优部署位置的具体计算过程.

• 基于Bandit反馈的自适应量化分布式在线镜像下降算法

  谢俊如,高文华,谢奕彬

  多智能体系统的在线分布式优化常用于处理动态环境下的优化问题, 节点间需要实时传输数据流. 在很多情况下, 各节点无法获取个体目标函数的全部信息(包括梯度信息), 并且节点间信息传输存在一定的通信约束. 考虑到非欧投影意义下的镜像下降算法在处理高维数据和大规模在线学习上的优势, 本文使用个体目标函数在两点处的函数值信息对缺失的梯度信息进行估计, 并且根据镜像下降算法的性质设计自适应量化器, 提出基于Bandit反馈的自适应量化分布式在线镜像下降算法. 然后分析了量化误差界和Regret界的关系, 适当选择参数可得所提算法的Regret界为O(√T). 最后, 通过数值仿真验证了算法和理论结果的有效性

• 考虑能见度影响的公路隧道照明动态优化与智能控制

  梁波,牛佳安,李硕,杨彦斌,肖靖航,张晓坚

  为解决不同能见度影响下公路隧道实际路面亮度变化过大以及由此引起的行车安全与能源虚耗问题, 本文提出了一种能够改善公路隧道照明环境的动态优化与智能控制方法. 首先, 通过对不同时空条件下的公路隧道进行现场试验和数据分析, 得到了隧道内能见度的变化规律; 其次, 在公路隧道传统照明设计的基础上考虑能见度对照明环境的影响, 建立了基于隧道内能见度、交通量、车速、路面亮度和照明亮度的按需照明与动态优化模型;随后, 以不同地区公路隧道的实测数据为样本, 结合划分出的公路隧道典型照明场景和模糊径向基神经网络算法构建了公路隧道照明智能控制模型, 最后, 通过仿真实验验证了所构建模型的有效性, 其结果表明, 本文所提出的优化控制方法能够在保证隧道照明安全性的前提下兼顾节能性.

• 永磁同步电机模型预测转矩控制简化控制策略

  李耀华,刘子焜,王孝宇,陈桂鑫,任超,刘东梅

  传统永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)遍历逆变器生成的全部7个电压矢量, 计算负担较大.当转矩误差较小时, 零电压矢量利用率较高, 则可当转矩误差位于阈值范围, 电机系统直接输出零电压矢量, 否则,依然遍历7个电压矢量, 并给出阈值确定方法. 基于上述策略, 本文增加了6个定子磁链扇区位置约束, 将转矩误差大于阈值时的备选电压矢量降至4个, 并增加磁链扇区数目至12个和磁链误差约束, 进一步减小备选电压矢量. 仿真结果表明, 提出的3种简化策略控制下, 永磁同步电机系统运行正常, 控制性能与传统模型预测转矩控制基本相当,平均开关频率分别降低至77.48%, 77.09%和76.12%, 平均遍历电压矢量个数分别降低至58.29%, 32.86%和29.14%.实时性实验结果表明运行时间分别减小至57.70%, 32.96%和29.48%.

• 一类受扰线性采样数据系统的鲁棒执行器故障估计

  杨俊起,李泽辰,崔立志,谢建豪

  针对一类含有外部干扰的线性采样数据系统, 本文研究了执行器故障估计问题. 首先, 文章设计了一种用于估计系统执行器故障的鲁棒故障估计观测器, 在连续采样时间间隔内, 观测器增益矩阵指数变化. 之后, 通过联合增广状态估计误差与故障误差, 并利用Lyapunov-Krasovskii泛函和线性矩阵不等式技术, 给出了保证误差系统全局渐近稳定的充分条件. 同时, 建立的线性矩阵不等式条件涉及调谐参数和最大采样间隔, 可以较好改善状态和故障估计性能. 最后, 通过对某型民航飞机模型实例进行仿真, 验证了本文所提方法具有更好的跟踪效果

