控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第2期

• 基于系统输出的嵌套饱和系统抗饱和补偿器设计

  赖文馨,李元龙,林宗利

  针对嵌套输入饱和系统的吸引域扩大问题, 本文提出了一种基于系统输出的抗饱和补偿器激发策略, 将被控系统输出信号经性能补偿器馈入到抗饱和补偿器激发环节中, 形成蕴含系统实时性能信息的抗饱和激发新机制,克服了传统抗饱和激发机制无法直接反映系统性能的缺点. 基于上述抗饱和控制新框架, 本文建立了抗饱和补偿器及性能补偿器存在的充分条件, 并依此构建了优化问题求解最优补偿器增益以实现扩大闭环系统吸引域的目的.仿真结果表明本文方法的有效性.

• 具有未知函数非线性系统的全局渐近稳定控制

  贾付金,张天良

  本文讨论了一类具有未知函数和未知控制方向非线性系统的全局渐近稳定问题. 通过提出一个引理处理未知函数问题, 从而得到了一种基于反步法和Nussbaum增益技术的全局渐近稳定控制算法. 与逼近方法处理未知函数的算法相比, 本文提出的算法解决了非线性系统的全局渐近稳定问题; 与现存解决非线性系统的全局渐近稳定控制算法相比, 本文避免了使用未知函数的假设条件, 因此降低了保守性. 值得一提的是本文的算法也解决了反步法的“微分爆炸”问题, 因此所提出的控制方案不仅仅得到了全局渐近稳定控制方案, 而且降低了计算的复杂性.最后, 将该方案应用到刚性单链杆机械手系统中, 仿真结果验证了其有效性.

• 对抗网络下时滞非线性多智能体系统固定时间二分一致性

  王啸,刘剑,武永宝,孙长银

  本文针对一类存在输入时延的非线性多智能体系统, 研究了其在结构平衡的无向符号图下的固定时间二分一致性问题. 首先, 本文针对智能体间相互合作与相互竞争的关系, 设计了一类存在输入时延的多智能体系统固定时间分布式一致性控制协议, 使得系统状态在固定时间内收敛到数值相同但符号相反的两个值, 且收敛时间上界与初始状态无关. 随后, 利用Lyapunov稳定性理论和代数图论给出了在存在输入时延的情况下多智能体系统实现固定时间二分一致性的充分条件和收敛时间的上界值, 证明了控制算法的稳定性. 最后, 仿真实例验证了所提固定时间二分一致性算法和理论结果的有效性.

• 具有非匹配扰动的非线性变参数系统模型参考跟踪控制

  李颖,柯津,曾建平

  本文研究了一类含有非匹配扰动的非线性变参数系统的跟踪控制问题. 首先, 设计非线性扰动观测器用于估计系统所受到的未知扰动. 其次, 在前馈–反馈跟踪控制器中引入扰动补偿控制项, 提出一种基于扰动观测器的跟踪控制策略. 利用依赖于状态和时变参数的线性矩阵不等式, 导出保证闭环系统输入–状态稳定的充分条件, 进而运用平方和凸优化技术解析地构造出扰动观测器和跟踪控制器. 通过理论证明, 所设计的控制策略能够实现非线性变参数系统输出对参考模型输出的跟踪, 消除输出通道中非匹配扰动的影响. 最后, 由数值仿真例子验证了所提方法的有效性.

• 非零和微分博弈系统的事件触发最优跟踪控制(英文)

  石义博,王朝立

  近年来, 对于具有未知动态的非零和微分博弈系统的跟踪问题, 已经得到了讨论, 然而这些方法是时间触发的,在传输带宽和计算资源有限的环境下并不适用. 针对具有未知动态的连续时间非线性非零和微分博弈系统, 本文提出了一种基于积分强化学习的事件触发自适应动态规划方法. 该策略受梯度下降法和经验重放技术的启发, 利用历史和当前数据更新神经网络权值. 该方法提高了神经网络权值的收敛速度, 消除了一般文献设计中常用的初始容许控制假设. 同时, 该算法提出了一种易于在线检查的持续激励条件(通常称为PE), 避免了传统的不容易检查的持续激励条件. 基于李亚普诺夫理论, 证明了跟踪误差和评价神经网络估计误差的一致最终有界性. 最后, 通过一个数值仿真实例验证了该方法的可行性.

