控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2025年第4期

• 飞机总装混流脉动生产线循环调度建模

  陆志强,苑江姗

  以飞机总装脉动生产线为背景, 采取混流生产的方式, 提出基于项目拆分的资源受限项目循环调度问题.为进一步加快生产效率, 采用两种机型按照一定配比交替生产的方式, 以最小化瓶颈节拍为目标建立了数学模型,并设计双层迭代算法进行求解. 上层使用项目拆分方案(PSS)算法在初始拆分方案的基础上, 将作业在不同工位间进行移动以得到更优的拆分决策; 下层使用时间资源并行调度(RTPS)机制对各个作业子集中的作业进行排序, 并计算各个时间阶段的资源利用率以及节拍时间反馈给上层算法. 实验结果证实, 该算法有效降低了作业循环过程中的瓶颈节拍, 对不同机型组合的优化程度为8.26%~28.95%.

• 输入受限下的超紧密航天器编队避撞相对位置强化学习控制

  孟亦真,黄静,周绍辉,周彬,朱康武

  考虑具有外界干扰、避撞约束和固定时间约束的近地轨道超紧密航天器编队的重构控制问题,本文提出一种多约束条件下的考虑执行机构死区效应的航天器编队鲁棒控制方法.首先,建立近地轨道完整的编队航天器相对位置非线性动力学方程和执行机构死区动态响应模型;其次,根据状态约束条件设计编队相对位置约束机制,基于反步法和强化学习评判–动作网络,提出防避撞约束和固定时间约束的鲁棒控制律,进一步考虑到执行机构电推力器的死区效应,基于强化学习的动作网络来近似死区特性,本文通过最小化评判网络代价函数来解决执行机构死区效应对控制精度带来的影响,并应用Lyapunov稳定性定理证明其闭环系统的一致有界性;最后,在MATLAB/Simulink平台上进行仿真验证,结果表明所提出方法的有效性.

• 网络攻击下异构网联系统的分布式自适应动态规划控制

  张龙杰,陈勇,刘越智,潘成伟

  本文考虑了节点注入攻击下异构网联系统的安全状态估计与控制问题,通过设计一种基于分布式远程状态安全估计器的有限时间自适应动态规划控制策略,抑制节点注入攻击对分布式系统协同跟踪效果的影响,实现对异构网联系统的安全控制.首先,为了实现对节点注入攻击下异构网联系统状态信息的重塑,融合最优攻击补偿策略设计,设计基于无迹卡尔曼滤波的分布式远程状态安全估计器;然后,融合远程状态估计器的安全优化目标和协同优化目标,基于哈密尔顿方程的最优控制理论,提出分布式安全优化控制策略;在此基础上,基于有限时间优化理论, 提出基于策略迭代算法的有限时间评价–执行网络权重更新算法,实现对最优控制策略和值函数的有限时间趋近;最后,利用仿真研究和对比分析验证了所提控制策略的有效性.

• 基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法

  易遵辉,蒋朝辉,陈晓方,桂卫华

  工业相机视场角的优化配置对提升目标的图像质量有重要作用,然而,目前视场角的配置存在一定盲目性,导致图像传感器的像素被大量浪费.为此,本文提出了一种基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法.首先,建立空间三维坐标系以定量描述工业成像场景;然后,基于空间坐标变换建立成像区域模型,揭示工业相机的视场角、成像方向和成像区域的定量关系;最后,设计基于二分–粒子群的视场角优化配置算法,实现以最小视场角获取完整目标图像.实验结果表明,利用本文方法优化配置视场角后,图像传感器的像素得到充分利用,图像质量明显提高,可为工业相机视场角的选型提供可靠参考.

• 玻尔兹曼优化Q-learning的高速铁路越区切换控制算法

  陈永,康婕

  针对5G-R高速铁路越区切换使用固定切换阈值,且忽略了同频干扰、乒乓切换等的影响,导致越区切换成功率低的问题,提出了一种玻尔兹曼优化Q-learning的越区切换控制算法.首先,设计了以列车位置–动作为索引的Q表,并综合考虑乒乓切换、误码率等构建Q-learning算法回报函数;然后,提出玻尔兹曼搜索策略优化动作选择,以提高切换算法收敛性能;最后,综合考虑基站同频干扰的影响进行Q表更新,得到切换判决参数,从而控制切换执行. 仿真结果表明:改进算法在不同运行速度和不同运行场景下,较传统算法能有效提高切换成功率,且满足无线通信服务质量QoS的要求.

