控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2023年第9期

• 面向FPGA便捷部署的智能模型预测控制

  李星辰,赵斐然,孟庆辉,游科友

  现场可编程逻辑门阵列(FPGA)具有可编程、易并行化的独特优势, 是实现一体化感知、决策、控制最具前景的人工智能芯片之一, 但其硬件描述语言(HDL)不易掌握. 本文提出了一种基于神经网络的智能MPC及其FPGA便捷部署方法, 使用高层次综合(HLS)生成HDL代码, 并通过MATLAB-Modelsim联合仿真验证代码功能, 可克服人工编写HDL代码的困难, 提高控制算法的部署效率. 该方法利用了深度神经网络的结构特点和FPGA的并行计算优势, 离线训练神经网络在线仅需硬件化正向传播, 在低资源占用的同时具有严格计算时间保证. 将所提方法分别应用于高速、高维控制系统中, FPGA在环测试验证了其有效性.

• 网络环境下非线性切换系统的固定时间控制

  马加立,费树岷,崔国增

  本文针对一类不确定非线性切换系统, 在控制系数和量化器参数未知的情况下, 研究系统的自适应固定时间控制问题. 首先, 文章利用增加幂次积分法和共同Lyapunov函数设计带有可调参数的自适应控制器. 然后, 基于改进的固定时间控制理论, 文章提出有效的参数调节律, 从而实现闭环系统的固定时间稳定性. 最后, 通过仿真实验验证所提控制算法的有效性

• 基于方位信息的无人机编队控制设计与验证

  孙文涵,鲜斌

  本文主要研究了无人机编队的抗扰跟踪控制设计. 针对各无人机只能获取邻机方位信息的情况, 文章设计了一种新的非线性控制器以完成多无人机系统的编队形成与跟踪任务. 考虑到无人机系统易受外界扰动影响的特性, 采用Leader-Follower式编队方法, 通过引入Leader位置信息来矫正基于方位信息的无人机编队系统的位置漂移.将反步法设计结合自适应设计与鲁棒控制设计, 来补偿未知参数与未知外界扰动对多无人机编队系统造成的影响,提高了多无人机方位编队系统的鲁棒性. 然后, 基于Lyapunov分析方法证明了系统的稳定性. 最后, 搭建了四旋翼无人机编队实验平台, 进行了基于方位信息的编队形成与跟踪飞行实验, 并与PD控制器进行了对比实验. 飞行实验结果验证了算法的有效性与实用性.

• 四轮转向车辆转向解耦的双点跟踪控制

  谭晓军,刘德亮,熊会元,尹文成,潘跃龙

  针对四轮转向(4WS)无人车辆路径跟踪中的过约束问题, 本文提出一种前后轮转向解耦的双点跟踪控制策略. 建立4WS车辆单轨运动学模型, 约束前后轮转向角速度, 规划曲率连续的回旋曲线参考位姿序列, 将其解耦为前后轴中心的双点参考轨迹; 以前后轮中心点为控制点, 采用非线性反馈控制的预瞄方法分别获得转向控制率, 双点跟踪误差指数收敛于0. 仿真和实车验证结果表明, 所提出的双点跟踪控制策略横向误差标准差减少0.2 m, 横摆角误差标准差减小3.0?, 具有更大的前后轮转角控制域和较高的跟踪精度

• 具有空间扩散和尺度结构的非线性害鼠模型的最优不育控制

  张泰年,雒志学,王汝军

  本文讨论了一类具有尺度结构的非线性时变害鼠扩散模型的适定性及最优不育控制问题. 状态系统由二阶偏微分–积分方程描述, 此系统有一种重要的特殊情形, 即死亡率分为自然死亡率和额外死亡率, 系统的解关于尺度和空间位置可分离, 从而将系统分为两个子系统, 利用比较原则和不动点定理证明了变量分离型解的存在唯一性和非负有界性. 本文运用Mazur定理证明了最优策略的存在性, 导出共轭系统并借助凸集的切锥–法锥技巧给出了最优策略的必要性条件, 为模型的实际应用奠定了理论基础. 最后, 采用向后差分格式和追赶法分别对子系统的解进行了数值模拟.