• 复杂约束下的挠性航天器姿态参考管理控制

  党庆庆,刘贞报,李文博,桂海潮,刘萍

  本文提出了一种基于显式参考管理与模态观测器的挠性航天器姿态机动控制方法. 首先, 采用改进的罗德里格斯参数建立了航天器的运动学和动力学模型, 分析了存在的控制约束和角速度约束. 在此基础上, 设计了基于显式参考管理的约束挠性航天器姿态重定向控制算法. 由于挠性模态不能直接测量, 内层设计了模态观测器, 并将观测器观测得到的模态坐标作为内层无约束控制器的输入. 随后, 外层导航模块根据所需满足的约束条件设计了相应的动态路径, 该路径可以根据当前状态以合适的速率收敛到最终状态, 通过跟踪该路径, 航天器姿态就可以在满足约束的情况下快速到达期望位置. 通过构造合适的李雅普诺夫函数, 严格证明了该挠性航天器显式参考管理姿态控制算法的稳定性. 最后, 仿真结果进一步验证所设计算法的约束处理效果与振动抑制能力.

• 二阶混杂多智能体系统的安全二分一致性

  吴佳慧,朱韵茹,郑元世,王怀柱

  本文在合作–竞争网络下针对一类由二阶连续时间个体和离散时间个体构成的混杂多智能体系统, 研究了系统中存在恶意个体情况下的安全二分一致性问题. 首先, 在假设智能体的恶意邻居数量上限已知的情况下, 基于删除邻居信息中极端值的思想, 设计了一种安全二分一致性容错算法. 其次, 基于鲁棒图性质进行系统转换, 运用图论、矩阵论等分析工具得到了系统实现安全二分一致性的图条件. 最后, 通过仿真实例验证了所得结果的有效性.

• Levant微分器参数整定算法及在高空台系统的应用

  张和洪,谢晏清,王娟,但志宏,郭文忠

  Levant基于超螺旋算法提出的滑模微分器具有滤波效果好且对特定噪声干扰不敏感等特点. 针对该微分器参数调整问题, 文章利用时间线性变换和坐标变换得到了一种有效的参数整定算法, 该算法可依据给定信号的频率和幅值确定微分器参数. 通过频域和时域对比分析表明, 本文所设计的参数整定算法可在保证跟踪滤波与微分信号提取精度的同时, 便捷地给出Levant微分器的有效参数. 最后, 本文将基于参数整定算法的Levant微分器应用到某航空发动机高空模拟试车台飞行环境模拟控制系统的环境信号处理中, 验证了所提算法的有效性及工程应用价值

• 基于CJS-SLLE降维与即时学习的转炉炼钢终点碳温软测量方法

  赵安,刘辉,陈甫刚,刘旭琛,张大锦

  转炉炼钢中碳温的准确检测是终点判断的关键, 基于数据驱动的终点碳温软测量方法是一种有效途径, 但转炉炼钢生产过程数据存在高维度、非线性和数据波动大的问题. 针对这一问题, 本文提出一种降维与即时学习的终点碳温软测量(CJS-SLLE)算法用于过程数据的监督降维. 通过在距离度量中引入量化后的碳温标签信息, 从而构造了一种带有监督信息的度量方式实现类内类间方差的调整, 然后在带标签信息的基础上引入数据间方向信息, 从而实现了样本标签、方向和距离三者信息融合的一种新型(CJS)相似性度量策略, 应用到局部线性嵌入中获得高维训练样本低维坐标; 其次, 提出一种自适应局部线性投影策略用于无标签待测样本, 实现其低维坐标中同样包含标签信息; 最后, 根据即时学习算法选取样本子集建立偏最小二乘局部回归模型对终点碳温预测. 在实际转炉炼钢生产过程数据仿真下, 碳含量在±0.02%误差范围内预测精度达到90%, 温度在±10℃误差范围内预测精度达到87%

