控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第11期

• 网联车辆有限时间滑模预设性能队列控制

  高振宇,孙振超,郭戈

  针对含有未知扰动和模型不确定的网联车辆预设性能队列控制问题, 本文提出了一种基于改进滑模的有限时间队列控制方法. 首先, 为满足预设性能, 设计了一种新型性能函数, 保证了跟踪误差在预设时间内收敛到规定区域. 其次, 提出了一种改进的滑模队列控制算法, 加快了系统收敛速度, 实现了有限时间单车稳定及队列稳定,同时, 设计了自适应律, 有效解决了扰动及模型不确定问题. 最后, 进行了MATLAB仿真实验, 通过6辆网联车的队列控制仿真验证了所提算法的有效性.

• 自同步型并网逆变器有限时间全阶终端滑模控制研究

  郑雪梅,时旭,陈鑫,冯勇

  由于单台逆变器从离网到并网的切换过程中电网侧信息的获取会延迟, 使得经典的虚拟阻抗方法难以实现逆变器自同步电网信息的功能. 因此, 文中设计一种基于有限时间全阶滑模控制的直流母线电压/无功功率控制器, 该控制器与PQ型控制器相比减少了复杂的锁相环(PLL)结构, 与虚拟同步发电机(VSG)控制技术相比增加了电网侧频率信息的采样, 可实现对对电网信息的自同步追踪, 并且有限时间的全阶滑模控制保证了微网系统具有更快的响应速度和较强的鲁棒性. 对比的仿真和实验结果表明, 所设计的控制策略可以快速跟踪电网电压信息, 有效提高逆变器输出电压的动态调节能力

• 受扰直流降压变换器自适应离散滑模控制设计与实现

  王佐,刘鹏

  直流变换器在能量转换系统中起到至关重要的作用. 针对直流降压变换器系统中存在的多源干扰问题, 本文提出了一种基于观测器的复合离散滑模控制方案. 为获得高电压跟踪精度和强抗干扰能力, 在控制器中引入了干扰估计信息的二阶差分. 通过干扰估计和前馈补偿, 有效地消除了干扰对变换器电压跟踪精度的影响. 同时, 为削弱抖振影响, 文中设计了一种新型的自适应滑模趋近律, 并针对闭环系统给出了严格的稳定性与收敛性能分析. 此外, 本文基于快速原型控制器进行不同工况下变换器系统实验测试. 结果表明, 相比于传统离散滑模控制, 文中所研究的复合控制器具备较强的抗干扰能力和较高电压跟踪精度

• 基于自适应滑模观测器的高铁牵引系统单相三电平整流器开路故障诊断

  许水清,王健,胡友强,张可,江萍,柴毅

  为了提升高速列车牵引系统的稳定性和可靠性, 本文针对其单相三电平整流器, 提出了一种基于自适应滑模观测器的开关管开路故障诊断方法. 本文首先建立了单相三电平整流器开路故障下的状态空间模型, 然后设计了收敛速度快且显著抑制高频抖振的自适应滑模观测器准确估计网侧电流, 其次利用整流器网侧电流与观测器输出电流提出了基于电流绝对值均方根的开关管开路故障检测方法, 在此基础上采用电流残差构造初次故障定位量进行开关管初步定位, 最后利用开路故障开关函数建立故障状态下的自适应滑模观测器实现故障开关管精确定位.本文提出的方法能够实现单相三电平整流器所有开关管故障检测与定位, 诊断速度快, 鲁棒性强, 且不需要额外注入脉冲控制信号. 实验结果验证了本文所提诊断方法的准确性和鲁棒性.

• 基于过零检测的Buck变换器自适应连续滑模控制

  王艳敏,张伟琦,龙云,张涵清,冯勇

  为提高Buck变换器的输出电压品质, 本文提出一种基于在线过零检测自适应机制的连续滑模控制方法, 可有效抑制抖振问题, 且可保证系统稳态误差收敛到给定范围. 本文建立变换器的数学模型, 从滑模面和控制律两方面改进传统滑模控制算法, 即有目的地将系统状态的积分项引入到滑模面的设计中, 并将其收敛轨迹分成两阶段,实时测量其过零点的个数; 将期望的稳态误差纳入到滑模控制律的设计中, 引入由系统状态过零点个数决定的自适应变增益, 在收敛轨迹的约束下, 分阶段推导出其变增益的连续控制律, 并给出相应的稳定性分析. 最后, 通过与传统一阶和二阶滑模的理论和仿真性能对比, 证明所提方法在抖振抑制、响应速度和控制精度方面的优越性