• 具有随机网络攻击的切换信息物理系统的事件触发控制(英文)

  罗文德,侯林林,宗广灯

  本文研究了随机网络攻击下切换信息物理系统的事件触发控制问题. 将信息物理系统描述为一种切换线性系统形式. 引入事件触发机制来节省系统资源和减轻网络负载, 当误差超过给定阈值时传感器中的采样数据才通过通信网络传输到控制器中. 考虑在传感器与控制器的通信网络中受到两种不同特征的随机网络攻击. 在网络攻击和所设计的事件触发控制器下, 建立了切换随机信息物理系统模型. 利用模态依赖平均驻留时间方法构建了相应的切换信号. 在设计的事件触发控制器和模态依赖平均驻留时间切换信号下实现了系统的均方指数稳定性, 并给出了控制器增益. 最后, 通过实例验证了所得理论结果的有效性.

• 拒绝服务攻击下网络化非线性系统的采样数据控制

  赵宁,刘永超

  本文研究了在拒绝服务攻击下网络化非线性系统的采样数据输出反馈控制问题. 首先, 为了避免使用完整的状态信息, 在存在拒绝服务攻击的情况下设计了一种新颖的切换观测器. 其次, 同时考虑两个采样周期和拒绝服务攻击的影响, 建立了一个新的切换增广系统模型, 包括系统本身和误差系统. 利用该模型和分段Lyapunov-Krasov-skii泛函方法推导出保证切换增广系统是指数稳定的充分条件. 进一步, 利用线性矩阵不等式的解给出了观测器和控制器增益的共同设计方案. 最后, 通过仿真验证所提出控制方法的有效性.

• 时变输出约束非完整系统的非缩放预设时间镇定控制设计(英文)

  高芳征,刘义亭,李佩娟,赵贤林

  本文针对一类具有时变输出约束链式非完整系统的预设时间镇定问题, 首先通过tan型障碍Lyapunov函数处理系统输出约束, 然后基于所给的新型切换时变函数, 直接应用于虚拟(实际)控制器设计, 提出了系统状态反馈镇定的非缩放变换设计方案. 本文所设计的控制器使得闭环系统状态不违反约束的同时, 可在任意给定的有限时间内收敛到零点. 与传统的基于缩放变换设计相比, 本文所提出的控制策略既有效解决了控制器的计算奇异性问题, 又减少了关于时变缩放函数的计算, 使控制器设计更为简单. 最后, 通过仿真结果验证了所提设方法的有效性.

• Riemann-Liouville型分数阶导数的非线性估计(英文)

  郭玉祥,马保离,张庆平,占生宝

  本文主要研究任意有界连续信号的Riemann-Liouville分数阶导数估计问题. 当分数阶α属于0到1 时, 首先利用滑模技术提出一种有界连续信号分数阶导数的非线性估计方法; 然后将其结果推广至分数阶α ∈ R+的情况, 并给出相应的非线性估计方案. 借助Riemann-Liouville分数阶微积分频率分布模型, 本文详细分析讨论了所给分数阶导数非线性估计的收敛性问题, 并得到相应闭环系统是渐近稳定的结论. 文中所提方法的主要优点是在事先未知给定信号分数阶导数上界的情况下, 不仅能自适应地估计其Riemann-Liouville分数阶导数, 而且当信号中含有随机噪声和不确定扰动时依然能正常工作. 数值仿真实例验证了本文所给估计方法的可行性和有效性.

• 一类非线性多自主体系统的实用脉冲一致性

  邹文成,王荣浩,向峥嵘

  针对一类非线性多自主体系统, 研究基于实用脉冲控制的一致性协议设计问题. 引入脉冲调制间歇控制策略, 利用峰值很大, 持续时间很短的信号代替理想脉冲信号, 设计实用脉冲一致性协议. 首先给出一类连续―间歇型实用脉冲协议. 利用李雅普诺夫函数方法, 图论和间歇控制理论, 证明了在该协议下, 多自主体系统可以实现渐近一致性. 在连续—间歇型实用脉冲协议实施中, 需在控制作用区间连续量测自主体状态. 针对此局限, 提出了采样―间歇型实用脉冲协议. 通过采样和间歇控制理论, 建立了多自主体系统实现渐近一致性的充分条件. 进一步地, 分析了当控制作用区间等于采样周期时, 采样—间歇型实用脉冲协议退化为周期采样控制协议, 而当控制作用区间趋于0时, 其退化为脉冲控制协议. 揭示了所提出的采样―间歇型实用脉冲协议同周期采样控制协议, 脉冲控制协议之间的关系.

