控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2024年第5期

• 二阶系统有限时间控制方法综述

  姜博严,李佳玲,李传江,姚文卿

  相比于传统且经典的比例–积分–微分(PID)控制, 带有指数参数的有限时间控制方法具有更好的控制性能, 因而引起广泛的关注和研究. 本文首先从方法设计和稳定性分析角度, 对现有主流有限时间控制方法进行整理和归纳, 将其分为17种有限时间状态反馈控制方法及6种有限时间输出反馈控制方法. 其次, 以一类具有普遍和基础性的二阶系统为例, 统一变量和参数, 给出了每种控制方法对应的控制器的显式结构. 然后, 通过原理分析和比较分析, 对每种控制方法的优点及不足之处进行了总结, 尤其是给出了终端滑模控制具有“控制奇异与收敛时间矛盾性”的结论, 以及指出了一些方法存在较大保守性的问题. 最后, 通过列表的方式展示了所有有限时间控制方法的优缺点及值得进一步深入研究的课题

• 城市污水处理过程污泥膨胀识别与抑制综述

  潘红光,张莹婷,折洋洋,杨勇

  污泥膨胀是活性污泥法污水处理过程中常见的一类异常工况, 且具有严重危害性, 研究污泥膨胀的识别和抑制方法对城市污水处理过程正常运行意义重大. 本文主要针对城市污水处理过程中污泥膨胀的识别和抑制方法进行综述. 首先, 文章概述了城市污水处理过程, 介绍了污泥膨胀的概念、主要特点、类型和成因; 其次, 概述了基于微生物生理特征、机理模型、图像识别和数据驱动的污泥膨胀识别方法, 分析其发展现状并指出优缺点; 然后, 概述了基于过程调控和机理特征的污泥膨胀抑制方法, 分析其发展现状并对比优缺点; 最后, 总结全文, 指出了城市污水处理过程污泥膨胀识别和抑制面临的主要问题, 并对其研究趋势进行了展望.

• 基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制

  张兆鹏,何慰,梁潇,韩建达,方勇纯

  飞行机械臂系统具有主动作业能力, 通过搭载视觉传感器感知周围环境, 系统的自主能力将进一步提高.然而, 考虑到无人机的欠驱动和整个系统的非线性特性, 飞行机械臂系统的视觉伺服控制仍然是一项具有挑战性的工作. 本文在充分考虑机械臂对无人机的力/力矩作用后, 提出了一种基于分层运动分解的飞行机械臂视觉伺服控制方案. 首先, 对飞行机械臂系统的运动学和动力学模型进行分析. 然后, 根据所得的相机运动学模型, 通过基于图像的视觉伺服控制获得相机的期望速度, 进而制定无人机和机械臂的速度分配策略. 在考虑机械臂运动时对无人机产生的力/力矩影响, 设计了底层的飞行控制器. 最后, 在与现有方法的仿真对比中可以看出, 所提方法具有良好的控制性能, 对图像特征点位置的不确定性及图像噪声也表现了较好的鲁棒性

• 基于事件驱动的无人机吊挂系统在线自适应轨迹规划

  蔡佳明,鲜 斌

  本文针对四旋翼无人机吊挂系统空运过程中负载摆角的非线性最优调节问题, 提出了一种基于事件驱动的在线自适应轨迹规划策略. 在事件驱动的自适应评价网框架下, 利用神经网络的逼近学习能力得到吊挂负载摆动抑制的折现最优控制律. 同时结合该控制律进一步规划四旋翼无人机的飞行轨迹, 实现了对无人机位置的精确调节和吊挂负载摆动的快速抑制, 并且显著降低了无人机机载处理器的计算负担. 然后采用基于Lyapunov稳定性的分析方法, 证明了神经网络输出权值估计误差一致最终有界, 并证明了无人机位置跟踪误差和吊挂负载摆动运动的收敛. 最后, 通过飞行对比实验验证了所提出的轨迹规划策略的有效性.