• 自适应比例–积分H2滑模观测器设计

  王心怡,许璟,牛玉刚,贾廷纲

  传统的龙伯格观测器的观测精度极易受到未知外部扰动的影响. 为了解决这个问题, 本文设计了一种基于径向基神经网络的自适应比例–积分H2滑模观测器, 实现了参数不确定性和外部扰动下非线性系统的鲁棒确切估计. 首先, 利用径向基神经网络自适应逼近系统模型的复杂非线性项; 其次, 设计基于误差的线性滑模面, 将比例–积分滑模项注入观测器中, 使得滑模动态在有限时间内收敛于滑模面, 实现对外部扰动和系统模型非线性的完全补偿; 最后, 基于H2次优控制和区域极点配置, 提出观测器参数自整定方法. 通过对单连杆机器人的仿真结果表明, 该方法能够保证非线性系统具有较好的鲁棒性和自适应性.

• 滑模控制下多Euler-Lagrange系统预设时间二分一致性

  陶梦,刘小洋,曹进德,邵劭

  本文研究了具有外部干扰的多Euler-Lagrange系统预设时间滑模二分一致性问题. 通过设计分布式控制协议, 使得具有动态领导者的多Euler-Lagrange系统在预设时间内到达滑模面, 从而进一步在另一预设时间内实现二分一致性. 本文采用的终端滑模控制方法可以在克服外部干扰的基础上保证系统在预设时间内实现期望的控制目标. 最后, 通过数值仿真验证了理论结果的可行性和有效性

• 双事件触发下非匹配干扰系统积分滑模抗干扰跟踪控制

  周鹏,裔扬,朱广宇,王芹

  对于带有不匹配干扰的动态系统, 设计具有高资源利用率的抗干扰控制算法具有重要意义. 本文在双事件触发机制框架下, 研究了非匹配干扰系统的积分滑模抗干扰控制以及动态性能分析问题. 首先, 基于增广模型构建干扰观测器, 实现对未知不匹配干扰的动态估计. 为了降低数据冗余并保证传输的同步性, 以反馈状态及干扰估计的单触发条件为基础, 本文构建了“先到同触发”的双事件触发理论框架. 在此框架下, 设计积分滑模面和对应的双触发抗干扰控制器, 保证被控系统的状态收敛到滑模面. 基于Lyapunov稳定性分析方法, 计算控制器和观测器增益,保证增广闭环系统具有良好的稳定性和动态跟踪性能. 进一步分析了由触发引起的Zeno现象将不会发生. 最后, 基于典型的A4D模型进行仿真验证, 仿真结果表明本文所提的方法具有良好的抗干扰性能.

• 基于有限时间扰动观测器的水厂加矾系统二阶滑模控制

  王冬生,张鹏,孙锦昊,郭若寒,蒋国平

  水厂絮凝沉淀过程具有强非线性、不确定性和参数时变等特点, 并且原水水质和水量突变等扰动容易对絮凝沉淀过程造成不利影响. 本文提出了一种基于有限时间扰动观测器的加矾系统二阶滑模控制设计方法. 首先, 文章采用带有非光滑项的二阶滑模控制方法设计加矾系统反馈控制; 然后, 文章设计有限时间扰动观测器对原水水质和水量突变等扰动, 以及絮凝沉淀过程强非线性、不确定性和参数时变等导致的模型不匹配进行估计, 估计结果作为前馈补偿与反馈控制相结合; 最后, 理论分析证明了基于有限时间扰动观测器的二阶滑模控制方法的稳定性.仿真结果表明, 本文所提出的复合控制方法有效提升了加矾系统的鲁棒性和抗扰动性能

• 基于干扰观测器的航天器非奇异终端二阶滑模控制

  李佳玮,刘明,曹喜滨

  为了消除干扰力矩和结构不确定性对卫星姿态控制性能的影响, 本文提出了一种基于新型干扰观测器的非奇异终端二阶滑模控制方法. 首先, 文章设计了一种基于跟踪微分器的干扰观测器, 来对卫星系统中的不确定项进行估计, 利用估计值进行补偿, 并保证估计误差在有限时间内收敛. 在此基础上, 文章设计一个非奇异终端滑模面, 当系统到达滑模面时, 姿态误差可以在有限时间内收敛, 并利用二阶滑模趋近律设计控制器, 保证系统在有限时间到达滑模面. 在干扰观测器误差未完全收敛时, 滑模控制器可以对存在的扰动进一步抑制, 实现姿态跟踪系统的有限时间稳定, 并通过李雅普诺夫方法严格证明了其稳定性. 最后, 仿真结果表明, 干扰估计值误差可以在有限时间内收敛, 证明了该控制方法对存在的干扰是具有较好的鲁棒性.

