控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第5期

• 带有迭代学习外环的快速路入口匝道无模型自适应预测控制

  张茂帅,侯忠生

  针对快速路交通系统复杂时变以及难以建模的特点, 首先, 本文设计了基于无模型自适应预测控制的快速路入口匝道控制方案. 其次, 根据快速路交通系统具有重复性特点, 本文在无模型自适应预测控制方法的基础上引入开环迭代学习控制, 提出一种带有迭代学习前馈外环的无模型自适应入口匝道预测控制方案. 相比无模型自适应预测控制方案, 该方案可以利用迭代学习前馈控制器补偿系统可重复扰动, 实现系统的完全跟踪. 值得说明的是, 预测控制器和学习控制器可以独立工作也可以联合工作. 最后, 文章给出了控制方案的收敛性分析, 并通过交通流 仿真验证了所提控制方案的有效性.

• 单输入线性系统的改进型动态抗饱和设计

  蒋志勇,闫鹏

  本文基于状态重置的改进型动态抗饱和补偿方案, 研究了具有单输入的线性饱和系统的抗饱和控制问题. 相比较于传统的动态抗饱和补偿方案, 当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿方案把动态抗饱和补偿器的状态重置为零. 所以当执行器不饱和时, 改进的动态抗饱和补偿器将不会对控制器进行补偿. 进一步的, 提出了一个时间依赖的Lyapunov函数来分析闭环系统的稳定性, 并以LMIs的形式给出了闭环系统的控制综合条件. 最后, 通过压电纳米运动平台验证了所提出的改进型动态抗饱和补偿方案的有效性。

• 基于IGD+指标的两阶段选择高维多目标进化算法

  张伟,刘建昌,刘圆超,郑恬子,杨婉婷

  针对在高维空间下多目标进化算法难以维持种群收敛性和多样性平衡的问题, 本文提出一个基于IGD+指标的两阶段选择高维多目标进化算法(MaOEA–ITS). 在第1阶段, 算法基于IGD+指标选择收敛性良好的精英个体, 其所需的参考点通过引入切割平面截距法构建. 在第2阶段, MaOEA–ITS使用模糊c均值算法对参考向量进行聚类, 聚类后的参考向量引导种群分解策略对剩余个体进行环境选择, 从而维持种群的多样性. 另外, 为了保护能够提高种群多样性的极值解, 本文提出一个参考点分布自适应策略. 最后, 通过仿真实验来验证MaOEA–ITS的有效性和优越性.

• 无线传感器网络中基于μ律爆炸算子的烟花虚拟力混合覆盖策略

  滕志军,李哲,王幸幸,杜春秋,李梦

  针对烟花算法在无线传感器网络节点部署过程中易陷入局部最优导致节点分布不均匀、后期收敛速度慢 等问题, 本文提出一种基于μ律爆炸算子的烟花虚拟力混合算法(μFW–VFA). 首先, 采用μ律特性曲线重新定义爆炸 算子, 增强烟花间的差异性, 通过动态调整μ值使烟花爆炸的数目和幅度随迭代次数动态调整, 以平衡烟花局部和 全局的寻优能力. 其次, 引入虚拟力调节停滞烟花内传感器节点的位置信息, 加速烟花种群进化, 增强算法跳出局部最优的能力, 提高算法收敛速度. 仿真实验表明, 经μFW–VFA部署后, 网络的重叠区域和监测盲区显著减少, 有效提升了网络覆盖率并压缩节点移动距离.

• 基于核直接分解的过热蒸汽系统故障诊断方法

  王光,杨晶惠,徐一平,焦建芳

  为提高过热蒸汽系统的运行效率并减少非紧要故障的报警率, 本文提出一种质量相关的非线性故障检测与诊断方法. 首先, 利用核函数将过程变量映射到高维特征空间以消除原始变量之间的非线性耦合. 然后, 在特征空间进行核直接分解得到两个正交子空间, 并在两个子空间中分别设计统计量指标进行质量相关的故障检测. 在此基础上, 利用偏微分贡献图提取每个变量对联合统计量指标的贡献率, 并根据贡献率大小最终确定故障变量. 仿真结果表明, 所提出的方法能够准确区分影响过热蒸汽温度和不影响过热蒸汽温度的故障, 有效降低了非紧要故障的报警率, 提高了过热蒸汽系统的运行效率.