• 不对称约束多人非零和博弈的自适应评判控制

  李梦花,王鼎,乔俊飞

  本文针对连续时间非线性系统的不对称约束多人非零和博弈问题, 建立了一种基于神经网络的自适应评判控制方法. 首先, 本文提出了一种新颖的非二次型函数来处理不对称约束问题, 并且推导出最优控制律和耦合Hamilton-Jacobi方程. 值得注意的是, 当系统状态为零时, 最优控制策略是不为零的, 这与以往不同. 然后, 通过构建单一评判网络来近似每个玩家的最优代价函数, 从而获得相关的近似最优控制策略. 同时, 在评判学习期间发展了一种新的权值更新规则. 此外, 通过利用Lyapunov理论证明了评判网络权值近似误差和闭环系统状态的稳定性. 最后, 仿真结果验证了本文所提方法的有效性

• 具有有界时滞的脉冲随机泛函微分系统的有限时间稳定

  王国庆,姚凤麒

  本文研究了具有有界时滞的脉冲随机泛函微分系统的有限时间稳定和有限时间渐近稳定问题. 基于Lyapunov函数、Razumikhin技巧以及平均脉冲区间条件, 本文建立了关于该系统有限时间稳定和有限时间渐近稳定的相关性准则. 最后, 给出例子说明结论的有效性.

• 无参考值情况下自诊断传感器设计方法研究

  蒋栋年,高玉鑫

  对于工业现场中传感器进行故障诊断时难以获取参考值的问题, 本文提出了一种基于贝叶斯推理的无参考值情况下自诊断传感器设计方法. 首先, 运用传递熵方法对传感器之间存在的冗余关系进行量化评价, 并借助β–二项分布建立传感器的故障统计模型; 其次, 利用贝叶斯推理对有参考和无参考时的传感器测量系统设计故障自诊断算法, 对于无参考值情况下的传感器测量系统, 通过引入观测值, 进行自学习获取传感器的健康状况; 最后, 以镍闪速炉中的温度测量系统为例, 验证了文中方法的可行性与有效性.

• 霉变小麦气相色谱–离子迁移谱的宽度学习检测模型

  秦瑶,廉飞宇,潘泉,张元

  常用的小麦霉变检测方法存在检测程序复杂、环境适应性差等问题. 本文针对这一现状, 将具有高灵敏度的气相色谱–离子迁移谱(GC-IMS)应用于小麦的早期霉变检测, 对不同霉变程度的小麦样品进行GC-IMS测试并采用宽度学习模型(BLN)进行模式分类. 为了提高宽度学习模型的分类精度, 在模型中引入了空间注意力机制(SAM),通过使用节点的特征信息和结构信息计算注意力权重, 提取更重要的特征信息. 实验结果表明, 与现有的深度学习模型相比, 本文提出的模型在训练时间上大大减少, 在样本较少的情况下, 对霉变小麦早期识别的准确率(AUC)也得到了相应提高, 有效地解决了过拟合问题. 实验也证明了GC-IMS结合BLN-SAM模型的方法在小麦霉变早期检测中的有效性

• 考虑左转汇入的干线协调控制与速度引导优化

  李婷瑞,杨晓芳

  考虑到相交道路左转汇入车流对干线协调效率的影响, 本文以绿波带宽最大为目标提出了干线协调控制下直行车辆及左转汇入车辆的速度引导模型. 首先, 在干线绿波控制(Maxband)模型的基础上确定干线直行车辆的可通行时间, 引导干线直行车辆在绿波时间段内到达交叉口; 然后, 加入控制左转汇入车辆的通行时间方程, 引导左转汇入车辆在不影响干线协调控制的时间内通过交叉口, 与干线直行车辆实现时间上的分离; 最后, 基于VISSIM和MATLAB进行仿真实验, 结果表明本文提出的优化模型可以有效提高干线交叉口的通行效率.

• 事件触发传输机制下线性随机系统的间歇故障检测

  怀务祥,高明,盛立

  本文研究了事件触发传输机制下线性随机系统的传感器间歇故障检测问题. 首先, 基于非均匀采样的方法,将具有事件触发传输机制的系统转化为线性时变系统. 然后, 基于Kalman滤波理论设计了故障检测滤波器, 并给出了新的残差设计方法. 所设计残差同时解耦了触发误差与估计误差, 能够有效地检测出间歇故障的发生时刻与消失时刻. 进一步, 利用随机分析理论研究了间歇故障的可检测性. 最后, 数值仿真和实验结果验证了所得结论的有效性