• 分布式航天器编队约定时间姿轨耦合协同控制

  刘岩,曹璐,秦开宇,肖冰,施孟佶,李维豪

  针对具有参数不确定性、外部扰动和预设性能需求的航天器编队约定时间姿轨耦合控制问题, 本文基于预设性能控制方法提出了一种低复杂度的约定时间编队姿轨耦合协同控制器, 使得航天器在设定时间内形成编队, 且编队误差满足预设的各种性能指标. 首先, 通过结合有限时间稳定概念引入一种约定时间性能函数, 其系统稳定时间可以由使用者任意设定; 然后, 把约定时间性能函数与预设性能控制方法结合起来, 提出了不依赖航天器质量和转动惯量等信息的约定时间编队协同控制器, 保证了编队状态量的收敛性能和收敛时间, 并使用李雅普诺夫理论证明了其稳定性. 最后, 通过仿真验证了该控制方案的有效性

• 不确定非线性离散系统指令滤波事件触发控制

  徐雨梦,于金鹏,林崇,于海生

  本文提出了考虑输入饱和的一类不确定非线性离散系统的事件触发指令滤波控制方法. 采用指令滤波控制技术解决了传统反步法存在的“因果矛盾”问题, 引入补偿机制提高了系统的控制精度; 利用事件触发机制能够避免自适应律和控制律的频繁更新, 降低了计算负担, 提高了资源利用率; 运用模糊逻辑系统逼近系统中未知的非线性函数; 结合李雅普诺夫稳定性理论, 验证了提出的控制方案能够保证跟踪误差收敛到原点小的邻域内以及闭环系统的所有信号有界. 仿真结果表明, 本文提出的控制方法具有较强的鲁棒性及较好的跟踪性能.

• 点云空间与反射强度融合的非结构化道路可行驶区域检测

  周越洋,徐江,钟珊,龚声蓉

  可行驶区域检测旨在检测和提取智能车辆在道路上可行进的区域, 目前主流的检测方法主要基于三维激光雷达的空间特征实现, 难以处理路面边缘无清晰空间特征的非结构化道路. 为此, 本文提出了一种基于点云空间和反射强度融合的非结构化道路可行驶区域检测方法. 首先, 通过融合反射强度因子改进了基于空间特征的柱坐标系检测模型; 然后, 使用强度和降维空间检测对检测精度较低的环形检测模型进行优化, 并将其与柱坐标系检测模型联合使用以提高方法检测准确率; 最后, 在自录实际道路数据集上进行对比实验. 实验结果表明本文方法显著提高了非结构化道路可行驶区域检测的成功率与精确率, 在结构化道路上也具有良好效果.

• 仿鹰鸽捕食逃逸行为的多无人机分组对抗博弈方法

  仝秉达,段海滨,魏晨

  针对多无人机对抗问题, 本文提出了一种三维空间中仿鹰鸽捕食逃逸行为的多无人机分组对抗博弈方法.在分析鹰鸽捕食逃逸行为的基础上, 文章构建了多无人机博弈对抗系统模型, 并定义了微分博弈中的连续可微值函数, 证明了值函数满足Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)方程, 从而保证鞍点策略存在. 使用最优分配方法, 为仿鹰无人机一方设计了分组对抗分配策略, 以解决多无人机追逃场景中的任务分配问题. 本文对比仿真实验结果验证了所提出方法的有效性.

• 数据注入攻击下ICPS的自适应事件触发弹性控制

  薛威峰,孙子文

  为使工业信息物理系统(ICPS)抵御数据注入攻击, 本文研究了事件触发弹性控制策略, 采用自适应事件触发以减少通信资源, 构建攻击估计器以降低攻击对系统性能的影响. 通过H∞渐近稳定性准则推导估计器参数, 采用Lyapunov-Krasovskii函数推导事件触发、数据注入攻击、网络延迟和弹性控制器之间的定量关系. 以二自由度质量–弹簧–阻尼串联系统为被控对象, MATLAB仿真验证基于自适应事件触发的ICPS在数据注入攻击下的系统性能,结果表明所采取策略能保证系统的稳定性, 并有效减少通信资源.