• 基于预测与分解策略的大规模炼油过程生产调度算法

  陈远东,丁进良

  炼油生产调度为混合整数规划问题, 随着规模的增大, 其求解时间随问题规模呈指数增加, 使得大规模长周期炼油生产调度问题难以在合理的时间内求解. 针对该问题, 本文提出了一种基于生产任务预测与分解策略的炼油生产调度算法, 该算法能在短时间内获得大规模调度问题的满意解. 所提算法将原问题沿时间轴分解为若干个调度时长相同的单时间段子问题, 并设计了基于深度学习的单时间段生产任务(组分油产量)预测模型, 用于协调子问题的求解. 其中, 生产任务预测模型通过易于获得的小规模问题的全局最优调度方案训练得到. 最后, 通过与商业求解器Cplex以及现有算法的对比, 实验结果表明了所提算法的有效性.

• 基于经验迁移的赛车学习预测控制研究

  程相超,黄景涛,宋书中

  为提高车辆控制算法对不同道路的适应能力, 在原有学习预测控制算法的基础上, 本文提出一种基于经验迁移的赛车学习预测控制策略. 基于所建立的赛车曲线坐标系模型, 记录小车在历史赛道上的行驶轨迹, 将其作为采样安全集. 采样安全集蕴含了车辆行驶的经验信息. 在新赛道上, 通过与采样安全集内曲率相近的轨迹进行特征匹配, 找出新赛道的虚拟路径跟踪轨迹. 然后, 对虚拟路径跟踪轨迹附近的采样点进行坐标变换, 将历史轨迹转换为新赛道的虚拟采样轨迹, 实现对历史赛道上的行驶经验的迁移. 构造了迁移学习预测控制(TLMPC), 使小车在新的赛道上能够通过学习预测控制器以更快的速度行驶. 本文在4个典型赛道上进行了仿真, 结果表明所设计的控制 策略控制效果有明显提升. 与LMPC相比, 10次迭代结果中单圈耗时至少减少了1.2 s.

• 高阶不确定系统的线性串级自抗扰控制

  李向阳,高志强,田森平,哀薇

  自抗扰控制是我国著名学者韩京清原创的先进控制技术, 本文针对自抗扰控制(ADRC)在高阶系统应用中控制器设计和参数整定问题, 提出了串级自抗扰控制(CADRC). CADRC把高阶被控对象分解为含确定性部分和含总扰动的低阶部分的串联组合, 采用由内环和外环组成的串级控制系统来完成控制. 该CADRC方案的内环采用内模控制, 外环采用经典ADRC. 外环ADRC的被控对象是一个等效的低阶系统, 可以采用带宽法进行整定, 而内环的内模控制采用高阶低通滤波器进行回路成形设计和参数整定. 仿真研究表明, 所提出的方法是有效的, 具有良好的工程应用前景.

• 欺骗攻击下弹性自触发模型预测控制

  贺宁,马凯,沈超,徐中显,钱成

  针对在欺骗攻击下自触发模型预测控制系统的安全控制问题, 本文提出一种基于关键数据保护的弹性自 触发模型预测控制(MPC)策略. 对比现有的自触发MPC, 该方法仅需对少量关键控制样本进行保护, 则可保证闭环 系统稳定运行, 从而有效节省系统资源. 首先, 基于自触发MPC和欺骗攻击的特征推导标称系统与被攻击系统状态之间的误差上界, 从而定量分析出欺骗攻击对系统的损害. 然后, 通过所获得误差上界和李雅普诺夫定理建立关键数据的选取条件并对其实施保护. 最后, 严格证明了在仅对关键控制样本实施保护后, 被控系统仍可在欺骗攻击下保持稳定. 此外, 基于移动机器人和弹簧小车系统对所提算法进行了仿真实验, 结果表明所提算法能够显著节省保护资源, 验证了算法的有效性

• Markov跳变系统的非同步事件触发耗散容错控制

  陈惠英,刘仁伟,夏卫锋,李祖欣

  本文主要研究一类具有执行器故障的Markov跳变系统的非同步事件触发耗散容错控制问题. 通过引入非同步事件触发器来降低传感器的采样数据传输频率, 从而降低通信消耗. 采用两个独立的隐Markov模型分别描述触发器、控制器与原系统之间的非同步现象. 在此框架下, 基于Lyapunov稳定性和耗散理论, 得到了闭环控制系统在执行器存在故障的情况下随机稳定并严格耗散的充分条件. 并借助矩阵不等式变换技术给出了触发器和控制器矩阵参数的求解方法, 实现了触发器和控制器的协同设计. 最后, 通过仿真研究验证了所提出的设计方法的有效性.