• 自耦PID控制在磁悬浮系统中的应用

  刘腾飞,蒋启龙,罗雨,刘彤

  针对轨道不平滑以及负载扰动较大可能导致系统失稳的问题,本文建立了以自耦PID(SC-PID)控制为基础的磁悬浮控制模型,成功应用于磁悬浮系统中进行实物悬浮,并验证了SC-PID控制的优越性.SC-PID控制的方法是将非线性磁悬浮系统映射为等价的线性系统,然后引入速度因子zc把比例–积分–微分环节耦合在一起,使得SCPID控制各增益间具有相同的物理量纲,最后用模糊规则对SC-PID控制参数进行整定.通过Simulink仿真和实验表明: SC-PID控制相对于传统的PID控制、分数阶PID控制(FOPID)具有更好的抗干扰能力,在负载扰动较大的情况下仍能保持较小的调节误差;对轨道不平滑的适应性强,在轨道不平滑的恶劣情况下依然保持快而准确的跟踪性能.

• 激光传能网络的双层优化能量路由策略研究

  袁奥特,蔡涛,蓝建宇

  激光传能系统的供能质量差和传能效率低是制约其发展的重要因素.为提升传能网络的鲁棒性,减少传能损耗,对网络的路由策略进行了研究.通过对网络架构的分析和对激光传输效率计算式的修正,将传能网络抽象成权重图.针对传能网络多维耦合的特点,提出了一种时空解耦下的双层优化策略.第1层优化在空间上进行,基于Dijkstra 算法求取状态最优的传能路径;第2层优化在时间上进行,以最优传能路径为基础,基于内层迭代粒子群(PSO)算法优化网络中各设备的充/放电功率.通过对一个无人机巡航系统进行仿真,验证了所提出的双层优化策略的有效性和可行性.

• 改进生物地理学优化算法求解模糊分布式柔性作业车间调度问题

  孙美玲,顾幸生

  经济全球化推动制造企业从单一工厂向多工厂协同模式转变,模糊分布式柔性作业车间调度问题(FDFJSP)成为调度领域的研究热点.为最小化FDFJSP的最大模糊完工时间,本文提出了一种基于模拟退火和局部搜索策略的生物地理学优化算法(BBOSL).根据问题特点,设计了工厂–随机键的新型编解码方案;通过调度规则生成半数初始种群以提高种群质量;提出了基于模拟退火算法的新解接受方法和基于关键工厂的局部搜索策略以增强搜索能力;通过对算法参数调优提升了算法性能.实验结果验证了改进策略的有效性,并与现有算法进行了对比实验,验证了其在模糊集中式和模糊分布式柔性作业车间调度问题上的优越性.

• 基于自适应事件触发的半马尔科夫跳变系统的有限时间L2-L∞控制

  徐文灏,石厅

  本文使用马尔科夫过程的变体半马尔科夫过程建立了连续时间半马尔科夫跳变系统,并针对该系统研究了有限时间L2–L∞控制问题.首先,为了处理网络带宽有限的问题,在传感器通道中引入一种自适应事件触发机制,用以降低系统中的数据传输频率,从而降低通信负担.其次,考虑系统模态不可测的情况,以一定概率对其进行估计, 进而研究了异步控制问题. 然后,考虑了外部干扰,并引入了L2–L∞性能指标,研究了有限时间控制问题.本文的设计目标是在确保闭环系统有限时间稳定和满足一定性能指标的同时,降低系统中的通信负担.基于Lyapunov理论,得到状态反馈控制的设计算法.最后,用RLC电路作为实例来验证算法的有效性和可用性.

• 准最优稳定的约束非线性系统优先级多目标模型预测控制

  田宇,何德峰,穆建彬

  针对具有控制约束的非线性系统,提出一种准最优稳定的优先级多目标模型预测控制策略.采用多目标字典序方法,根据决策者偏好排序多目标函数,将冲突多目标控制问题转化为具有优先级顺序的单目标序列优化控制问题.再引入准稳态最优性准则,得到各个优化控制问题目标函数的终端性质,进而建立优先级多目标滚动时域优化控制问题的递推可行性和闭环性能的近似最优性.数值仿真结果验证了本文策略的优越性.

