控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第6期

• 一种快速有限时间收敛的轨迹跟踪引导律

  黄宴委,林涛,黄文超,陈少斌

  针对参考轨迹曲率变化大导致前视距离(LAD)调整不及时, 使得无人船(USV)轨迹跟踪误差收敛慢的问题, 本文利用轨迹跟踪几何关系, 建立位置跟踪误差动态系统, 引入曲率参数设计一种新型的时变前视距离(NTLAD), 提出一种快速有限时间收敛的轨迹跟踪引导律(FFTC-GL), 包括期望艏向引导律和期望巡航速度引导律研究, 以快速准确跟踪大范围曲率的轨迹. 首先, 构造NTLAD的稳定约束条件, 结合图解法求解NTLAD函数, 实现法向误差快 速有限时间收敛, 并且引入曲率参数, 快速准确地跟踪不同曲率的轨迹. 其次, 基于切向误差的有限时间技术, 设计快速有限时间速度引导律, 实现切向误差动态系统的有限时间稳定. 最后, 通过对比有限时间上确界, 表明引导律 对位置跟踪误差收敛的快速性. 轨迹跟踪仿真表明FFTC-GL能够在有限时间内跟踪参考轨迹, 保证曲线拐点位置跟踪误差快速收敛.

• DoS攻击下多智能体系统无模型自适应迭代学习跟踪控制

  郭金丽,卜旭辉,崔立志,陈宗遥

  针对周期性拒绝服务(DoS)攻击下多智能体系统有限时间趋同跟踪控制问题, 本文提出了一种无模型自适 应迭代学习控制(MFAILC)算法. 假设多智能体系统具有固定拓扑结构, 并且仅有部分智能体可获取到期望轨迹信 息. 在多智能体系统数据传输过程中, 需要经由对数量化器进行量化处理. 首先, 使用伪偏导数将智能体系统动态 线性化, 处理过程中考虑符合伯努利分布的周期性DoS攻击现象, 在此基础上设计了MFAILC控制算法, 其次, 采用 压缩映射方法给出了一个在期望意义下保证跟踪误差收敛的充分条件, 并在理论上证明了所提算法的收敛性. 所 提算法只需利用系统的输入输出数据就可完成趋同跟踪任务. 最后, 仿真结果验证了所提算法的有效性.

• DoS攻击下随机系统的攻击参数依赖型观测器与控制器协同设计

  李建瑞,胡松林,岳东,陈小莉,马勇

  本文研究了拒绝服务攻击下网络随机控制系统的攻击参数依赖型观测器与控制器协同设计问题. 首先, 将 拒绝服务(DoS)攻击建模为周期脉宽调制干扰信号, 并构造了Luenberger观测器来估计不可测的系统状态. 其次, 设 计了基于观测器的控制器, 提出一种新的切换随机系统模型. 然后, 引入DoS攻击参数依赖型随机时变李雅普诺夫 函数分析切换随机系统. 给出了切换随机系统均方指数稳定的判据, 并使闭环系统具有L2增益性能水平. 同时通过 应用矩阵不等式技术, 给出了攻击参数依赖型观测器与控制器的协同设计方案. 最后, 以一种飞行器系统为例, 验证 了该方案的有效性.

• 一类具有凸多面体不确定性的非线性变参数系统鲁棒H∞控制

  周燕茹,汪育成,付荣

  针对具凸多面体不确定性的非线性变参数(NPV)系统, 本文研究了其非线性鲁棒H∞控制问题. 基于Lyapunov稳定性理论和多项式平方和(SOS)方法, 对该系统设计了非线性鲁棒状态反馈镇定控制器. 在此基础上, 进一 步考虑存在外部扰动情形, 给出相应的非线性鲁棒H∞控制可解性条件. 该条件以状态和时变参数依赖的线性矩阵 不等式形式(LMIs)给出, 可借助凸优化工具进行有效检验. 最后, 通过数值仿真验证了所得方法的有效性和优势.

• 线性自抗扰控制的对偶性分析

  谭文,韩文杰,户杏启

  本文对线性自抗扰控制的结构进行了分析, 证明了线性自抗扰控制结构实际上是一种基于观测器的比 例–积分–微分(PID)结构的对偶. 该结构中状态反馈就是常规(高阶)PID控制, 而PID控制中输出的积分和各阶导数 由一不依赖于模型的扩张观测器获得. 这种对偶性表明PID控制和线性自抗扰控制采用了同一个标准系统作为被 控对象, 但从不同的角度进行处理. 理论及仿真表明, 线性自抗扰控制是常规PID控制的扩展, 克服了常规PID控制 受测量噪声影响的问题, 为高阶PID的应用提供了实际可行的实现.

