控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2024年第2期

• 面向多源异构数据的个性化搜索和推荐算法综述

  暴琳,朱志宇,孙晓燕,徐标

  高效精准的个性化搜索、推荐等服务可为人们生产生活带来极大便利, 而随着互联网技术的迅猛发展, 面向多源异构数据的个性化搜索和推荐任务逐渐变得日趋复杂, 也是当前大数据分析及个性化服务领域的研究热点和难点. 个性化搜索和推荐算法广泛收集多源异构数据, 获取用户偏好信息, 利用各类机器学习、深度学习等技术,构建用户兴趣偏好模型, 预测用户偏好, 推荐满足用户个性化需求和偏好的项目或内容, 提升用户的使用体验和网站平台的商业利益. 本文介绍面向多源异构数据的个性化搜索问题的数学描述, 综述面向多源异构数据的个性化搜索和推荐算法的相关研究工作, 包括: 传统个性化搜索和推荐算法、融合多源异构数据的个性化搜索和推荐算法以及动态个性化搜索和推荐算法等相关研究现状, 整理了算法常用数据集、性能评价指标及评估体系, 进一步阐明了目前面向多源异构数据的个性化搜索和推荐方法的实际应用场景及今后研究的发展方向, 并讨论了存在的不足及所面临的严峻挑战, 期望为相关领域的研究人员提供有益帮助.

• 临近空间球载飞行器投放控制关键技术综述

  户艳鹏,郭金,贾瑞龙,冯慧,蒙文跃,刘萍

  临近空间作为地球新的认知领域和重要的国家安全空间逐渐受到世界主要大国的重视. 临近空间飞行器球载投放起飞方式能够使飞行器快速达到期望的飞行高度, 同时减少因穿越对流层稠密大气所需的能源消耗, 因而受到广泛关注并迅速发展成为临近空间飞行器起飞的一种重要方式. 独特的球载投放起飞方式对高空气球及被投放飞行器的多项控制关键技术提出了较高的要求, 高空低密度的飞行环境使得低速飞行具有明显的低雷诺数特性,随高度剧烈变化的风场增加了球载平台定点区域驻空的难度, 载球系统上升过程的旋转运动给投放控制带来巨大的干扰, 投放时刻的判断与拉起控制给大翼展柔性飞行器带来了新挑战. 本文梳理了临近空间球载飞行器投放控制的关键技术及其研究现状, 并对其未来的应用进行了展望.

• 不可达系统的鲁棒贝叶斯估计方法

  易圣伦,任雪梅

  本文针对模型扰动下的不可达系统, 提出了一种新的针对退化分布下的极大极小博弈问题的求解和证明方法. 首先, 文章将有相对熵约束的极大极小博弈问题转换成了一个无约束的拉格朗日函数, 并找到其在均值和奇异的方差矩阵方向上都为严格凹函数的条件; 其次, 本文通过求解其均值和方差的极大值, 得到所对应的鲁棒贝叶斯估计器和奇异的扰动状态误差协方差矩阵; 最后, 文章证明存在一个唯一的拉格朗日乘子满足其约束条件. 微机电系统加速度计漂移估计仿真结果表明对所提算法的有效性

• 基于声波操纵的微小物体运动建模与控制

  徐连迪,孙昊,孙俊清,陶金

  采用声波操纵克拉尼平板上的微小物体, 在精准医学、液滴和颗粒的工业控制等方面有着广阔的应用前景. 传统声波操纵认为在运动过程中, 声波对微粒的影响是无序的, 而近年来, 研究得出声振动是有序的, 但缺乏精确、有效的建模手段, 限制其应用. 针对该问题, 本文提出了结合Faster R-CNN算法与局部加权回归(LOESS)算法的方法对声波场进行建模. 采用图像识别技术辨识微粒在克拉尼平板上的位置, 计算在某一固定声波频率下微小粒子在克拉尼平板不同位置上的位移. 在积累大量位移数据后, 基于LOESS算法, 建立平板上的完整声波位移模型,分析声波力场如何在平面上对微小物体的运动施加影响, 并建立仿真模型, 进行克拉尼平板上微粒操纵的仿真实验. 最后, 本文将基于所搭建的声波操纵平台, 对易碎的速溶咖啡颗粒进行控制, 通过与仿真实验相对比, 验证了建模与控制方法的可行性, 证明该模型可实现微小粒子的运动控制.