• 快速平均一致与多采样率下储能系统精准功率分配

  吴涵,柴利,田玉楚

  针对智能电网中储能系统分布式功率分配问题, 本文提出融合了快速平均一致与多采样率的离散时间控制策略, 使各储能电池以相同相对剩余电量状态(SoC)变化率进行充放电. 为了仅用局部通信得到计算功率分配值需要的全局平均值, 在储能电池拓扑结构已知和未知两种情况下, 本文分别采用了有限时间平均一致算法和具有最优收敛率的平均一致算法. 在储能电池单个控制周期内, 平均一致算法以小于电池控制周期的采样周期进行多步迭代, 从而得到精确的估计值, 实现各储能电池的精准功率分配. 不同于传统连续时间控制方法仅给出平均一致算法的收敛性分析, 本文不仅建立了单个控制周期内快速平均一致算法的收敛率表达式, 而且给出了包含储能电池动力学和平均一致算法的整个控制系统的渐近稳定性分析. 所提方法能够更快速、更精准地实现基于相同相对SoC变化率的功率分配. 最后, 本文通过多组仿真实验验证了所提方法的有效性.

• 微手系统的鲁棒无源跟踪控制(英文)

  步妮,李小永,张玉义

  近年来, 微手系统作为机器人技术的一个热门研究领域, 受到了越来越多的关注. 由于微手系统是复杂且具有非线性的, 因此在实际应用当中很难达到精确跟踪的性能. 为了解决微手系统的精准控制问题, 本文讨论了微手系统的鲁棒无源跟踪控制. 首先, 运用基于演算子理论的鲁棒右互质分解方法, 建立了微手系统的动态模型. 然后, 通过结合无源补偿算子, 设计了无源鲁棒控制器, 保证了系统的鲁棒稳定性和无源性. 进而提出了基于双Bezout恒等式的鲁棒跟踪控制方案, 使整个非线性系统具有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能. 最后, 通过仿真进一步验证了所提出方法的有效性

• 基于滤波的分段线性Hammerstein系统的递推辨识方法

  刘喜梅,樊亚敏,李梅航

  Hammerstein模型具有结构简单、能很好地反映典型非线性特性等优点, 一直是控制领域的重要研究内容之一. 本文主要研究输出误差自回归Hammerstein系统的辨识问题, 系统的输入非线性部分采用分段线性函数拟合,并引入切换函数和位置函数将其表示为线性参数表达式. 为克服有色噪声的干扰, 本文通过关键项分离和数据滤波技术, 建立系统的滤波辨识模型. 在此基础上, 文中提出了基于滤波的遗忘梯度算法, 基于滤波的递推广义最小二乘算法和基于滤波的多新息遗忘梯度算法估计未知参数. 本文通过仿真实例验证了所提算法的有效性, 证明了多新息理论的应用可以有效地提高递推算法的辨识性能.

• 有向网络分布式优化的Barzilai-Borwein梯度跟踪方法

  高娟,刘新为

  本文研究有向网络上的分布式优化问题, 其全局目标函数是网络上所有光滑强凸局部目标函数的平均值.受Barzilai-Borwein步长改善梯度方法表现的启发, 本文提出了一种分布式Barzilai-Borwein梯度跟踪方法. 与文献中使用固定步长的分布式梯度算法不同, 所提出的方法中每个智能体利用其局部梯度信息自动地计算其步长. 通过同时使用行随机和列随机权重矩阵, 该方法避免了由特征向量估计引起的计算和通信. 当目标函数是光滑和强凸函数时, 本文证明了该算法产生的迭代序列可以线性地收敛到最优解. 对分布式逻辑回归问题的仿真结果验证了所提出的算法比使用固定步长的分布式梯度算法表现更好

• 级联触发策略下非结构化道路的自主卡车队列控制

  岳伟,吕顺,刘中常,李莉莉,王丽媛,邹存名

  本文针对非结构化道路上自主卡车队列系统的控制问题进行研究, 设计一种基于级联触发的控制器,有效提高复杂工况下的卡车队列系统性能. 首先, 建立不依赖于道路结构的纵–横耦合卡车队列系统模型, 该模型涉及复杂环境下车辆存在故障(包括执行器、传感器的失效故障以及随机网络故障)影响. 其次, 为降低燃油消耗, 设计了基于自触发和事件触发的级联触发控制器, 并利用李雅普诺夫方法证明了系统的闭环稳定性. 此外, 通过对系统Zeno行为的分析量化, 得到了触发时间间隔的下界值, 保证了算法的实际应用性. 本文为了实现卡车系统队列稳定性控制目标, 进一步给出了控制器设计限制条件. 最后, 仿真结果表明, 所提出的控制方法不但能保证单车渐近稳定以及队列稳定, 还能有效减少执行器更新频率, 提高燃油经济性.

