控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2024年第7期

• 工程博弈论–工程优化决策中的博弈思想、原理及应用

  梅生伟,刘锋

  实际工程优化决策问题中经常会面临多决策主体、多决策目标以及不确定性等复杂场景, 常规的优化决策方法有较大局限性. 受钱学森先生名著《工程控制论》的启发, 将工程决策问题中应用博弈论基本概念、建模方法、求解算法并考虑复杂工程技术条件进行决策的理论称为“工程博弈论”. 本文简要介绍了博弈论的基本理论, 并阐释了工程博弈论“以均衡协调冲突”的基本思想. 在此基础上分别介绍了不确定性决策问题的非合作工程博弈原理、多目标决策问题的合作工程博弈原理和多主体决策问题的演化工程博弈原理及其在能源电力系统中的部分典型工程应用. 本文希望通过对相关进展的介绍可以吸引更多的研究者进入这一领域, 共同完善工程博弈论的相关基础理论和方法, 使之在更多的领域中得到更广泛的应用.

• 公理化的矩阵半张量积

  程代展,冯俊娥

  本文给出矩阵半张量积的一个公理化框架, 它包括矩阵–矩阵半张量积、矩阵–向量半张量积和向量–向量半张量积. 首先, 对目前通用的各类矩阵半张量积的基本性质与应用做一个综述性的回顾. 然后, 介绍一种新近出现的矩阵半张量积, 即保维数矩阵半张量积. 跟普通矩阵乘法一样, 它是多功能的, 即它可同时实现矩阵–矩阵乘积、矩阵–向量乘积和向量–向量乘积这3种功能. 最后, 本文介绍保维数矩阵半张量积的一些代数性质, 包括非方矩阵的Cayley-Hamilton定理, 非方矩阵的特征值、特征向量等.

• 算力电力协同创新框架

  杨 苹,于施洋,任 峰

  大规模低成本的算力是国家的核心竞争力, 为此, 我国正在建设国家级算力网. 大规模算力耗费巨大电能, 在日趋紧张的能源形势下, 为满足不断增长算力的电力供应, 本文在我国“西电东送” 、“东数西算”工程的基础上, 提出构建算力节点与电力节点、算力市场与电力市场、算力网与电力网3个层面的算力电力协同创新基础框架, 建立算力电力分层分区融合的协同创新技术框架, 为未来算力与电力的双向协同优化调度奠定基础. 在此基础上, 推演未来算力电力的协同创新应用, 通过算力电力的双向协同优化调度, 为庞大的算力提供有竞争力的低碳电力, 为电力的低碳发展提供高效的算力支持.

• 基于鲁棒控制的自适应分数阶梯度优化算法设计(英文)

  刘佳旭,陈嵩,蔡声泽,许超,褚健

  当目标函数是强凸函数时, 一般的分数阶梯度下降法不能够使函数收敛到最小值点, 只能收敛到一个包含最小值点的区域内或者是发散的. 为了解决这个问题, 本文提出了自适应分数阶梯度下降法(AFOGD)和自适应分数阶加速梯度下降法(AFOAGD)两种新的优化算法. 受到鲁棒控制理论中二次约束和李雅普诺夫稳定性理论的启发, 建立了一个线性矩阵不等式去分析所提出的算法的收敛性. 当目标函数是L-光滑且m-强凸时, 算法可以达到R线性收敛. 最后几个数值仿真证明了算法的有效性和优越性.

• 二值量测误差FIR系统参数迭代辨识

  郭健,薛文超,王婷,张纪峰

  本文考虑了量测数据为二值输出且含量测误差的一类有限脉冲响应(FIR)系统的参数辨识问题, 其中, 量测误差使得二值型量测值有一定概率得到相反的取值. 首先, 对所考虑的 FIR 系统, 给出了参数的极大似然估计(MLE), 证明了在噪声满足一定正则条件下MLE的强收敛性和渐近正态性. 此外, 通过分析似然函数的性质, 给出了一种基于期望最大化(EM)方法的MLE迭代求解算法. 为适应更一般的量测误差情形, 给出了带投影的迭代求解算法, 并从理论上证明了迭代估计序列的有界性. 进一步, 在给定数量的观测下, 得到了似然函数具有唯一最大值点的必要和充分条件, 并在持续激励输入条件下, 证明了迭代估计误差以指数速度收敛到零. 最后, 利用数值模拟结果验证了所提出算法的有效性.

• 基于混合运动模型的相对状态估计

  夏睿灿,裴海龙

  相对状态的精确估计通常依赖参考平台准确的角加速度, 在航天场景由外力矩计算, 而在日常环境中由于未知阻力普遍存在, 准确的外力矩难以获取, 角加速度一般由角速度差分近似, 导致相对状态估计精度下降. 对此,本文构建一种仅依赖惯性测量的相对运动模型, 称为混合运动模型, 其将恒定加速度模型与向量运动学结合, 在独立于力矩和惯性状态的情况下, 精确预测相对状态. 此外, 本文设计扩展卡尔曼滤波器(EKF), 将该运动模型与视觉相对观测结合, 实现高精度相对状态估计, 并以仿真和实际数据评估其性能. 仿真实验从轨迹动态特性和相对观测丢失的角度对比该EKF和目前先进的方法, 结果证明本文提出的方案具有较高的精度和稳定性. 实际实验利用本方法实现虚拟现实应用中的六自由度手柄视觉跟踪, 验证其具备先进的毫米级定位精度, 演示链接见https://www.bilibili.com/video/BV1mv4y1d7iD/.