• 一类伴有部分解耦干扰的非线性系统故障诊断

  马广富,高升,郭延宁

  针对Lipschitz非线性系统执行器故障检测和传感器故障估计问题, 本文提出了一种基于H?/L∞未知输入观测器的有限频域故障诊断策略. 首先, 将系统处理成包含传感器故障的增广系统. 然后, 将该系统的未知输入干扰分为可解耦与不可解耦两部分. 针对可解耦部分, 利用观测器匹配条件将其从估计误差中消除. 针对不可解耦部分,设计L∞指标抑制其对残差的影响并结合有限频域H?指标提高执行器故障检测灵敏度. 接着, 给出观测器存在的充分条件并将其转化为受LMIs约束的线性优化问题, 实现了执行器故障的鲁棒检测及传感器故障的鲁棒估计. 最后, 结合仿真算例验证了所提方法的正确性与有效性.

• 大时滞不确定系统的滞后时间削弱与自抗扰控制

  李向阳,高志强,田森平,哀薇

  : 针对具有变时滞、变参数和扰动的大时滞不确定系统的控制问题, 本文提出了滞后时间削弱与自抗扰控制方法, 综合应用了前馈控制、反馈控制和自抗扰补偿控制. 为了提高系统的稳定性, 在前馈控制器的设计中采用了系统的边界模型确定控制器参数取值范围; 采用系统边界模型输出与系统实际输出的动态加权和作为反馈控制器的输入. 为了提高系统控制的性能, 自抗扰补偿控制回路的设计基于标称模型的补偿控制器. 理论证明和仿真结果表明, 所提出的方法是有效的, 其在具有模型参数变化、滞后时间变化和外部扰动情况下, 能保证系统的稳定性和良好的控制性能.

• 基于扰动观测器的水面无人船自适应模糊控制器设计

  董颖慧,陈健,吕成兴,张子叶,余继恒

  为了使水面无人船(USV)获得更好的跟踪性能, 本文设计了基于扰动观测器和命令滤波器的自适应模糊控制器. 对于该系统存在建模不确定性和外部环境的扰动, 采用模糊逻辑系统(FLS)和一个新的扰动观测器对其进行逼近和补偿. 在扰动观测器和控制器中加入了一个新的自适应参数, 用来改善控制精度. 基于此, 本文设计了命令滤波反步控制方法, 可以保证系统在所有状态下都是有界的, 且跟踪误差在有限时间内小于规定的精度. 仿真结果显示该方法有效, 且可以满足给定的控制精度.

• 非线性系统无需初始条件预设性能有界H∞容错控制

  李小华,程鸿展,刘辉

  针对一类具有外部扰动和传感器故障的非线性系统, 本文研究了其自适应预设性能有界H∞容错控制问题. 本文提出一种新的预设性能控制设计方法, 使得预设性能函数的选择与系统被约束变量的初始状态完全无关,用一种全新的方式解决了传统预设性能方法的控制效果依赖被约束变量初始条件的问题. 基于该设计方法和有界H∞控制方法, 在未知系统初始条件的情况下获得了系统的自适应预设性能有界H∞控制器. 本文所设计的控制器能够保证系统中的所有信号都是有界稳定的, 系统的输出变量能够被预设性能函数约束, 并且对于外部干扰具有很好的抑制作用. 最后, 仿真结果验证了该控制器的可行性及有效性.

• 基于问题性质的装配式预制件配送优化算法

  亓瑞,李俊青

  在传统建筑业转型升级的背景下, 新型建筑工业化推动了装配式建筑的发展. 本文针对预制件生产企业物流管理的关键环节进行了研究, 考虑异构车辆约束、装载机约束和时间窗约束, 以最小化总运输成本为目标, 提出了考虑多频次访问特性的车辆调度问题, 进而设计了一种针对问题特性的混合基因算法. 为求解该问题, 算法基于问题性质设计了三维编码方式, 以增强算法探索解空间的能力; 引入基于需求划分的多样性评估模型和自适应调整机制来保持种群多样性; 提出了4种不同的邻域策略进一步增强局部搜索能力. 最后, 在不同规模算例上进行了仿真实验与算法对比, 验证了算法的有效性, 同时, 对车辆购买类型和数量对总物流成本的影响进行了分析.