• 强非线性中立型随机时滞系统的间歇性反馈控制

  宋公飞,张子梦,李涛

  本文研究的是一类系数是强非线性的混合中立型随机时滞系统的间歇性反馈控制问题. 与现有的间歇性控制器不同, 该控制器可以随意改变有效时间域的长短, 并根据有效时间域的不同, 去接受不同的输入形式, 如: 周期性时间输入、有界非周期性时间输入、指数非周期性时间输入和全时间输入等. 最后, 利用Lyapunov函数, M–矩阵和Itˇo公式, 证明了其系统的指数稳定和几乎确定的稳定, 并通过算例仿真验证了该控制器的有效性和正确性

• 基于混合阈值事件触发机制的船舶自适应神经滑模控制

  李纪强,张国庆,张显库,张卫东

  针对存在时变干扰和通信受限的船舶艏向保持控制问题, 本文设计了一种基于混合阈值事件触发机制的船舶自适应神经滑模控制算法. 首先, 采用径向基函数神经网络(RBF-NNs)对控制系统的模型不确定部分进行在线逼近. 其次, 构造了一种比例积分滑模面和基于混合阈值参数的事件触发规则来降低时变干扰引起的系统抖振和减少传输信道的通信资源占用. 并且在理论上分析了事件触发技术能够增强闭环控制系统对低频扰动的抗扰性. 最后, 通过Lyapunov理论证明了所提控制算法能够保证所有误差信号满足半全局一致最终有界稳定(SGUUB). 在时变干扰条件下进行数值仿真, 并且与现有控制技术进行对比, 仿真结果表明, 所提控制算法能够明显减少系统抖振和控制输入频率.

• 面向电动汽车的分布式储能主动汇聚与协同优化方法研究

  曾君,符致敏,黄向敏,袁功献,刘俊峰

  分布式储能在支撑原有配置需求的基础上具有一定的闲置容量和闲置时间, 若能汇聚这部分闲置储能形成规模化的储能集群, 将能为电网提供多类型辅助服务. 以电动汽车(EV)这一特殊分布式储能为例, 研究考虑个体有限理性特征下的微电网运营商(MGO)对主动电动汽车的汇聚方案: 首先, 建立含主动EV的系统架构, 设计了微电网营运商与主动EV之间的互动流程; 然后, 基于EV的实际出行需求, 利用灵活充放电范围理论建立统一化的EV约束模型; 考虑现实EV用户的有限理性特征, 采用前景理论对其进行有限理性建模; 最后, 将MGO和主动EV之间的互动过程建立为斯塔克伯格博弈(Stackelberg game)模型并验证了博弈均衡解的存在性和唯一性. 算例基于一个商/居型并网微网, 验证了所提模型能有效汇聚分布式EV储能, 促进可再生能源发电就地消纳

• 永磁同步电机多步模型预测电流控制球形编码研究

  李耀华,王孝宇,陈桂鑫,刘子焜,刘东梅,任超

  传统多步模型预测电流控制遍历所有开关序列, 并寻求成本函数最小, 使得运算量较大. 球形编码算法将成本函数转换为开关序列对应的矩阵二范数平方, 并采用事件触发机制动态精简计算量. 仿真结果表明: 基于球形编码的多步模型预测电流控制性能良好, 与传统方法完全等价, 控制效果相当. 基于STM32H743单片机平台, 球形编码和传统方法单控制周期执行时间实验结果表明: 对于多步预测, 球形编码算法可减少单控制周期执行时间, 2步预测减小至96.78%, 3步预测减小至87.99%, 4步预测减小至73.41%, 5步预测减少至63.63%, 在控制性能与传统方法相当的条件下, 提高系统实时性能

• 基于障碍Lyapunov函数的未知控制方向非线性系统的约束鲁棒输出调节

  孙伟杰,乔雨晨,彭云建

  本文研究一类不确定非线性系统的约束鲁棒输出调节问题. 在具有未知控制输入方向的情况下, 要求被控线性系统的受控输出在趋近于零的同时, 被限制在给定的范围内. 文章结合障碍Lyapunov函数和Nussbaum增益技术, 进行反馈控制器的设计. 通过MATLAB仿真验证了控制算法的合理性. 同时, 与基于二次型Lyapunov函数设计的仿真结果进行对比, 表明了控制算法的有效性