• 交叉口混合交通流微观控制模型

  黄鑫,林培群,裴明阳,谭满春,冉斌

  为构建智能网联汽车(CAV)和有人驾驶汽车(HDV)混合通行情况下的交叉口通行机制与控制方法, 本文提出CAV专用道条件下交叉口协同通行模型. 首先, 设计CAV专用道条件下的交叉口布置, 对交叉口进行网格化处理,将CAV通行时隙和HDV绿灯相位对交叉口某部分网格某时段的占用统一到交叉口时空资源描述框架下; 其次, 建立兼顾CAV与HDV的交叉口时空网格资源分配模型, 构建自适应信号灯控制算法和CAV轨迹规划算法; 再次, 以车辆最小延误为目标进行自适应信号灯配时优化和CAV轨迹优化; 最后, 选取广州某典型交叉口建立仿真实验对所提方法的有效性进行了验证.

• 面向资源最优分配的深度学习双边拍卖算法

  郑阳超,李珍妮

  针对拍卖过程中计算效率低和利益分配不合理等问题, 本文提出了一种基于深度学习的迭代双边拍卖算法. 该算法通过买卖双方的初始报价数据训练基于神经网络的资源最优分配模型, 调用训练好的模型对实时报价数据快速响应, 直接求解经纪人最优分配问题(BAP)以实现计算资源分配, 显著地减小了计算代价, 提高了算法的计算效率. 进一步, 针对利益分配不合理等问题, 在迭代双边拍卖框架的支出规则和收入规则中引入调节因子用于调节买卖双方的利益, 解决已有算法在实现社会福利最大化过程中利益分配不合理的问题. 实验结果验证了该算法的有效性和优越性, 在运行时间、社会福利、买家利益、卖家利益和经纪人利益等多项指标均明显优于已有的迭代双边拍卖算法

• Buck变换器的改进型互补滑模控制

  蔡中泽,曾庆双,孙谷昊

  针对Buck变换器系统中存在匹配和不匹配干扰的问题, 本文提出了一种基于干扰观测器(DOB)的改进型互补滑模控制(CSMC)策略. 首先, 建立存在多重干扰的Buck变换器数学模型, 将模型改写为标准二阶积分型控制对象, 将式中干扰统一为匹配干扰和不匹配干扰. 其次, 设计2个DOB分别估计匹配干扰和不匹配干扰, 实现有限时间内跟踪干扰信号, 以抵消各种不确定性对系统的影响. 然后, 设计互补滑模面, 提出基于等效控制的改进型互补滑模控制律, 保留边界层内鲁棒性的同时, 提升控制器的动态性能, 减小静态误差, 拓宽边界层参数选择范围. 最后, 基于李雅普诺夫理论证明所提出控制器的稳定性. 数字仿真表明, 提出的改进型CSMC控制器结合DOB的总体控制方案能够有效抑制系统匹配和不匹配干扰, 同时获得更快的收敛速度以及更高的跟踪精度.

• 基于变刚度自适应导纳机制的机械臂恒力控制

  周波,刘奕荣,刘会昌,宋伏阳,房芳,甘亚辉

  工业机械臂在诸如打磨抛光等接触式作业任务中对环境刚度信息存在一定的依赖性, 未知环境刚度信息将严重影响机器人的力位控制精度, 使得作业效果难以得到保证. 为解决环境信息不足或未知情况下的力/位置精确控制问题, 本文首先提出了一种新的自适应环境刚度在线估计方法, 针对时变的环境刚度进行实时估计, 由此预测生成后继的机械臂参考轨迹点, 随后提出了一种根据力跟踪误差实时调整末端工具手刚度系数的变刚度导纳恒力控制方法, 并结合李雅普诺夫稳定性理论给出了整体控制律的收敛性证明. 针对刚柔两种末端工具手和多种不同的曲面工件开展了实验研究, 并与传统PID控制方法和传统导纳控制方法进行了对比, 其结果表明本文所提出的复合控制方法可在不同工况条件下实现机器人运动过程中接触力的快速柔顺调节, 并获得4.55%以内的最优力控误差效果, 证明了本文所提出方法的有效性与可行性.