• 分数阶变增益超螺旋终端滑模位置控制

  赵鑫宇,王丽梅

  为了提高永磁直线同步电机伺服系统的位置跟踪精度,本文提出了一种分数阶变增益超螺旋终端滑模控制方法. 首先,建立含有不确定性的系统动态方程.然后,将分数阶Riemann-Liouville定义和终端滑模理论相结合,实现了有限时间收敛的分数阶恒增益超螺旋滑模控制,削弱了抖振现象.同时,在系统不确定因素复杂的情况下,基于李雅普诺夫理论,设计了一种新型变增益超螺旋算法,精确补偿了系统不确定扰动,有效的改善了系统的鲁棒性能.最后,仿真与实验结果表明,所提方法大幅度地提高了系统的跟踪精度,削弱了抖振现象,同时对外部干扰具有较强的鲁棒性.

• 转移概率一般有界的Markov跳变系统有限时间保成本控制

  徐萌,张成科,曹铭

  针对系统信息不完全,本文研究了转移概率一般有界的随机Markov跳变系统有限时间控制问题.一般有界涵盖了部分未知、有界不确定和一般不确定3种不完全转移概率的情况.首先,研究该系统有限时间随机稳定问题,引入自由连接权矩阵分离未知转移概率信息,给出开环系统有限时间稳定的充分性判据;其次,借助Lyapunov方法和完全平方技术,得到了实现系统有限时间保成本控制的充分条件,给出了控制增益的设计方式以及性能指标的精确上界;最后,以太阳能锅炉控制系统为实例进行数值仿真,说明本研究结果的有效性和实用性.

• 基于模糊神经网络对抗生成的城市固废焚烧过程二噁英排放预警

  崔璨麟,汤健,夏恒,乔俊飞

  城市固废焚烧(MSWI)过程产生的二噁英(DXN)类剧毒污染物是全世界范围内备受关注的环保指标,进行DXN排放浓度预警是缓解焚烧建厂“邻避效应”和实现城市精准污染防控等难题的关键之一.受限于产生机理上的全流程相关、记忆效应等特性以及检测技术上的高难度和离线化验上的高成本等原因,DXN建模数据面临着维数高、不确定性强和样本稀疏等问题.对此,本文提出基于模糊神经网络(FNN)对抗生成的DXN排放预警方法.首先, 采用基于随机森林(RF)的自适应特征选择算法降低输入变量维数;接着,基于FNN的生成对抗网络(GAN)迭代产生用于预警建模的候选虚拟样本,以缓解不确定性和稀疏性问题;然后,通过多约束选择机制进行虚拟样本筛选以提高样本质量;最后,构建基于真实与虚拟混合样本的DXN排放预警模型.基于北京某MSWI电厂的实际DXN数据验证了所提方法的有效性.

• 页岩气地面集输管网增压位置优化模型

  李泽龙,黄思宇,罗媛媛,段纪淼,周军

  页岩气集输系统组合增压是目前最适用的增压方式.为了优化页岩气集输管网的增压位置,基于现有页岩气田增压模式,建立了混合整数非线性规划模型(MINLP),模型以压缩机总成本最小为目标函数,约束条件包括管道压力和流量约束、压缩机约束、节流约束、压力平衡约束、气井增压和平台增压唯一性约束以及气井流量约束.以某页岩气区块为例,利用通用代数模型系统(GAMS)对优化模型进行求解,得到对应的组合增压方案.结论认为: ①该优化模型可以根据页岩气区块实际生产情况,通过编程求解,在现有增压方式中优选出合适的组合增压方案; ②气井增压和平台增压同时考虑时,优化得出的增压位置更集中、压缩机数量更少,体现了组合增压方式在页岩气集输系统增压中的优势;③各种组合增压方式下压缩机总运行功率大致相同,且站点处运行功率总是大于其他增压位置;④当压缩机进出口压差和处理量越大时,配置的压缩机额定功率也越大、购安成本越高、机组总成本也越高.

