控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2025年第7期

• 热网FDI攻击的非侵入式检测方法

  刘鑫蕊,张修宇,吴泽群,王睿,孙秋野

  针对热网易受网络攻击影响且惯性大的问题, 为提高热网攻击检测的快速性和准确性, 本文首次提出了一种能够放大攻击带来的状态量偏差的非侵入式在线检测方法, 该方法首先将居住人热行为归纳为黑盒模型, 将房屋和散热器归纳为白盒模型, 通过白盒与黑盒组成的灰盒模型来计算室内热平衡状态, 其次以室内温度为输入/散失热量计算的中间量, 放大攻击带来的系统状态量偏差, 最后通过多重匹配状态预测方法进行攻击检测. 为验证所提方法的有效性, 采用巴厘岛热网模型进行仿真实验, 与传统的检测方法相比, 本文所提方法可以有效放大攻击带来的状态量偏差, 检测速度和检测率均更高.

• ASM2: 面向海空联合场景的多对手多智能体博弈算法

  王臆淞,赵铭慧,张雪波

  在复杂的海空联合智能博弈环境下, 博弈环境态势信息高维且动态变化, 对实现异构作战单元协同决策提出了巨大挑战, 且当前现有算法多数存在维数爆炸, 泛化性差的问题. 因此, 如何通过有限的博弈环境态势信息, 实现异构作战单元协同决策, 是亟待解决的难题. 为此, 本文提出了能全面有效地表征博弈环境态势信息、指挥控制异构作战单元、引导算法训练方向的海空联合智能博弈问题的形式化建模方式. 其次, 提出了ASM2海空联合博弈算法, 该算法以MAPPO分布式多智能体博弈算法为基础, 设计了嵌入Elo评分系统的多对手多智能体训练框架, 提升了模型的泛化能力. 最后, 在兵棋推演仿真平台进行了验证测试, 结果表明所提算法训练后的模型能有效应对多种不同专家对手策略, 具有较好的可行性和泛化能力, 能够推动未来复杂无人装备作战对抗能力的提升.

• 经验表征与关系特征联合推理的潜艇防御鱼雷智能决策方法

  杨静,陈丽,吴金平,陆铭华

  针对现有战术决策方法人工依赖程度较高、难以有效应对水下不确定决策环境的现状, 本文围绕潜艇防御来袭鱼雷的智能决策方法进行了研究. 针对被动声呐工作方式对鱼雷距离探测缺失问题, 构建了基于经验表征的缺失信息表征与预测方法; 同时, 提出通过挖掘对抗系统混合属性的关系, 将其提取为多变量时序分类问题, 构建能够对抗不确定信息的综合策略选择方法; 结合经验信息表征与关系特征挖掘, 形成综合经验趋势与关系特征的联合推理智能防御决策框架. 实验结果表明: 所提模型在关键信息缺失条件下决策精度达到了94%, 远高于其他策略选择方法. 与人在回路线上推演相比, 该框架在无人为干预条件下, 策略选择时间相比于人类指挥员平均快27~36 s,且防御成功率相比于人在回路提高了8%~16%, 可以有效缓解水下关键缺失的问题, 并在此基础上推广至水下战术决策的各类场景.

• 基于状态预测的永磁同步电机自适应扰动抑制方法

  文利燕,任秋萍,姜斌,张卓然,张伟秋

  本文针对永磁同步电机(PMSM)电流控制系统中所存在的不确定性扰动和时延问题, 采用模型参考自适应控制(MRAC)技术, 设计一种基于状态预测的自适应扰动抑制控制方法, 其能够保证参数不确定性情况下的系统稳定和渐近状态跟踪性能, 同时可实现对未知扰动的有效抑制和对输入时延的精确补偿. 首先, 建立了含未知扰动和输入时延的永磁同步电机电流控制系统数学模型; 然后, 针对永磁同步电机电流控制系统参数已知的情况, 分别进行了标称情况下的常规扰动抑制控制设计和基于状态预测的扰动抑制控制设计; 进而, 针对永磁同步电机电流控制系统参数未知的情况, 设计了基于状态预测的自适应扰动抑制控制器, 以实现期望的输入时延补偿和扰动抑制.本文所设计的自适应控制方法可以保证闭环系统的稳定性能, 且当系统受未知扰动和输入时延影响时, 系统的状态渐近跟踪期望的参考系统状态. 最后, 本文基于永磁同步电机模型进行仿真研究, 仿真结果验证了本文所设计的基于状态预测的自适应补偿控制策略的有效性.