• 基于博弈竞价的区域综合能源系统运营弹性增强策略

  陈翼,邹媛媛,李少远

  能源系统故障可能导致巨大的经济损失, 因此, 提升能源系统的运营弹性具有重要意义. 为了提高区域综合能源系统在市场机制下的弹性, 本文提出了一种基于博弈的能源竞标策略. 首先, 建立了区域综合能源系统模型,其中包括能源控制中心、能源枢纽、储能系统和用户聚合商. 为了在市场环境下通过价格引导弹性增强, 构建了基于Stackelberg博弈的能源竞标框架, 通过调整能源零售价格和需求响应激励价格等策略, 以减小能源缺口并降低价格波动. 考虑到参与者间的隐私保护, 设计了双层迭代定价算法. 最后, 通过仿真算例说明了所提策略在保证供需平衡的同时有效抑制价格波动, 从而降低经济损失.

• 一类输出受限非线性系统的降维非递归预设性能控制策略

  葛静,张传林,董鑫,冒建亮,曹忠昆

  针对一类非匹配受扰非线性系统在输出受限条件下的跟踪控制问题, 本文在预设性能控制过程中引入非递归设计框架, 提出了一种降维非递归预设性能控制方案, 以缓解常用的递归预设性能控制过程中出现的复杂性爆炸问题, 大幅简化了系统的控制器设计过程, 便于实际工程应用. 本文设计的降维非递归控制策略能够实现控制器设计过程与稳定性分析的分离, 并且具有控制器形式简洁、控制参数选取机制简单的优点. 最后, 选取具有代表性的数值仿真和永磁同步电机位置跟踪控制实验阐释了所提出的控制策略的有效性及简洁性.

• 基于消息传递的机载雷达组网航迹融合

  白向龙,潘泉,马恩淳,郝宇航,云涛

  机载雷达组网航迹融合需要解决目标跟踪、数据关联与航迹管理3个子问题, 然而这3个子问题相互耦合,采用开环序贯估计算法会导致性能下降. 本文提出了一种基于消息传递的机载雷达组网航迹融合方法, 该方法在联合优化框架下解决目标跟踪、数据关联与航迹管理3个子问题. 首先, 建立机载雷达组网航迹融合的联合概率密度函数, 并将其转换为因子图. 其次, 将因子图分解为置信传播区域与平均场近似区域. 目标运动状态的统计模型服从共轭指数模型, 因此采用平均场近似以获得简单的消息传递更新公式. 数据关联包含一对一约束, 因此采用置信传播. 目标存在状态同样采用置信传播, 以获得更好的近似结果. 最后, 可以通过闭环迭代框架近似估计后验分布, 从而有效处理目标跟踪、数据关联与航迹管理之间的耦合问题. 仿真结果表明, 所提算法的性能优于多假设跟踪算法和联合概率密度关联算法.

• 空间机器人预设性能约束下的鲁棒跟踪控制

  龚凯,贾英民

  本文针对不确定空间机器人预设性能约束下的鲁棒跟踪控制问题, 结合一种具有指定时间收敛性质的预设性能函数, 利用双向无约束映射将空间机器人的跟踪问题转化为映射误差的有界性控制问题. 进一步, 基于降阶方法设计了参考加速度, 通过神经网络补偿系统的不确定性, 实现了对时变期望轨迹的鲁棒跟踪, 保证了映射误差始终有界且跟踪误差满足指定时间收敛的预设性能指标, 数值仿真结果验证了所提方法的有效性.

• 面向高密度柔性集成电路封装基板的精密视觉检测算法

  胡跃明,黄丹,于永兴,罗家祥

  高密度柔性集成电路(IC)封装基板是电子组件的核心载体, 其制造过程中的刻蚀、显影等工艺需要严格的品质控制. 本文开发了一种融合金相显微镜与工业相机的成像视觉检测系统, 用于柔性IC封装基板的图像采集与品质控制. 针对显微成像视野小、易离焦等问题, 提出了一种基于中值的三元模式局部纹理快速自动对焦算法. 此外,针对高倍镜下柔性IC封装氧化缺陷分布不均匀问题, 引入微分几何工具, 利用曲率等几何特征提出了一种基于动态曲线演化的高精度表面氧化分布特征检测模型. 通过定性与定量的实验研究, 验证了两种算法在快速性和高精度方面的优越性能.