• 不确定噪声下基于轴对称盒空间滤波的非线性系统状态估计

  王子赟,张梓蒙,王艳,占雅聪,纪志成

  针对不确定噪声下的非线性系统状态估计问题, 本文提出了一种基于轴对称盒空间滤波的状态估计方法. 首先, 利用轴对称盒空间包裹线性化过程带来的误差项, 将状态函数线性化误差轴对称盒空间与噪声轴对称盒空间求取闵可夫斯基和, 得到干扰误差轴对称盒空间; 随后, 利用状态量、线性误差和测量噪声的轴对称盒空间的闵可夫斯基和, 得到系统状态预测集; 进而, 利用轴对称盒空间边界正交的性质, 将盒空间拆分为多组超平面, 构造测量更新的约束条件并得到集员包裹. 本文所提方法相比传统的椭球滤波方法而言, 降低了算法的复杂度, 减少了包裹状态可行集和线性化过程带来的余, 获得了更加紧致精确的系统状态集. 最后, 采用非线性弹簧–质量–阻尼器系统验证了本文所提算法的有效性.

• 考虑通信时滞和采样周期的电力系统负荷频率控制

  练红海,覃事刚,肖伸平,李谟发,肖会芹

  针对电力系统负荷频率稳定控制问题, 本文提出了一种时滞/采样相关的离散负荷频率控制(LFC)方案. 首 先, 考虑通信网络传输时滞和反馈信号采样周期对系统的影响, 建立闭环电力系统LFC模型. 然后, 基于建立的 LFC模型, 利用双边闭环Lyapunov泛函和LMI技术, 提出了低保守性的时滞/采样相关稳定准则和控制器设计方法, 确保所提控制方案能在一个较大的通信时滞和采样周期条件下保持电力系统稳定运行. 最后, 通过单区域和三区域电力系统验证所提方法的有效性. 仿真结果表明, 所设计LFC方案比现有其他LFC方案的控制性能更佳, 鲁棒性更强, 并且能在一定大小的通信时滞条件下提升电力系统的动态性能.

• 混合三维EDA求解带二维装载约束的车辆配送与分布式生产集成调度问题

  孙蓉洁,钱斌,胡蓉,张大骋,向凤红

  针对一类广泛存在的带二维装载约束的车辆配送与分布式生产集成调度问题(VD2LDPISP), 本文建立问 题模型, 并提出混合三维分布估计算法(H3DEDA)进行求解. 首先, 结合问题各阶段特性, 采用各阶段成本均衡策略 设计新颖的解码规则, 对编码个体进行分阶段解码, 可确定较高质量的解码个体. 其次, 采用三维分布估计算法 (3DEDA)学习和积累种群中优质编码个体的块结构及其位置信息, 再通过采样3DEDA中的概率模型生成新的编码个体, 从而提高算法全局搜索发现解空间中优质解区域的能力. 然后, 设计高低分层的超启发式局部搜索(HHLS)来 增强算法的局部寻优能力. HHLS的低层问题域包含分别针对编码个体、配送阶段解码子个体和生产阶段解码子个体的共16种有效邻域操作, 其高层策略域采用概率模型学习优质邻域操作排列的结构信息, 进而通过采样该模型来直接控制新邻域操作排列的生成, 有利于对不同优质区域进行深入搜索. 最后, 在不同规模测试问题上的算法比较, 验证了所提H3DEDA的有效性.

• 融合学习策略与导向果蝇机制的气味源主动定位方法研究

  缪燕子,王玥,李元龙,杨春雨,代伟,马小平

  工业生产过程中常发生由有害气体泄漏引起的火灾或爆炸事故, 利用载有气体传感器的移动机器人实时监测并搜索定位泄漏气体源是预防重大事故的有效方法, 而高效的搜索策略是保证机器人快速准确定位气味源的关键因素. 现有的气味源搜索算法存在定位成功率不高和对气味源定位不准的问题, 本文提出一种将仿生果蝇算法和学习策略相融合的气味搜索策略. 针对传统果蝇算法易陷入饱和收敛的问题, 提出一种新的导向果蝇极值更新方 式; 针对寻优不精的问题, 进一步提出一种基于学习策略的导向果蝇气味源搜索算法(OCGFOA). 仿真实验结果表 明OCGFOA算法完成定位速度更快且离泄漏气味源位置更近, 其定位效果更能满足对危险气味源定位的要求; 最后, 在物理场景下进行气味源主动定位验证实验, 证明本文所提算法在实际场景下也具有可行性.