• 椭圆型Tube 的输出反馈鲁棒MPC终端约束集合设计

  彭丹华,李向宁,平续斌

  针对包含有界干扰和噪声的约束线性时不变系统, 本文研究椭圆型管道(Tube)的输出反馈鲁棒模型预测控制(RMPC )中终端约束集合设计方法. 针对离线终端约束集合, 通过构建闭环标称系统不变集合, 以及施加终端约束集合体积上界约束, 设计了不同大小的终端约束集合. 针对在线终端约束集合, 分别考虑实时优化和放缩终端约束集合; 在线输出反馈RMPC优化中, 实时估计误差和控制误差约束在时变鲁棒不变集合内, 然后通过滚动优化求解标称控制输入序列驱使标称系统状态向不同类型的终端约束集合内收敛. 此外, 比较分析了不同类型终端约束集合对在线输出反馈RMPC优化计算量、可行性以及控制性能的影响.

• 多频带多尺度模糊熵融合的牵引整流器故障诊断

  毛向德,董海鹰,梁金平

  针对电力机车牵引传动系统中故障率最高的牵引整流器, 本文提出了一种多频带多尺度模糊熵融合的故障诊断方法. 首先, 在优选小波基函数的基础上, 小波包分解不同工况、不同运行模式下的故障信号, 得到最优多频带信息; 其次, 对各频带的序列进行粗粒化处理, 计算多尺度模糊熵; 最后, 求解各频带多尺度模糊熵的能量值, 作为故障特征向量. 结果表明, 基于最优小波基函数得到的多频带模糊熵特征对噪声具有一定的鲁棒性, 所提出的多尺度模糊熵融合算法能进一步提高故障诊断率. 与其他方法相比, 该方法具有较高的诊断率和较强的鲁棒性.

• 一类不确定非线性系统安全学习控制

  刘跃跃,王浩羽,吴小雨,樊启高

  针对非线性系统非参数不确定条件下的安全控制问题, 本文提出一种基于高斯过程(GP)的安全学习控制方案. 首先, 基于在线采集到的历史数据, 利用高斯过程回归对非线性系统中的非参不确定性与时变扰动进行学习,基于Lyapunov理论设计反馈线性化控制策略, 保证控制器全局一致最终有界(GUUB). 其次, 考虑到安全约束问题,在反馈控制器的基础上, 利用控制障碍函数(CBF), 最小限度调整控制输入获得基于二次规划(QP)的优化控制输入.此外, 分别在高概率意义上证明了闭环系统的有界性和状态安全域的前向不变性. 通过仿真结果, 验证了所提控制策略在非参数不确定性下轨迹跟踪与避障约束中的有效性.

• 多四旋翼无人机的分布式容错编队跟踪控制

  王君,李昂

  针对有向通信拓扑下的四旋翼无人机编队在飞行过程中易受到空气阻力、外部干扰、执行器故障等不确定因素影响的问题, 提出了一种自适应非奇异快速终端滑模控制策略来提高四旋翼无人机编队系统性能. 该策略主要利用自适应参数调整方法改进非奇异快速终端滑模控制器, 能够有效的估计出未知集总扰动的上界, 保证滑模面到达平衡点, 确保跟踪误差在有限时间内收敛于0. 其次, 根据长–僚机结构, 设计分布式编队控制器, 使僚机仅需邻居状态信息则可实现通信, 减少对全局及长机信息的依赖. 此外, 基于Lyapunov稳定性理论对四旋翼无人机编队系统进行了分析, 证明该算法能使多无人机编队跟踪误差收敛于0. 最后, 通过对比仿真实验结果表明, 本文控制算法对存在外部干扰和执行器故障的情况下, 多四旋翼无人机编队具有较好的容错性能.

• 考虑新能源就地消纳的综合园区电动汽车时空优化调度

  刘俊峰,李国璋,曾婧瑶,赵紫昱,曾君

  大规模无序充电的电动汽车(EV), 相当于在时间上和空间上无序的电力负荷, 可能会造成局部过负荷、线路堵塞等问题, 给电网的运行带来巨大冲击. 本文以综合园区内电动汽车时空优化调度为研究目标, 建立了空间维度和时间维度的双层优化调度模型. 在空间维度上, 以电动汽车综合等待时间最短的目标, 为其分配最优充电站;在时间维度上, 在充分考虑新能源就地消纳的前提下, 建立综合园区管理系统(CPMS)与主动EV之间的主从博弈模型, 实现电动汽车充电成本降低, 最小化CPMS互动成本以及维持整个综合园区的功率平衡的目标, 从而完成电动汽车的时空优化调度. 最后通过算例验证所提优化调度策略的有效性.