• 具有加性和乘性噪声的线性离散时间随机系统的无模型最优跟踪控制

  银玉博,罗世贤,万韬

  本文研究一类同时受加性和乘性噪声影响的离散时间随机系统的最优跟踪控制问题. 通过构造由原始系 统和参考轨迹组成的增广系统, 将随机线性二次跟踪控制(SLQT)的成本函数转化为与增广状态相关的二次型函数, 由此推导出用于求解SLQT的贝尔曼方程和增广随机代数黎卡提方程(SARE), 而后进一步针对系统和参考轨迹动 力学信息完全未知的情形, 提出一种Q-学习算法来在线求解增广SARE, 证明了该算法的收敛性, 并采用批处理最 小二乘法(BLS)解决该在线无模型控制算法的实现问题. 通过对单相电压源UPS逆变器的仿真, 验证了所提出控制 方案的有效性.

• 自动驾驶汽车视野遮挡场景潜在风险评估

  王登贵,傅卫平,周劲草,高志强,宋清源

  视野遮挡区域的潜在风险对自动驾驶汽车的行驶安全提出了极大挑战. 面对难以准确有效地预测、评估潜 在风险这一困难, 本文提出了一种基于“知识图谱+逻辑推理+贝叶斯推理”的潜在风险评估方法, 建立了潜在风险预 判模型和潜在风险概率评估模型. 潜在风险预判模型通过构建“城市道路驾驶场景知识图谱”描述了场景中实体与 实体间的交互关系, 并对场景描述信息进行语义转换, 采用SWI-Prolog推理机推断当前场景是否存在潜在风险; 潜 在风险概率评估模型基于贝叶斯网络实现对潜在风险的概率评估. 通过现场实验验证, 所提方法对潜在风险的推 理效果与人类驾驶员推理效果相似, 甚至可弥补人类未及时推理出潜在风险的过失. 方法适用于城市复杂道路交 通, 风险评估结果能为自动驾驶或辅助驾驶的行为决策提供有效依据, 具有潜在应用价值.

• 基于改进自抗扰控制和数据驱动的脱硝系统设计及应用

  李炳楠,朱峰,梁正玉,吴振龙

  具有多源扰动、强非线性、大滞后等特性的燃煤机组脱硝系统一直面临着如何提高控制品质的挑战. 为提 高脱硝系统的跟踪性能和抗干扰性能, 本文提出了一种结合改进自抗扰控制与前馈设计的复合控制策略, 并在 330 MW亚临界机组的脱硝系统中进行了成功应用. 首先, 通过分析改进自抗扰控制参数对控制效果的影响, 提出 了一种适用于脱硝系统的实用参数整定方法, 并利用数据驱动的方法, 通过扰动量的相关性分析设计合理的前馈控 制策略. 现场运行数据表明, 提出的复合控制策略具有更强的扰动抑制能力和消除反应器两侧出口浓度偏差的能 力, 显示了很强的应用潜力.

• 基于龙伯格观测器的感应电机预设性能位置跟踪优化控制

  刘乐,刘鹏,王馨,方一鸣

  考虑暂稳态约束、控制参数优化及参数摄动和负载扰动等对感应电机位置跟踪控制性能的影响, 本文提出 了一种基于龙伯格观测器的预设性能优化控制方法. 首先, 针对电机转子磁链在实际中不可测的问题, 采用龙伯格 观测器对其进行了快速准确的估计. 其次, 基于反步法完成感应电机位置预设性能控制器的设计, 基于变增益指数 趋近律完成感应电机磁链滑模控制器的设计, 通过构造干扰观测器对电机系统中由参数摄动和负载扰动引起的不 确定项进行观测, 实现了对系统给定值准确的跟踪控制. 再次, 将遗传算法(GA)与改进的粒子群优化(IPSO)算法相 结合, 对所设计的控制器参数进行优化整定, 进一步提高了系统的收敛速度和稳态精度. 基于李雅普诺夫稳定性理 论分析表: 所设计的控制器能够保证位置跟踪误差一直处于预设边界内, 且整个闭环系统是全局一致有界稳定的. 最后, 通过仿真和模拟实验对比分析验证了本文所提方法的有效性及在实际电机系统中应用的可行性.

• 非平衡有向网络下带约束的连续时间分布式优化算法设计

  杨正全,杨秀伟,陈增强

  本文基于权重不平衡有向网络, 对一类分布式约束优化问题进行研究, 其中全局目标函数等于具有李普希 兹梯度的强凸目标函数之和, 并且每个智能体的状态都有一个局部约束集. 每个智能体仅知道自身的局部目标函 数和非空约束集. 本文的目标是用分布式方法求解该问题的最优解. 针对优化问题, 提出了一种新的分布式投影梯 度连续时间协调算法, 利用拉普拉斯矩阵的零特征值对应的左特征向量消除了图的不平衡性. 在某些假设下, 结合 凸分析理论和李雅普诺夫稳定性理论, 证明了算法能够获得问题的最优解. 最后, 通过仿真验证了算法的有效性.