• 考虑传播过程的应急网络控制系统故障恢复

  黄雄峰,王鍚,朱严严,黄双,张宇娇

  紧急情况下, 应急网络控制系统为人员提供远程控制能力, 但系统仍存在一定故障率, 且故障影响会利用系统灵活传输机制快速扩散, 因此研究如何在故障快速扩散的情况下对系统实施故障控制, 对保证系统安全运行具有重要意义. 本文提出考虑传播过程的应急网络控制系统故障恢复策略. 首先, 基于复杂网络模型建立故障传播模型, 定义传播路径上的故障强度, 将分析故障信息关键传播过程转化为查找系统最大可能传播路径的问题, 进而在连接边的故障传播属性乘积大于终止条件时, 找到最大概率故障传播路径, 有针对地布置故障检测点; 再根据检测到的故障形式及检测点位置生成故障恢复策略库, 结合系统可调度性和故障恢复效果, 确定最优故障恢复策略. 最后, 以舰船应急火炮控制系统构建案例, 验证方法可行性, 并设置多节点故障, 验证算法鲁棒性, 仿真结果表明, 在不同故障情形下均能制定最优故障恢复策略.

• 神经网络类机理建模下的持续自学习控制

  谭天乐,张万超,何永宁,周恒杰

  针对未知、时变复杂动力学系统在基于模型的控制中的动态建模问题, 本文采用前向全连接神经网络对动力学系统进行数据驱动下的非机理拟合建模. 通过动态线性化和归一化/反归一化数据处理, 基于前向传播算法, 将神经网络的网络拓扑计算过程转化成动力学系统机理模型的同构等价表达形式. 与基于模型的预测与反演控制相结合, 提出了神经网络类机理建模下的持续自学习控制方法, 探索了神经网络在动力学系统建模与控制中的可解释性问题. 以机械臂为控制对象的仿真结果表明, 神经网络类机理模型与机理模型在形式上同构, 在参数上近似或等价, 可用于控制系统控制品质的定性、定量分析. 持续自学习控制对非线性未知、时变复杂系统具有较好的动态适应能力.

• 带Markov跳的离散时间随机控制系统的最大值原理

  蔺香运,王鑫瑞,张维海

  本文研究一类同时含有Markov跳过程和乘性噪声的离散时间非线性随机系统的最优控制问题, 给出并证明了相应的最大值原理. 首先, 利用条件期望的平滑性, 通过引入具有适应解的倒向随机差分方程, 给出了带有线性差分方程约束的线性泛函的表示形式, 并利用Riesz定理证明其唯一性. 其次, 对带Markov跳的非线性随机控制系统, 利用针状变分法, 对状态方程进行一阶变分, 获得其变分所满足的线性差分方程. 然后, 在引入Hamilton函数的基础上, 通过一对由倒向随机差分方程刻画的伴随方程, 给出并证明了带有Markov跳的离散时间非线性随机最优控制问题的最大值原理, 并给出该最优控制问题的一个充分条件和相应的Hamilton-Jacobi-Bellman方程. 最后, 通过一个实际例子说明了所提理论的实用性和可行性.

• 计及故障持续时间的电力系统暂态稳定分布式控制

  陈世明,余翔,张微,刘江,钱成龙

  针对电力系统故障持续时间会影响暂态稳定控制的问题, 本文提出了一种使系统在固定时间内恢复暂态稳定运行的策略. 该策略通过电力系统通信拓扑建模方法为每个发电机建立“邻居发电机”, 利用发电机本地信息和其邻居发电机的信息设计分布式控制器, 通过控制储能装置作用于受扰动后的系统, 使其在固定时间内恢复稳定运行. 其次, 此控制策略还解决了一些实际挑战, 如控制器的输入延时、外部的干扰、储能装置的容量限制等. 通过构建李雅普诺夫函数并利用图论知识对该策略展开了稳定性分析, 推导出了稳定系统的时间界限. 最后, 将控制器投入新英格兰39节点测试系统中, 并与其它控制器进行比较, 仿真结果验证了在低容量储能装置限制下和抗干扰性上控制器性能的优势.