• 改进VMD及补偿距离的滚动轴承故障检测方法

  郭凯,马军,熊新,李祥,胡玉明

  针对滚动轴承早期故障点检测性能各异且无通用标准的问题,从构建性能退化曲线角度入手,提出了一种改进变分模态分解(IVMD)及补偿距离的滚动轴承故障检测方法.首先,利用估计信噪比(eSNR)方法自适应确定变分模态分解(VMD)的模态数K;其次,计算分解本征模态函数(IMF)的概率密度函数(PDF)分布,融合类间–类内距离构建补偿距离(CD)退化评估指标;然后,基于线性回归方程和3σ原则构建滑动窗修复CD退化指标存在的虚假波动,获得能准确表征滚动轴承退化过程的改进补偿距离评估指标(ICD);最后,通过切比雪夫不等式建立健康阈值与ICD指标间的关系,实现滚动轴承的早期故障检测.通过两组实验对比分析表明:所提方法可以准确表征滚动轴承的退化过程并可有效检测早期故障,为轴承早期故障诊断提供了一种新的解决方案.

• 状态触发随机脉冲布尔控制网络的能控性

  周俊岚,周荣佩

  本文基于混杂指标模型,研究了一类由状态触发的随机脉冲布尔控制网络的能控性.在该模型下,脉冲触发依赖于当前时刻的状态,而网络的状态受到跳变概率因子的调控.首先运用矩阵半张量积工具,得到随机脉冲布尔控制网络的混杂指标模型的代数形式.为避免产生芝诺现象,本文引入了前向完备性,并推导了网络前向完备的充要条件.基于能控性的定义,通过构造新的矩阵幂运算,导出最大状态转移概率矩阵,进而得到随机脉冲布尔控制网络的能控性的等价判据.最后通过仿真算例验证了所得结果的有效性.

• 基于改进北方苍鹰算法与混合核极限学习机的齿轮箱故障诊断

  杜董生,王梦姣,冒泽慧,赵环宇

  针对行星齿轮箱故障诊断问题,本文提出了一种基于改进北方苍鹰优化(INGO)算法与混合核极限学习机(HKELM)的行星齿轮箱故障诊断方法.首先,引入Savitzky-Golay(SG)滤波对齿轮箱原始信号进行去噪.利用时变滤波经验模态分解(TVF-EMD)将去噪后的信号分解成多个本征模态函数(IMF),使用方差贡献率、相关系数和信息熵筛选出最优的IMF.将最优IMF重构后,对重构信号进行时间同步平均(TSA)去噪以减少故障诊断模型的数据计算量. 将Tent混沌映射、混合正弦余弦算法和Levy飞行策略用于改进北方苍鹰优化(NGO)算法,得到一种新的INGO算法. 同时,引入余弦因子以平衡正弦余弦算法的全局和局部开发能力.最后,利用INGO算法对HKELM进行优化,用以提高HKELM模型的故障诊断准确率.将所提方法应用于两个案例对模型进行检验,实验结果表明,本文所提方法具有可行性和优越性.

• 基于多模态时序对比生成网络的数据增强算法

  商柔,董宏丽,王闯,周国强,管闯,闫天红

  针对工业故障诊断中的小样本和类不平衡问题,本文提出一种基于马尔可夫链的多模态时序对比生成模型(TCGN). 首先,为了提升合成数据时间结构的真实性,设计了一种时序趋势一致化损失(TTC),以提升真实数据与合成数据之间时间演化规律的相似度.随后,为了在增强数据集中形成有效且正确的决策边界,提出了一种类意识对比损失(CAC),以对齐真实数据与合成数据的类条件分布.此外,为了更好地维持不同学习任务之间的动态平衡,引入了一种基于马尔可夫链的多模态切换策略,以实现TCGN算法在生成、刻画、探索、收敛4个模态之间的自适应切换优化.最后,将所提出的TCGN算法应用于管道故障诊断.实验结果表明TCGN算法在视觉评估和量化指标方面均优于一些先进的生成算法,显著提高了故障诊断准确率.