• 基于新型固定时间稳定方法的一类二阶非线性系统镇定控制

  邹权,佟明昊,魏凯

  本文研究了受未知外部扰动侵袭的一类二阶非线性系统的固定时间镇定控制问题. 首先, 提出了一种新的固定时间稳定方法, 并给出了收敛时间及其上界估计值的计算公式. 理论分析表明, 收敛时间的上界与系统初始状态无关, 可由系统参数完全确定. 然后, 基于所提出的固定时间稳定方法设计了新型滑模趋近律和终端滑模面, 使得系统状态能够在有界的有限时间内, 从任意初始状态收敛至滑模面并沿着滑模面收敛至原点, 同时引入了基于系统状态的自适应切换方法, 有效避免了终端滑模面导致的奇异问题. 最后, 通过仿真验证了算法的有效性.

• 基于高阶滑模观测器的永磁同步电机无差拍预测电流控制

  徐睿琦,张昆鹏,林欣魄,孔德山,刘壮,刘健行

  为了提高永磁同步电机速度和电流跟踪精度等控制性能, 本文提出了一种基于高阶滑模观测器的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法. 首先, 将参数变化和外部负载变化视为集总扰动, 建立内置式永磁同步电机的数学模型. 然后, 构造了两个三阶超螺旋滑模观测器来分别估计速度和电流回路中的集总扰动, 并将估计出的扰动前馈到对应的控制器中进行补偿, 以提高系统的鲁棒性和跟踪精度. 此外, 转速环采用了一种改进的滑模趋近律, 以降低控制信号中的抖振和缩短系统状态到达滑模面所需的时间. 最后, 将所设计的方法在内置式永磁同步电机实验平台进行验证, 并与传统的无差拍预测电流控制和指数趋近律滑模速度控制器进行了对比, 实验结果表明了算法的有效性和优越性

• 基于预见与PI补偿的不确定非线性系统鲁棒滑模控制

  兰永红,吴瑾怡,周宇玺

  针对一类匹配不确定非线性连续时间系统, 本文提出一种具有预见与PI补偿的鲁棒滑模控制设计方法. 首先, 为提高系统的跟踪性能和鲁棒性, 在常规的滑模控制基础上, 引入前馈预见与PI 控制器. 然后, 通过增加扩展系统状态变量方法, 构造一个包含可预见的目标信号的不确定增广系统, 并将控制器的设计问题转化为增广系统的稳定性问题. 在此基础上, 针对标称增广系统, 应用最优控制原理, 设计最优预见PI控制器; 针对不确定增广系统, 应用变结构控制方法, 设计最优预见PI滑模控制器, 实现不确定系统的鲁棒调节. 所得结果推广和包含了已有文献中的一些结果. 最后, 数值仿真验证所提方法的有效性.

• 动力系统可辨识性研究综述

  曾哲璇,岳作功,袁烨

  “可辨识性”是模型能否由观测数据唯一确定的性质, 在经济学、生物学、化学、控制科学等多学科中被系统性地研究. 近二十年来, 随着动力系统复杂性急剧增加, 将系统建模为动力学网络的研究愈加普遍, 网络可辨识性也越来越受到学界关注. “可辨识性”不仅是系统辨识的理论保证, 而且可以作为建模中实验设计、数据采集等的理论指导. 本文综述动力系统的可辨识性问题, 首先, 给出了可辨识性问题的描述及相关定义. 根据模型不同类别, 本文对线性时不变系统与系统矩阵相关的可辨识性经典结论进行了阐述, 并对非线性时不变系统的输入输出方法、输出相等方法等可辨识性主要研究方法进行阐述. 针对激励矩阵和观测矩阵的4种不同情况, 本文对动力学网络模型的可辨识性问题和代表性成果进行综述. 最后, 本文讨论了其仍需解决的问题和未来的研究方向.

• 基于近端凸差分方法的多层卷积变换学习算法

  郭泳澄,唐健浩,李珍妮,吕俊

  卷积变换学习(CTL)结合了无监督学习与卷积神经网络的优点, 通过无监督的方式训练卷积核, 是一种新兴的稀疏表示方法. 现有的单层CTL模型仅通过一层稀疏编码, 不仅难以有效提取输入信号的深层语义信息, 并且,基于?0范数的CTL模型得到的稀疏解虽然稀疏度强, 但它的求解是一个NP-hard难题, 而基于?1范数的CTL模型则存在稀疏度不足和参数过度惩罚的问题. 针对以上问题, 本文提出了一种基于 log 正则化函数的多层 CTL模型(CTLlog): 为了提取输入信号更具鉴别性与丰富语义的稀疏特征, 对单层的CTL模型进行多层拓展, 同时使用稀疏度强,偏差性小的非凸log正则化函数作为CTL模型的稀疏约束方法. 通过使用近端凸差分方法对模型的非凸优化问题进行优化求解, 开发出基于近端凸差分方法的多层卷积变换学习算法. 实验表明, 本文提出的基于近端凸差分方法的多层卷积变换学习算法所使用的log正则化稀疏约束效果优于现有的CTL模型, 且多层CTL-log的特征提取效果相较于单层取得了提升, 在支持向量机(SVM)分类器的分类精度提升了2个百分点左右.