• 可见光–红外特征交互与融合的YOLOv5目标检测算法

  解宇敏,张浪文,余孝源,谢巍

  目标检测是自动驾驶系统的关键技术, 普通RGB目标检测算法在夜间和恶劣气候等场景往往表现一般, 融合可见光和红外信息的目标检测算法因而受到诸多研究关注. 现有方法通常融合结构复杂, 且忽视了模态间信息交流的重要性. 对此, 本文以YOLOv5为基本框架, 提出一种可见光–红外特征交互与融合的目标检测算法, 使用一种新的主干网络跨阶段局部(CSPDarknet53-F), 采用双分支结构分别提取可见光和红外特征. 然后, 通过特征交互模块重构各模态的信息成分和比例, 提升模态间信息交流, 使可见光和红外特征进行更充分的融合. 在FLIR-aligned和M$^3$FD数据集上的大量实验证明, 本文算法使用的CSPDarknet53-F在协同利用可见光和红外信息方面更加出色, 提升了模型精度, 同时, 拥有对抗光照强度骤变的鲁棒性

• 永磁容错游标轮缘推进电机改进模型预测转矩控制

  安达,朱景伟,李想,乔田怀,郑杰阳

  为提高永磁容错游标轮缘推进电机(FTPMV-RDM)在正常状态和一相开路故障状态下的控制性能, 本文提出了一种基于电压矢量预选的改进模型预测转矩(MPTC)控制方法. 针对六相独立H桥逆变器提供的备选电压矢量数量多导致MPTC系统计算量大的问题, 首先, 采用直接转矩控制中利用转矩、磁链误差及定子磁链位置信息确定预选电压矢量, 减少MPTC系统中电压矢量的枚举次数. 然后, 利用价值函数进行二次筛选得到最优电压矢量. 为了实现开路故障下的容错控制, 提出了一种更换备选电压矢量表的开路故障容错控制策略. 实验结果表明, 基于电压矢量预选的FTPMV-RDM模型, 本文预测转矩控制算法能够在无故障和一相开路故障下抑制电流畸变, 进而有效降低转矩和磁链脉动.

• Multi-GAT: 基于多度量衡构建图的故障诊断方法

  曹洁,陈泽阳,王进花

  基于图神经网络的故障诊断方法, 通常需要根据度量衡确定样本之间的相似性, 进而构建图的拓扑结构.然而, 根据单一度量衡可能无法准确衡量数据样本之间的相似性, 进而导致无法准确表征样本之间的关系. 因此, 选用不同的度量衡会极大地影响图神经网络的诊断性能. 为了解决通过单一度量衡无法准确表征数据样本之间相关性的问题, 本文提出了一种基于多度量衡构造图的故障诊断模型???Multi-GAT. 通过结合3种度量衡的计算结果,从而判断数据样本之间相关性的强弱. 本文改进了图注意力网络的评分函数, 使其能够依据样本之间相关性的强弱更准确地确定数据样本之间的相似性. 在本文基准数据集上的实验表明, Multi-GAT能够提升模型的诊断精度,且拥有较好的稳定性.

• 非高斯环境下基于最大相关熵的平滑估计器设计

  马海平,刘婷,孙圣溢,费敏锐

  针对Kalman平滑估计器在非高斯噪声环境下性能衰退问题, 本文提出了一种基于最大相关熵准则作为最优估计标准的平滑估计方法, 将其应用于固定滞后问题的状态估计, 称之为固定滞后最大相关熵平滑估计器(FLMCS). 首先, 使用矩阵变换, 给出最大相关熵Kalman滤波器的另一种形式; 然后, 以此为基础, 通过引入新的状态变量来增广系统, 并推导出所提平滑估计器的在线迭代方程; 进一步比较平滑前后状态估计误差协方差, 从理论上分析算法性能改进效果; 最后, 通过算例仿真验证所提平滑估计器在非高斯噪声干扰下的有效性和优越性.

• 具有端点质量的一维波动方程半离散格式的一致指数稳定性

  赵希,郭宝珠

  无穷维系统主要由偏微分方程描述, 可是大部分用偏微分方程描述的控制系统, 无论是单纯的数值实验还是需要应用到实际的问题中去, 都需要对方程进行有限数值离散. 本文考虑了端点带有质量的波动方程在边界反馈控制下半离散格式的一致指数稳定性. 首先, 原闭环系统通过降阶法变成低阶的等价系统, 通过一种间接Lyapunov函数方法证明了降阶等价的连续系统是一致指数稳定的. 其次, 对等价系统空间变量离散得到半离散的差分格式.平行于连续系统, 间接Lyapunov函数方法证明了半离散系统的一致指数稳定性. 数值实验证明了基于降阶法的一致指数稳定性和经典半离散格式的非一致指数稳定性.