• 矿用卡车路面自适应模型预测轨迹跟踪控制

  杨春雨,陈佳怡,张鑫,唐超权

  针对矿区道路环境突变对无人矿用卡车无人驾驶的挑战, 本文研究了路面自适应模型预测轨迹跟踪控制 问题. 首先, 根据矿区常用矿卡车型及环境突变特点分别建立矿卡动力学模型和矿区道路环境模型; 其次, 提出矿卡 路面自适应模型预测轨迹跟踪控制框架; 然后, 引入预设附着系数库, 提出基于自主切换策略的最小二乘参数估计 方法以应对突变工况做出合理递推; 最后, 提出矿卡路面自适应模型预测轨迹跟踪控制方法. 仿真表明, 所提方法 比传统自适应模型预测控制方法轨迹跟踪精度更高, 可以充分考虑道路附着条件突变的矿区道路工况, 自适应地保 证矿卡的操纵稳定性.

• 流形结构化半监督扩展字典学习的旋转设备故障诊断

  周杰,陈晓方,谢永芳,邓紫晴,谢世文

  针对有标签数据不足及传统故障诊断模型判别性差的问题, 本文提出一种流形结构化半监督扩展字典学 习(MS-SSEDL)的故障诊断方法. 首先, 为改善缺少有标签数据而导致模型的识别性能较差问题, 在MS-SSEDL模型 中提出无标签数据重构误差项, 利用无标签数据学习置信度矩阵, 从而学习得到扩展字典以增强字典学习的表示 性. 然后, 为增强MS-SSEDL模型的判别性, 通过保存数据的流形结构, 学习数据中内在几何信息的稀疏表示, 增强 信号表示能力及字典判别性. 最后, 在数字图像、轴承故障及齿轮故障公共数据集的实验表明所提MS-SSEDL方法 比其他先进方法的识别性能更优越.

• 多自由度机械臂的饱和输出反馈有限时间同步位置控制

  王海红,季祥,翟天嵩

  针对输入受限的多自由度机械臂高精度位置控制问题, 本文充分考虑驱动器饱和非线性的影响, 提出了多 自由度机械臂输出反馈饱和有限时间比例–微分(PD)+同步位置控制策略, 应用Lyapunov稳定性理论和几何齐次性 技术证明了闭环系统的全局有限时间稳定性. 非线性饱和函数的恰当引入, 使得所提出的控制器具有清晰明确的 上界, 可以通过预先选择满足特定条件的控制器参数有效避免驱动器饱和问题; 同步控制项的恰当引入, 使得所提 出的控制器兼顾了多自由度机械臂各轴间的同步协调性, 从而获得更快的收敛速度和更好的系统整体性能, 满足工 程实际对机械臂的高精度要求. 本文的数值仿真结果验证了所提出的控制方法的有效性和可行性.

• 分数阶时滞非线性多智能体系统的自适应控制

  李妍,毛志忠,郭永亮,张艳珠

  针对分数阶多智能体系统中存在时滞和非线性特性, 时滞往往会引起控制系统的性能下降甚至出现系统 不稳定等问题, 提出了一种含时滞非线性的分数阶多智能体系统自适应控制方法. 对于多智能体系统的控制协议, 设计了基于领导者和相邻智能体状态信息的自适应控制协议, 减小了过大常数控制增益带来的能源浪费. 对于一 致性, 利用图论基础、分数阶Halanay不等式稳定性定理、Kronecker积和Schur补引理, 获得了分数阶时滞非线性多 智能体系统的LMI一致性条件. 仿真结果验证了本文算法的正确性和有效性. 由于整数阶系统是分数阶系统的特殊 形式, 本文结论可以直接推广到整数阶多智能体系统中.

• 李雅普诺夫函数优化: 正交矩阵构造方案

  刘秀翀

  本文研究了李雅普诺夫函数的优化问题. 提出了一种正交矩阵构造方案, 用于求解黎卡提不等式中的最优 李雅普诺夫函数. 通过分析系统H∞范数的几何特征, 本文将黎卡提不等式转换为近似等式, 进而给出了最优李雅 普诺夫函数的存在条件. 基于所给最优李雅普诺夫函数存在条件, 所提正交矩阵构造方案利用旋转变换, 将非线性 方程组的求解问题转换为幅值和角度的线性优化问题, 进而实现李雅普诺夫函数参数的优化. 研究结果弥补了目 前的研究无法求解最优李雅普诺夫函数的不足, 对系统性能分析和非保守控制的设计具有建设性. 算例验证了所 提正交矩阵构造方案的有效性.