• 基于自适应事件触发牵制控制的多时滞随机耦合神经网络簇同步

  解永凯,童东兵,陈巧玉,周武能

  本文通过自适应事件触发牵制控制策略, 研究了多时滞的随机耦合神经网络在均方意义下以指数速率进行簇同步的问题. 在耦合神经网络中, 同一簇中的节点只需与相应的孤立节点同步, 而对于不同簇中节点之间的同步状态没有要求. 首先, 本文提出了一种事件触发牵制控制方法来解决耦合神经网络中节点数量众多、通讯复杂的问题. 该方法不仅能减少耦合神经网络中控制器的数量, 还可以减少控制信号的传输次数、减轻网络传输压力. 然后根据M矩阵方法, 建立了随机耦合神经网络均方指数稳定的充分条件. 同时, 利用自适应控制策略, 给出了反馈增益的更新规律. 最后, 通过一个数值例子验证了所提出的自适应事件触发牵制控制策略的有效性和适用性.

• 切换LPV系统的抗攻击无扰切换控制

  齐义文,唐意雯

  本文针对遭受切换冲击和网络数据注入攻击影响的切换线性变参(LPV)系统, 给出保护网络信息安全传输的抗攻击机制, 提出一种无扰切换控制方法. 首先, 设计一种新颖的基于编码/解码器的抗攻击机制, 可抵御恶意注入攻击信号对系统反馈通信的干扰. 基于此, 建立切换LPV系统的抗攻击动态输出反馈闭环控制模型. 考虑到模式之间的无扰过渡问题, 给出与动态输出反馈控制设计互为补充的, 满足无扰切换设计需求和H∞性能指标的控制增益可行条件. 在本文提出的控制律下, 进一步获取了能保证切换LPV系统指数稳定性的充分条件. 最后, 通过数值仿真验证所提出抗攻击无扰切换控制方法的有效性.

• 一类随机非线性系统的有限时间H∞控制

  王冠正,赵峰,陈向勇,邱建龙

  本文研究一类随机非线性系统的有限时间H∞控制问题. 考虑闭环系统在有限时间间隔内的瞬态性能和抗干扰能力, 对伊藤型随机非线性系统进行了研究. 利用Lyapunov函数和线性矩阵不等式(LMI)得到了系统满足均方有限时间有界的充分条件, 进一步设计了有限时间H∞控制器, 并给出了系统满足均方有限时间有界和相应H∞性能的充分条件. 最后给出了两个例子验证了该方法的有效性和可行性.

• 不确定离散时间系统的复合非线性反馈积分滑模控制

  陈辉,武文豪,秦春斌

  针对不确定离散时间系统, 提出一种基于离散复合非线性反馈的积分滑模(DCNF-ISM)控制策略, 并将该算法应用于扰动下的磁盘跟踪问题. 该算法由离散复合非线性反馈(DCNF)控制律与积分滑模(ISM)控制律两部分组成, 其中DCNF控制律用于保证系统具有较好瞬态性能, 基于改进的离散趋近律设计的ISM控制律用于保证系统鲁棒性. 基于Lyapunov稳定性理论对本文提出的控制策略的稳定性进行了推导证明, 证明了离散时间系统的一致最终有界性. 仿真结果表明, 本文提出的控制策略能保证系统在扰动下仍然能够精确跟踪给定的参考信号, 与传统的DCNF控制相比,该算法能够保证系统具有响应速度快超调量小、鲁棒性强等优点.

• Caputo分数阶切换线性系统的指数稳定性

  王其祥,龙飞,莫立坡,杨靖

  众所周知, 与整数阶切换系统不同, Caputo分数阶切换系统的积分下界不能随子系统的切换而被更新, 意味着在下界非一致的任意区间内不能直接取分数阶导数的分数阶积分. 对此, 本文给出了一个不等式(文中引理6)克服这一问题, 并用1个数值例子进行了验证. 通过这一不等式, 然后分别利用多Lyapunov函数方法和模型依赖平均驻留时间(MDADT)方法, 给出了Caputo分数阶切换线性系统指数稳定的条件, 并利用2个数值例子进行验证.