• 线性切换系统的采样数据输出调节问题

  董潇潇,兰荟

  本文基于采样控制, 解决了线性切换系统的输出调节问题.首先考虑了外部输入信号是常数的情况, 给出了 采样周期与平均驻留时间的关系. 通过构造一类Lyapunov-Krasovskii泛函, 使得闭环系统内部稳定且调节输出趋于零. 其次考虑了外部输入信号是导数有界且时变的情况, 给出了采样数据状态反馈控制器, 并依据采样周期和平均驻留时间关系给出的切换条件得到了切换系统实用输出调节问题可解的充分条件. 最后通过两个数值例子验证了方法的有效性.

• 带随机量测时滞和随机丢包的改进无迹卡尔曼滤波

  骆宏伦,邢玛丽,黄雄

  经典卡尔曼滤波要求量测值可实时获取, 且仅适用于线性系统. 然而, 在工程实际应用中, 系统多为非线性系统, 量测值也会发生滞后或者丢失等现象, 此时经典卡尔曼滤波已不适用. 因此, 本文针对一类带有随机量测一步时滞和随机丢包的非线性离散系统的状态估计问题, 用两个满足伯努利分布的独立随机变量来描述随机量测一步滞后和随机丢包的现象. 当量测丢失时, 用量测值的一步预测值来代替零输入进行补偿. 在此基础上应用正交投影理论和无迹变换的方法提出了一种改进的无迹卡尔曼滤波算法. 最后, 通过仿真例子验证在考虑随机量测一步时滞和随机丢包的情况下, 所提出的改进算法相比于经典无迹卡尔曼滤波算法具有更高的精度.

• 拦截高速机动目标的非线性自抗扰制导律

  马鹏娟,赵志良,陈森,郭杨

  为实现导弹对目标的高精度拦截, 本文提出了基于加权齐次函数的非线性自抗扰拦截制导设计方法. 首先, 提出了基于加权齐次函数的非线性扩张状态观测器在线估计视线角速率和由目标加速度等内外不确定性因素构成的总扰动. 其次, 设计了基于非线性扩张状态观测器的非线性自抗扰三维制导律对总扰动进行补偿, 该制导律克服了高阶非线性项与强耦合项等不利因素的影响, 提高了拦截制导精度. 本文通过分析误差系统的动力学行为证明了闭环制导系统的稳定性和收敛性. 本文提出的方法在拦截精度等方面优于已有的基于线性扩张状态观测器和基于fal函数的扩张状态观测器的自抗扰制导方法. 仿真结果验证了本文所提出方法的有效性和优越性.

• 基于等间隔运行模式的群组电梯系统优化调度方法

  彭云建,杜艺聪,仲兆峰

  针对群组电梯系统运行调度优化问题, 本文采用多目标优化模型, 基于电梯群组等间隔运行模式的操作规则, 建立一类以乘客平均候梯时间最短为主要目标的群组优化策略. 通过分析群组电梯系统运行中乘客候梯时间、服务时间、轿厢拥挤度和电梯能耗等指标, 建立电梯系统运行的动态指标评价模型, 考虑电梯客流的随机性因素, 提出乘客候梯等间隔派梯规则和算法, 实现了电梯系统多目标优化的动态调度方法. 实验结果表明, 对比传统的最短距离调度算法, 本文方法可以降低乘客平均候梯时间13.1%, 提高群组电梯系统工作性能.

• 吊车钢丝绳非线性谐振建模及消谐控制

  鲁强光,刘惠康,柴琳,周舟,刘冬田,林森

  对于欠驱动吊车而言, 已有的方法都只考虑如何消除摆角. 然而当钢丝绳的摆角很小时, 钢丝绳上可能仍 然会存在严重的谐振. 针对吊车的消谐问题, 本文率先提出了一种基于钢丝绳–电机轴的非线性谐振力矩模型. 具体而言, 先利用振动力学的方法, 建立了非线性谐振力矩模型, 该模型可以将钢丝绳上的非线性谐振力矩归算到电机轴上, 然后通过电机控制器调节电机的输出力矩, 使得电机输出的基波主力矩上叠加一个大小相等方向相反的非线 性谐振力矩, 以达到消除钢丝绳上的谐振力矩的目的. 最后通过Simulink仿真和实验证明该方法具有良好的控制性 能, 不仅可以有效消除钢丝绳上的谐振, 并且能进一步减小摆角.