• 混合离散蛙跳算法求解柔性装配系统调度问题

  李晓玲,冯彦翔,张广辉,段浩浩

  本文主要研究不含中间缓冲区的柔性装配系统(FAS)的优化调度问题,其中当工件竞争使用有限的生产资源时,不合理的资源分配会导致系统死锁(deadlock).针对易死锁(deadlock-prone)FAS的优化调度问题,本文采用Petri网建模, 提出了一种混合离散蛙跳算法(HDSFLA)以最小化最大完工时间(makespan). 首先,提出了一种新的编码解码方法,其中一个个体编码为一个包含全部工件加工信息的变迁序列,可解码为一个工件–工序序列;其次,为了保证种群中个体的可行性,提出了一个个体修正算法和基于最早引发时间的改进个体修正算法,从而将不可行个体修复为可行个体;然后,结合编码特征设计了用于生成新个体的交叉操作;最后,为了平衡算法的全局搜索和局部开发能力,设计了一个基于交换和插入算子的局部搜索策略.通过不同规模算例上的仿真实验和算法对比分析,验证了HDSFLA的有效性.

• 粒子群算法下间歇过程的2D鲁棒约束预测输出反馈控制

  王立敏,贾林竹,张旺喜,张日东,高福荣

  为有效解决间歇过程存在的不确定性、时滞、输入输出受限及状态不可测的问题,本文提出了一种基于粒子群算法(PSO)的2D鲁棒约束模型预测输出反馈控制方法.首先,引入扩展信息构建等价的维数扩展后的闭环预测模型;其次,构造带终端约束的优化性能指标函数以研究系统的控制优化问题;进一步,设计依赖时滞上下界的Lyapunov函数, 根据稳定性理论可将系统优化转换为线性矩阵不等式(LMIs)的求解问题;接着,分别讨论了在重复性及非重复性干扰下系统鲁棒渐近稳定的充分条件,设计了相应的输出反馈控制器;然后,利用PSO对系统进行再次优化寻找更优解;最后,通过注塑过程的仿真实验验证了所设计方法的有效性.

• 基于改进型转子信息观测器的PMSM无位置传感器控制

  邹恒祥,朱俊杰,刘浩然,郑志安

  针对传统滑模观测器由于抖振而导致永磁同步电机转子信息观测精度低的问题,设计了一种基于二阶广义积分器(SOGI)的自适应高阶滑模转子信息观测器.首先,通过构造一种具有增益自适应跟踪算法的高阶滑模观测器,解决传统滑模观测器引入低通滤波器所造成相位滞后与幅值衰减问题,减少抖振对观测精度的影响;其次,使用SOGI与归一化正交锁相环技术获取位置和速度信息,将转子角频率反馈至SOGI模块作为其中心频率,减少负载扰动和死区效应引起的谐波和噪声的污染,并通过Lyapunov稳定性定理证明了系统的稳定性;最后,搭建永磁同步电机无位置传感器控制系统,通过仿真以及实验验证了该方法的有效性.实验结果表明,相比于传统的滑模观测器,改进后的转子信息观测器有效提高了转子位置估计精度,抑制了滑模抖振与谐波.

• 基于离散事件系统鲁棒监控的强制隐蔽综合

  戴茵茵,王飞,罗继亮

  当离散事件系统模型未知,但属于某一集合时,则需要使用一个模型集来表示该系统.为了防止模型集中任一系统的秘密信息泄露,本文基于鲁棒监控方法研究了强制隐蔽性的监控综合问题.首先,通过构造上界自动机和包含所有可能秘密的完全秘密信息,提出可以保证模型集中所有秘密隐蔽性的鲁棒监控器的存在性条件;之后,基于该存在条件,提出了获取该鲁棒监控器的算法,并从理论上证明该算法获得的鲁棒监控器是正确的;最后,以一个位置信息保护的实例,说明算法的有效性.

• 永磁同步电机自适应非奇异快速终端滑模控制

  主父冠峰,王树波

  本文针对含LuGre摩擦模型的永磁同步电机系统中参数未知问题,提出了一种新颖的基于参数估计误差信息的自适应非奇异快速终端滑模控制方法,以保证参数估计误差和跟踪误差同时收敛.为了估计系统的未知参数,通过引入辅助滤波器来提取参数估计误差信息,然后将参数估计误差信息嵌入到自适应律设计中,实现对系统未知参数的估计.为了提高永磁同步电机的跟踪精度,提出了一种改进的滑模面,并将设计的自适应律嵌入到滑模面中,设计了自适应非奇异快速终端滑模控制器,通过李雅普诺夫稳定性理论保证估计误差和跟踪误差的同时收敛.最后, 通过对比仿真和实验验证了本文所提控制算法的有效性.