• 快速对角阵权系数协方差交叉融合容积卡尔曼滤波器

  刘金钢,郝钢

  针对互协方差信息未知的多传感器系统, 本文提出了一种快速对角阵权系数协方差交叉融合算法(FDCI).本文首先提出了一种对角阵权系数协方差交叉融合(DCI)方案, 并证明了所提出DCI算法在融合估计精度上高于经典批处理CI融合(BCI)算法. 在此基础之上, 针对非线性等复杂的互协方差未知的多传感器系统, 提出FDCI算法, 并证明了所提出FDCI 算法的无偏性及鲁棒精度. FDCI融合算法虽然在融合估计精度上低于DCI, 但FDCI 无需进行多权系数的非线性代价函数的优化问题, 进而大大降低了计算负担, 提高了系统的实时性. 最后, 结合容积卡尔曼滤波算法(CKF)提出了快速对角阵权系数协方差交叉融合容积卡尔曼滤波算法. 仿真实例验证了所提出算法的正确性和有效性.

• 时滞半Markov切换随机系统输入–状态稳定性分析的时变驻留时间条件方法

  刘乾,何勇,宁重阳

  本文针对时滞半Markov切换随机系统, 建立了一种基于时变驻留时间条件的不定多重Lyapunov-Razumik-hin函数方法, 给出了系统输入–状态稳定性和积分输入–状态稳定性判别条件. 一方面, 构造了一种不定多重Lyapu-nov函数, 不要求每个子系统对应的Lyapunov-Razumikhin函数导数总是保持负定, 从而放宽了对于子系统稳定性要求, 甚至允许了不稳定子系统的存在; 另一方面, 提出了一种时变驻留时间条件来表示半Markov切换信号的切换次数与子系统驻留时间之间的关系, 利用时变函数对切换次数进行估计, 间接放松了不定多重Lyapunov-Razumikhin函数选取的限制. 最后, 数值算例验证了所提方法的有效性.

• 产品与供应链协同演进系统变更设计研究进展

  李庆奎,曹恩智,彭晨

  产品与供应链协同演进系统是智能制造领域极为关心的一类复杂系统, 变更设计又是降本增效、抵御意外风险、提高产品质量和用户满意度的重要手段. 本文综述近年来产品与供应链协同演进系统变更设计研究所取得的最新进展. 首先阐明产品与供应链协同演进系统变更设计的基本概念, 剖析产品与供应链协同演进系统的本质,介绍变更设计的内涵、起因、过程及内容. 其次, 重点概括产品与供应链协同设计和变更效应传播两大范畴, 主要归纳协同设计与变更效应传播分析、预测及控制等研究现状. 最后, 根据产品与供应链协同演进系统的复杂特性, 指出该系统变更设计研究的开放问题, 展望该研究的发展趋势.

• 悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法

  廖禄伟,杨忠,王灿,许昌亮,徐浩,王志永,张秋雁

  针对输电线路附近的树障进行清理问题, 本文提出了一种新型的悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人并进行了仿真和实物验证. 首先, 对悬挂伸缩刀具的空中机器人进行了伸缩刀具重心变化下的动力学、运动学建模及接触建模. 其次, 为避免空中机器人接触作业时机器人倾翻的问题, 设计了力估计器用于力感知和导纳控制器用于力控制. 针对空中机器人非线性强耦合、伸缩刀具时参数摄动及作业时扰动的问题, 设计了线性自抗扰控制(LADRC)的机器人位姿控制器. 再次, 数值仿真验证了导纳控制能有效避免空中机器人接触作业时产生倾翻的问题, 以及基于LADRC控制器的位姿控制具有良好的稳定性和抗扰性. 最后, 通过实物飞行和接触作业测试, 进一步验证了本文悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人及其控制方法的有效性.

• 带有输出约束的水面船舶实际有限时间控制

  刘永超,朱齐丹,王立鹏

  考虑带有输出约束的水面船舶系统, 提出一种自适应神经网络航迹跟踪实际有限时间控制算法. 基于反步法设计有限时间控制律, 构造障碍李雅普诺夫函数处理输出约束问题, 采用神经网络逼近船舶模型中的不确定信息. 在控制算法递推过程中, 通过设计一个关于跟踪误差的可微幂函数来避免控制器中的奇异问题. 借助李雅普诺夫稳定性分析理论, 证明了航迹跟踪误差在有限时间内收敛到有界的邻域内. 最后, 以一艘1: 70的比例模型船作为仿真对象, 来验证所提出的航迹跟踪实际有限时间控制算法的有效性.