• 基于角度特征的分布式DDPG无人机追击决策

  王昱,任田君,范子琳,孟光磊

  无人机执行追击任务过程中态势变化迅速, 不灵活的网络更新机制和固化的奖励函数使得现有决策模型难以持续输出正确且高效的策略. 针对此问题, 提出了一种基于角度特征的分布式深度确定性策略梯度(DDPG)算法. 首先, 为避免梯度消失或爆炸以稳定模型训练过程, 提出先利用梯度上升计算目标值, 再使用MSE损失函数训练的Actor网络更新机制; 然后, 依据双方角度特征划分策略引导区域, 通过设置不同的奖励函数权重, 构建基于5个DDPG网络的分布式决策模型, 利用在不同态势下对奖励函数权重的动态选择和无缝切换提升算法的决策能力. 仿真实验表明, 相比于DDPG和双延迟深度确定性策略梯度(TD3)算法, 所提算法无论追击直线逃逸目标或智能逃逸目标, 均具有更高的成功率和决策效率.

• 飞行作业机器人的视觉伺服跟踪与物理交互导纳控制

  陈彦杰,兰立民,吴杨宁,张辉,王耀南

  飞行作业机器人在执行动态目标跟踪及物理交互作业时, 通常存在速度信息难获取、跟踪控制速度慢和物理交互扰动强等问题. 本文首先针对速度信息难获取问题, 设计了一种基于图像动力学的自适应速度观测器, 通过估计飞行作业机器人与动态目标之间的相对速度, 降低了速度信息测量的噪声与误差; 然后, 考虑跟踪控制速度慢问题, 设计了有限时间内收敛的非奇异快速终端滑模视觉伺服控制方法, 实现了动态目标的稳定跟踪; 接着, 考虑物理交互作业时机载机械臂对飞行作业机器人造成的强扰动问题, 提出了一种具有自适应上界估计能力的机械臂反演导纳控制策略, 在降低力传感器噪声影响的基础上, 实现了持续物理交互时的柔顺控制性能; 最后, 在仿真平台与真实实验场景中设计动态目标跟踪及物理交互作业实验. 结果表明, 所提出方法可在无动态目标相对速度信息的情况下实现快速视觉伺服跟踪效果, 并在与人发生物理交互时实现稳定的控制性能.

• 网络化随机不确定系统基于SCP的最优线性估值器

  周晗,孙书利

  在随机通信协议(SCP)调度下, 针对带随机参数矩阵和相关噪声的网络化线性离散时变系统, 研究了依赖SCP通信概率的最优状态估计问题. 采用白噪声描述系统的随机参数不确定性. 当传感器经过有限带宽的通信网络传输观测数据给估值器时, 为了避免数据拥塞采用SCP对各观测分量进行调度, 保证每时刻只传输一个观测分量.在估值器不知道收到的是传感器的哪一个观测分量而只知道各分量的通信概率的情况下, 应用射影理论设计了依赖各观测分量传输概率的最优线性递推预报器、滤波器与平滑器. 问题归结为求解一个简单的差分方程, 一个Lyapunov方程和一个Riccati方程. 分析了算法的稳态特性, 给出了稳态存在的一个充分条件. 仿真结果验证了所提算法的有效性.

• 自适应调整燃料电池混合动力汽车能量管理策略

  付江涛,胡喆,强志尧,苑学广

  针对燃料电池混合动力汽车(FCHEV), 提出一种基于庞特里亚金最小值原理(PMP)优化的自适应调整的分层能量管理策略(EMS). 首先, 提出的EMS利用马尔可夫链Metropolis-Hastings(MC-MH)采样估计未来功率需求; 其次, 根据超级电容器(SC)的充电状态(SOC)估计调整低通滤波器的参数; 最后, 基于庞特里亚金最小原理的优化实现最佳的燃料经济性. 通过仿真和台架实验验证了所提出的EMS的有效性, 并将结果与采用动态规划(DP)方法的全局等效燃料消耗量 EMS 进行比较. 结果表明, 本文所提出的 EMS 能够充分发挥 SC 的功能, 在仿真和台架实验中分别提高 0.3%和8.8%的燃料经济性.