• 基于时变终端滑模的任意迭代初态抑制控制

  殷春武,甘婷,楚天乐,陈俊英

  为解决迭代学习过程中的任意迭代初值和迭代收敛理论证明难的问题, 本文构造了一种轨迹跟踪误差初 值恒位于滑模面内的时变终端滑模面, 将轨迹跟踪误差初值不为零的轨迹跟踪控制问题转换为滑模面初值恒为零 的滑模面跟踪控制问题, 建立了任意迭代初值与相同迭代初值的迭代学习控制理论连接桥梁. 本文提出一种基于 时变滑模面的比例–积分–微分(PID)型闭环迭代学习控制策略, 基于压缩映射原理证明了迭代学习的收敛性, 给出 了迭代收敛条件. 时变终端滑模面经有限次迭代学习收敛到零, 达到轨迹跟踪误差最终稳定在时变滑模面内的目 的; Lyapunov稳定理论证明了位于滑模面内的轨迹跟踪误差在有限时间内收敛到原点, 达到轨迹局部精确跟踪目 的. 随机初态下的工业机器人轨迹跟踪控制数值仿真验证了本文方法的有效性和系统对外部强干扰的鲁棒性.

• 带有不连续动力学的非线性多智能体系统固定时间一致性

  陈世明,余吴刚,黎力超

  本文研究了一类带有不连续动力学和有界扰动的非线性多智能体系统领导跟随固定时间一致性问题. 首 先, 在不对称的有向拓扑图下, 本文设计了一种辅助信号, 该辅助信号用于观测领导者状态, 且该辅助信号不在通信 信道中传输, 可以有效地减少系统计算代价. 随后, 基于辅助信号, 本文设计了一种不连续控制协议, 以实现多智能 体系统固定时间收敛. 然后, 利用非光滑分析、Lyapunov稳定性理论及代数图论等证明系统可在任意初始状态下达 到固定时间一致. 最后, 仿真实例进一步验证了理论结果的有效性.

• 未知环境下基于虚拟角速度跟踪的避障策略

  熊志刚,刘忠,罗亚松

  当智能体自主执行任务时, 局部障碍物可测的未知环境增加了局部极值和执行器饱和发生的概率. 对此, 本文提出了虚拟角速度跟踪的避障策略. 首先, 基于简易障碍物的几何模型构造虚拟的避障引导角, 并利用李雅普 诺夫方法设计角速度控制律, 通过受限制的虚拟角速度跟踪来实现避障控制. 然后, 引入方位因子改进距离型权值 分配器, 强化轨迹附近障碍物的影响以降低局部极值发生的概率. 最后, 对于不完全可测的复杂障碍物, 根据历史探 测信息建立以边界点为中心的简易障碍物模型. 仿真结果表明, 该策略能够避让低速动态障碍物及U型复杂障碍 物, 并且可实现抗饱和控制.

• 基于分区间强化学习的集群导弹快速任务分配

  黄卓,徐振,郭健,陈庆伟,吴潇瑞

  针对集群导弹在线任务分配面临的环境不确定、耗时过长等问题, 本文研究了一种基于分区间强化学习的 集群导弹快速任务分配算法. 首先, 建立集群导弹的综合攻防性能模型, 并将存在环境不确定性的集群导弹任务分 配问题表述为马尔可夫决策过程. 其次, 针对该过程采用分区间强化学习, 通过将搜索空间划分成若干个子区间, 降低搜索维度, 加快算法的收敛过程, 并通过理论证明给出了最优区间划分依据. 最后, 通过3组仿真实验, 分别从 收敛速度、不确定条件下的寻优能力以及导弹和目标数量可变情况下的决策能力3个方面, 验证了所提算法的快速 性和优化性能.

• 基于卷积注意力长短时记忆网络的轴承寿命预测方法

  周建民,高 森,李家辉,熊文豪,王云庆

  传统的滚动轴承寿命预测方法缺乏明确的学习机制, 无法有效识别不同时序特征之间的差异并突出重要 特征, 影响其预测精度. 为克服上述缺点, 本文提出了一种基于卷积注意力长短时记忆网络(CAN-LSTM) 的剩余使 用寿命预测模型. 该模型主要由两部分组成: 前端为卷积注意力网络(CAN), 学习通道和时间维度中的深层故障特 征, 提高特征的表征能力; 后端为改进LSTM网络, 基于退化特征对轴承进行寿命预测. 归一化健康指标至[0,1]区间 内, 得到相同的失效阈值; 使用五点平滑法对预测结果进行处理, 实现预测结果的输出; 利用留一法对轴承全寿命 试验数据进行验证, 测试模型的准确性和适应性. 试验结果表明: 所提模型的平均均方根误差和平均绝对值误差比 仅用CNN 模型预测值低54.12% 和59.05%, 比仅用LSTM模型预测值低39.06% 和43.42%, 比卷积长短时记忆网络 (CNN-LSTM)低20.41% 和25.86%.