• 基于干扰特性指标与推力分配的载人潜水器容错控制

  方星,阮中一,张琪杰,刘飞,高翔

  载人潜水器在深海复杂恶劣的环境中运行, 容易受到外部环境干扰和推进器故障的困扰, 本文将干扰特性指标与基于推力分配的主动容错控制方法相结合, 提出了一种新的主动容错控制方法. 首先, 建立了载人潜水器系统的数学模型; 其次, 设计非线性干扰观测器估计系统所受的集总干扰, 并设计无推进器故障时的控制器; 然后, 针对推进器故障问题, 引入权重矩阵进行推力分配以保护故障推进器, 并设计了干扰特性指标表示干扰的性质对跟踪误差和推力损失的影响; 在此基础上, 给出了一种基于干扰特性指标与推力分配的新型容错控制方法, 李雅普诺夫方法保证了该控制算法的理论稳定性; 最后, 通过数值仿真, 验证所设计的控制方法的优越性. 其优越性主要体现在: 能够利用可用干扰与补偿有害干扰, 并将可用的干扰能量用于补偿故障推进器的推力缺失.

• 基于MK的实数公理系统相容性和范畴性的Coq形式化

  郭达凯,冷姝锟,窦国威,陈思,郁文生

  数学定理机器证明是人工智能基础理论的深刻体现. 实数理论是数学分析的基础, 实数公理系统是建立实数理论的重要方法. Morse-Kelley公理化集合论(MK)作为现代数学的基础, 也为实数构建提供了严谨的数学框架和工具. 本文使用定理证明器Coq, 基于MK对实数公理系统进行了深入探索. 在优化了MK形式化代码的基础上, 形式化构建了完整的实数公理系统, 并通过形式化Landau《分析基础》中的实数模型, 证明其相对于MK相容, 此外, 还形式化证明了实数公理系统所有模型在同构意义下是唯一的, 验证了实数公理系统的范畴性. 本文全部定理无例外地给出Coq的机器证明代码, 所有形式化过程已被Coq验证, 并在计算机上运行通过, 充分体现了基于Coq的数学定理机器证明具有可读性、交互性和智能性的特点, 其证明过程规范、严谨、可靠. 该系统可方便地应用于拓扑学和代数学理论的形式化构建. 谨以此文庆祝我国著名控制系统专家秦化淑研究员九十华诞!

• 利用麦克风阵列的管道主动噪声控制方法

  刘全利,刘宏博,钱加浩,张立勇,王伟,高广恩

  空调通风管道在运行时, 内部出现的低频噪声很难通过包裹消音材料等被动式降噪方法消除. 而在部署主动噪声控制时, 会出现声反馈现象, 影响降噪性能甚至造成控制系统的响应发散. 针对这种声反馈现象, 本文在分析其产生原因的基础上, 将麦克风阵列作为前馈, 对Duvall-Frost结构的线性约束最小方差波束成形算法加入预调向,提出了利用麦克风阵列的管道主动噪声控制方法, 实现单方向拾取来自管道上游的噪声信号, 避免声反馈带来的影响. 并利用滤波器x最小均方误差(FxLMS) 算法作为自适应控制算法, 针对4种典型低频噪声, 在真实管道环境下进行主动降噪实验. 实验结果表明, 相比不使用麦克风阵列的情况, 本文提出的主动噪声控制方法能达到明显的降噪性能, 且在稳定性方面取得较好结果.

• 时滞Lur'e网络的事件触发脉冲自适应同步控制

  王志华,汤泽,王艳,丰建文

  本文研究了一类带有混合时变时滞Lur'e网络的全局同步及其脉冲自适应控制问题. 首先, 为实现网络的全局指数同步并有效避免控制器连续控制, 设计了一类基于事件触发的脉冲反馈控制器. 同时, 为获得最优控制强度,针对反馈控制输入设计了一种自适应更新定律并实现脉冲控制与反馈控制的动态平衡. 其次, 基于推广的比较原理以及参数变分策略, 提出了该控制策略下的Lur’e网络实现全局指数同步的充分判定条件, 并精确给出了指数同步的收敛速度. 最后, 通过相应的仿真算例来验证本文提出的控制方案和理论分析的正确性和有效性.

• 具有执行器饱和的正线性系统的事件触发控制

  杨庚佼,郝飞,张霖

  尽管事件触发控制策略在提升通信效率方面效果显著, 但在实际运用过程中, 可能会因为触发次数的减少而导致系统稳定性下降. 针对这一问题, 本文提出了一种新的事件触发控制策略, 实现了执行器饱和正线性系统在通信效率和系统稳定性之间的平衡. 首先, 引入权重因子构建了一种线性加权事件触发机制, 并基于该机制和凸包技术设计了事件触发状态反馈饱和控制器; 其次, 利用线性余正Lyapunov函数方法, 在事件触发机制下分别建立了一般吸引域估计和最大吸引域估计下闭环系统正性和稳定性的充分条件. 这些条件可以退化为时间触发机制下的条件, 从而实现通信效率和系统性能之间的平衡; 再次, 给出了事件间隔时间的严格正下界, 从而避免了Zeno行为,即系统在有限时间内进行无限次触发; 最后, 通过一个仿真例子验证了所提出的事件触发控制策略的有效性和优越性.