• 协作机械臂碰撞环境下的安全控制

  周林娜,王宵,丛香怡,陈正升,杨春雨

  针对人机协作过程中机械臂末端与操作者之间可能存在物理碰撞的问题, 本文提出一种基于自适应导纳和滑模控制的机械臂安全控制方法. 首先, 采用基于广义动量的干扰观测器估计机械臂各关节和末端执行器上的干扰力. 然后, 设计一个双环控制结构, 内环是基于干扰观测的双幂次趋近律滑模轨迹跟踪控制器, 用以克服外界干扰的影响, 达到期望的轨迹跟踪精度; 外环是自适应导纳控制器, 依据碰撞外力的大小和方向更新期望轨迹, 以保证机械臂碰撞发生时的柔顺性和碰撞解除后迅速恢复工作状态的能力. 最后, 对所提算法进行仿真和实验验证. 实验结果表明, 协作机械臂碰撞环境下的安全控制算法能保证人机协作的安全性和机械臂工作的连续性, 满足人机协作过程中的工作需求

• 腔室清洗的单臂组合设备初始暂态调度

  郭文有,潘春荣

  为了提升腔室洁净度, 晶圆厂需对组合设备腔室进行清洗操作, 从而提高晶圆的加工质量. 考虑腔室清洗时间和晶圆驻留时间的约束条件下, 本文研究了单臂组合设备的初始暂态调度问题. 首先, 提出了机械手的初始暂态活动规则, 并对机械手活动序列进行描述, 实现了系统的初始暂态可调度性; 其次, 对机械手在初始暂态和稳态的活动时间进行了建模; 然后, 根据系统的时间特性, 建立了初始暂态调度的线性规划模型; 最后, 通过实例验证了该方法的有效性. 与已有的虚拟晶圆方法相比, 该调度方法能有效减少初始暂态的完工时间, 提高了组合设备的晶圆生产效率.

• 列车控制系统的抗拒绝服务攻击弹性控制策略

  高兵,步兵

  当遭受拒绝服务(DoS)攻击时, 分布式列车控制系统的弹性控制问题受到广泛关注. 本文提出了一种基于分布式领导车状态观测器和障碍李雅普诺夫函数的弹性控制策略, 不仅可以避免列车碰撞, 同时实现了编队控制的目标. 首先, 给出了一种分布式的领导车状态观测器设计方法, 用于实时估计领导车的状态. 理论分析表明,在DoS攻击满足一定约束的条件下, 该状态观测器的估计误差具有指数稳定特性. 在此基础上, 通过将列车碰撞避免问题转化为状态受限问题, 提出一种基于障碍李雅普诺夫函数的状态受限控制律, 解决了DoS攻击下确保碰撞避免的车队控制问题. 最后, 数值仿真证实了本文方法的有效性.

• 有禁飞区的时间依赖型车辆与无人机协同配送路径优化

  范厚明,甘兰,张跃光,白雪

  本文针对有禁飞区的时间依赖型车辆与无人机协同配送路径问题, 综合考虑分时段禁飞的无人机禁飞区域、车辆行驶速度连续变化、车辆及无人机能耗等因素, 以车辆派遣成本、车辆能耗成本、无人机能耗成本之和最小为目标建立优化模型. 根据问题特征, 设计遗传变邻域搜索算法对其进行求解. 针对遗传算法易早熟、局部搜索能力较差等缺陷, 将变邻域搜索算法与其结合以增强算法的局部搜索能力, 引入自适应邻域搜索次数以增强对种群的搜索深度, 采用精英保留策略不断改进最优解. 通过多组算例验证了算法的有效性, 并分析了配送模式、禁飞区数量、车辆行驶速度变化对配送方案的影响, 结果表明禁飞区及车辆速度等因素在很大程度上影响物流配送成本.研究成果不仅丰富了车辆与无人机协同配送的场景, 拓展了VRP问题的研究, 也为物流企业制定配送方案提供了依据.