• 网络非线性系统的镇定及在车辆跟随控制的应用(英文)

  赵西振,王兴虎,苏友峰,徐大波

  非线性大系统或多自主体系统在理论与工程应用领域都受到了广泛的关注. 其中, 稳定性以及衍生的镇定控制问题是研究的关键. 为了应对车辆跟随控制问题, 本文针对一类下三角型不确定网络非线性系统, 给出稳定网络系统满足的充分条件, 并提出一种全局鲁棒镇定控制设计方法. 通过解决车辆跟随系统的纵向控制问题, 揭示本文的研究结果可用于输出调节问题等综合控制问题的求解. 仿真验证本文结果的有效性.

• 基于扩张状态观测器和反步法的非线性超空泡航行体纵向控制

  秦华阳,陈增强,孙明玮,周瑜,孙青林

  考虑空泡记忆效应的超空泡航行体控制难度较大, 主要体现在滑行力的强非线性、模型中的时延特性以及运动中的未知扰动. 对于此类多输入多输出的复杂非线性系统, 利用传统反步法控制器设计思想, 将其改进以适用于超空泡航行体的纵向运动控制. 为了对系统模型中存在的未知扰动进行观测补偿, 本文设计了线性扩张状态观测器(LESO), 将扰动估计值与控制器设计相结合, 使用Lyapunov方法分析系统稳定性. 最后在不同条件下进行仿真,结果验证了所设计的LESO估计未知扰动的准确性, 以及所提控制方法对超空泡航行体纵向控制的有效性.

• 采用ESO的Boost变换器改进滑模控制

  郑诗程,齐梦梦,舒莹,彭杰,郎佳红

  本文针对Boost变换器的负载电阻扰动和输入电压变化等系统不确定因素对输出电压的影响, 提出了一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制算法. 首先, 设计扩张状态观测器对系统状态、负载电阻和输入电压值进行估计, 然后基于得到的估计值采用改进滑模控制算法设计系统控制器. 通过理论分析, 证明了Boost变换器闭环控制系统的稳定性. 仿真和实验结果表明, 与传统的滑模控制算法相比, 本文所提出的控制算法更好地改善了系统的跟踪性能, 提升了系统的鲁棒性.

• 采用固定时间观测器的翼伞控制方法与应用

  郭一鸣,闫建国,肖冰,吴慈航,邢小军

  针对翼伞–火箭一子级柔性结构系统的控制难题, 提出了一种采用固定时间观测器的改进矢量场轨迹跟踪控制方法. 首先, 设计了在线风场估计方法对未知风场进行了估计; 其次, 为了保证该控制系统在气动参数不确定、子系统铰连耦合等因素影响下的快速稳定性, 提出了一种固定时间干扰观测器用来估计无需知道干扰上边界的复合干扰, 并用于补偿控制系统的输入; 然后, 设计了一个同时保证侧偏距、偏航角以及偏航角速率稳定的横侧向控制器, 并利用Lyapunov理论证明了闭环翼伞控制系统的收敛特性. 最后, 通过数值仿真及硬件在环实验验证了所提出方法的有效性及应用价值.

• 基于能量控制与近似输出调节的二级倒立摆起摆和跟踪控制

  徐德来,平兆武,张文军,黄云志,葛锁良,卢俊国

  二级倒立摆是一个典型的欠驱动非线性系统, 其控制问题具有一定的挑战性. 为了解决时变参考信号下二级倒立摆的起摆和跟踪控制问题, 本文提出了一种基于能量控制与近似输出调节方法的起摆和三阶控制器设计方案. 首先, 采用能量控制方法将第1级摆杆从下垂位置摆起到倒立位置附近; 其次, 采用滑模控制方法将第1级摆杆稳定在倒立位置, 同时, 采用等效小车与能量控制相结合的方法将第2级摆杆摆起到倒立位置附近; 最后, 采用基于近似输出调节理论的多项式近似方法设计三阶控制器实现二级倒立摆的位置跟踪控制. 仿真和实验结果均验证了该控制方案的有效性.