• 考虑合作博弈的风–光–液态空气储能集群日前市场不确定性优化方法研究

  晏才鑫,裘智峰,王春生

  风光储集群既可以发挥风光发电时空互补性, 同时, 储能又能平抑系统波动, 这些优势使得风光储集群越来越多的集成到电网中. 然而, 集群内风光的波动性, 集群外市场电价、系统负荷的不确定性, 都给集群可靠和经济运行带来了挑战. 针对这些问题, 本文提出了一种考虑多重不确定性, 基于合作博弈的风–光–液态空气储能集群优化方法. 首先, 文章建立了基于合作博弈的集群分配模型, 设计了集群各参与者的多种合作方式和收益分配方案;其次, 针对风、光、日前市场电价以及负荷不确定性风险约束, 本文建立了基于信息间隙决策理论的风险规避型和机会寻求型两类集群运营商的优化运行模型. 最后, 仿真结果表明, 相较于独立运行, 基于合作博弈的集群运行增加了总收益和个体收益. 构建的可适应两种偏好的最优购电及能源调度方案兼顾鲁棒性和经济性, 可为集群运营商进行集群能量管理提供参考依据.

• 基于整体辨识策略的非线性自适应控制方法

  张政煊,杨翊卓,代伟,周平,杨春雨

  针对一类离散时间下的未知动态非线性系统, 为解决传统自适应控制方法在交替辨识非线性系统时由于辨识精度低而导致的控制性能差的问题, 本文提出了一种基于整体辨识策略的未建模动态补偿的自适应控制方法.利用随机向量函数链接(RVFL)网络的直链与增强结构特性挖掘其与低阶线性模型和高阶未建模动态项的等价对应关系, 并融入权值偏差惩罚项, 设计了网络模型参数在线更新算法辨识非线性系统参数. 根据在线辨识的线性模型参数和未建模动态估计量, 采用一步超前最优控制策略设计线性控制器和未建模动态补偿器. 数值仿真表明, 所提方法优于交替辨识下的非线性自适应控制方法, 并通过工业应用的仿真研究验证所提方法在工业上的可用性.最后, 对本文控制方法在实际应用中的潜在问题及理论受限条件的放松进行分析和展望.

• 燃料电池供气系统的自适应滑模控制

  秦彪,王新立,王雷,潘凤文,陈文淼,贾磊

  本文针对燃料电池供气系统阴阳极协同控制问题, 提出了一种自适应超螺旋滑模控制算法. 文章首先建立燃料电池供气系统动态模型, 提出了燃料电池供气系统氢气过量比、氧气过量比及阴阳极压差的控制问题, 并研究了自适应超螺旋滑模控制算法, 通过自适应调节控制增益大小, 有效抑制传统滑模控制的抖振现象, 同时, 利用李雅普诺夫方法证明了该控制方法的稳定性. 最后, 基于MATLAB建立燃料电池系统仿真平台并进行了仿真研究. 仿真结果表明, 所提出的方法可以有效控制氢、氧过量比及阴阳极压差, 且具有较强的抖振抑制能力, 可以保证燃料电池系统的稳定持久运行.

• 可重入柔性流水车间有限缓冲区容量动态预留方法

  韩忠华,刘约翰,史海波

  当制造企业的生产车间缓冲区容量有限时, 如果同时存在可重入工序, 会产生一种严重的生产阻塞现象,即死锁现象, 该现象会严重影响整个生产进程. 本文首先建立具有可重入工序的柔性流水车间有限缓冲区排产(RFFLBS)问题的数学模型, 在对死锁现象系统分析的基础上, 提出了一种基于马尔可夫链的有限缓冲区动态容量预留方法(DBRMMC), DBRMMC通过主动为折返重入的工件预留缓冲区容量, 减少工件对缓冲区资源的竞争, 降低死锁现象出现的概率, 并通过在DBRMMC方法中引入基于自适应阈值二值化算法的偏差补偿措施减小预测偏差, 进一步抑制死锁现象的出现, 并与基于高响应比优先算法(HRRN)的局部指派方法结合, 给出一种改进的基于马尔可夫链的有限缓冲区容量动态预留方法(IDBRMMC-HRRN). 建立多组仿真方案在不同数据规模下的进行测试, 仿真结果表明IDBRMMC-HRRN方法能够有效的降低具有可重入工序的柔性流水车间有限缓冲区排产过程中死锁现象出现的概率, 给出合理可行的排产结果