• 运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补

  杨博涵,邢燕好,张佳,张华良,张建鹏

  为满足工业机器人高精度复杂曲线运动的需求, 本文提出运行时间周期化工业机器人模型迭代寻优NURBS轨迹插补算法. 首先, 根据轨迹最大轮廓误差和机器人动力学特性对曲线分段. 随后, 提出优化回溯算法,使各子曲线段均可用S曲线加减速规划. 之后, 为保证机器人在进给速度极小值处不超速, 将各加减速阶段运行时间调整为插补周期的整数倍, 并对子曲线段衔接处速度平滑处理. 最后, 提出模型迭代寻优曲线插补, 大大降低了速度波动率. 仿真试验表明, 该方法插补轨迹的各项指标均满足要求且最大速度波动率仅为0.000099%. 真机试验也验证了该方法可有效减小轨迹误差

• 换热站并联水泵分布式优化控制

  赵安军,席江涛,荆竞,赵啸

  针对现有换热站并联水泵优化算法在集中式架构下控制适应性不足的问题, 本文提出了一种改进的分布式并联水泵优化算法. 首先, 建立了并联水泵的分布式控制系统, 并对该优化问题的数学模型进行描述, 在目标函数中引入自适应非线性因子; 然后, 设计了改进的分布式果蝇优化算法, 在该算法中每台水泵的控制器仅通过与邻居控制器交互信息即可完成并联水泵的优化; 并且, 在嗅觉搜索阶段, 使用正弦余弦策略替代赋予个体距离与方向的随机策略; 最后, 以两个实际换热站中不同并联水泵系统为例对算法进行仿真验证, 并基于仿真结果进行性能分析. 结果表明, 相较于传统算法, 改进的分布式果蝇优化算法能得到更优的控制策略, 有着收敛速度快、稳定性好和鲁棒性强的特点; 并且该算法适用于不同系统的并联水泵优化问题, 具有可扩展性. 在实际工程验证中相较于集中式算法, 该算法在总功率和计算时间上分别平均降低了5.47%和29.90%, 因此, 能够满足实际换热站中对并联水泵热负荷优化分配的需求.

• 约束非线性系统理想点多目标安全预测控制

  何德峰,操佩颐,岑江晖

  考虑具有状态和控制约束的仿射非线性系统多目标安全控制问题, 本文提出一种保证安全和稳定的多目标安全模型预测控制(MOSMPC) 策略. 首先通过理想点逼近方法解决多个控制目标的冲突问题. 其次, 利用控制李雅普诺夫障碍函数(CLBF)参数化局部控制律, 并确定系统不安全域. 在此基础上, 构造非线性系统的参数化双模控制器, 减少在线求解模型预测控制(MPC)优化问题的计算量. 进一步, 应用双模控制原理和CLBF约束, 建立MOSMPC策略的递推可行性和闭环系统的渐近稳定性, 并保证闭环系统状态避开不安全域. 最后, 以加热系统的多目标控制为例, 验证了本文策略的有效性.

• 一种变速度条件下控制攻击角度和时间的制导律

  程志强,闫星辉,张帆,朱纪洪

  对攻击角度和时间进行控制, 可以使得多枚导弹按照特定的角度和时间对目标进行打击, 在军事上有广泛的应用前景. 目前已有控制攻击角度和时间的制导律极少考虑速度变化的情况, 在实际运用中具有较大的局限性.本文基于贝塞尔曲线加直线的二段式轨迹, 首先分析并证明了该轨迹长度和最大曲率的变化规律, 在此基础上, 通过二分法确定初始轨迹, 针对飞行过程中的诱导阻力和其它扰动, 设计了Bezier-PI控制算法, 通过动态调整轨迹长度来实现攻击时间的高精度控制. 该制导算法计算量小, 鲁棒性强, 适用于弹载计算机实时计算. 通过仿真实验, 验证了该算法可以高精度的控制攻击时间以及攻击角度