• 双边轮询协议下的时变线性系统分布式滤波

  梁啸海,闻继伟,栾小丽,刘飞

  针对时变线性系统, 提出滤波网络的双边轮询协议, 研究其在随机拓扑切换下的分布式滤波问题. 首先, 对滤波网络建立双边轮询协议, 将对观测对象的测量和网络内部智能节点之间的交互通信同时纳入轮询协议, 即每一个采样时刻只有一个滤波节点占用通信资源, 减少滤波网络资源消耗, 解决带宽有限和数据冲突问题; 其次, 采用Markov链描述滤波网络的拓扑切换行为, 通过构造拓扑依赖的Lyapunov函数给出滤波误差系统均方稳定的充分条件, 利用差分线性矩阵不等式在线求解滤波器参数; 最后, 通过数值及实例仿真验证所设计滤波方法的可行性和有效性.

• 考虑非匹配扰动的飞机EMA伺服系统的改进滑模复合控制

  常雨芳,张闯闯,高鹏,严怀成,黄文聪

  飞机机电作动器(EMA)伺服系统中普遍存在的非匹配扰动会降低系统状态的跟踪精度. 针对此问题, 本文提出了一种基于级联扩张状态观测器的改进非奇异全局终端滑模和非匹配扰动估计反馈补偿的复合控制方法. 首先, 在对非匹配扰动进行精确定义的基础上建立了系统的优化数学模型, 设计了级联扩张状态观测器对非匹配和匹配扰动进行实时估计; 其次, 基于扰动估计信息设计了改进非奇异全局终端滑模面和控制律, 使系统制动压力可以精确跟踪其期望输出值; 再次, 通过非匹配扰动估计反馈补偿抵消了系统转子角速度输出的跟踪误差, 抑制了非匹配扰动对系统状态的负面影响; 最后, 在3类期望输出制动压力下进行了仿真分析, 验证了本文提出的飞机EMA伺服系统复合控制方法能够有效处理非匹配扰动的影响, 使系统状态获得更快的收敛速度以及更高的跟踪精度.

• 欺骗攻击下异构多智能体的编队跟踪异步脉冲控制

  周林娜,叶红梅,马磊,王国庆,张莹,赵伟,杨春雨

  针对异构多智能体编队中的网络通信不可靠问题, 设计一种基于攻击信号补偿器的弹性分布式编队控制器. 首先, 构造一种基于异步脉冲通信的攻击信号补偿器, 各智能体通过异步独立的补偿器与邻居进行信息交互,实时估计领导者信息、补偿欺骗攻击造成的不良影响, 并且有效地提高通信资源利用率. 通过将补偿信号引入编队控制器, 使系统在受到欺骗攻击的情况下仍然能保证跟踪性能. 然后, 基于跟随者状态信息、补偿器补偿信息和编队形状信息, 构造一种新的弹性分布式编队控制器. 给出分布式编队控制器的设计方法, 并证明编队跟踪误差动态的一致有界性. 最后, 通过仿真验证所设计的分布式编队控制器的有效性.

• 智能汽车匝道合流区域紧急避障综合运动控制

  廖道争,刘孝楠,程俊,席磊

  针对智能汽车匝道合流区域紧急换道避障路径规划与跟踪控制问题, 本文提出了一种自适应换道避障跟踪控制方法. 首先, 依据当前车道、目标车道车辆行驶状态提出紧急换道避障的安全约束条件, 进行换道避障路径规划和速度规划; 然后, 基于模型预测控制(MPC)设计车辆纵向运动控制器, 实现对车速的精确跟踪; 最后, 根据车辆实时车速提出了最优预测时域参数的选择方法, 进行了自适应预测时域MPC横向跟踪控制器的设计. 仿真结果表明, 所提控制方法比固定时域参数模型预测控制方法具有更高的跟踪精度和行驶稳定性.

• 具多项式增长的抛物分布参数系统事件触发采样迭代学习控制

  戴喜生,贺俊,周如胜

  针对具有多项式增长的非线性抛物分布参数系统的输出轨迹跟踪问题, 本文提出了一种基于事件触发策略的采样迭代学习控制方法. 首先, 使用Young’s不等式分析多项式项, 得到关于多项式函数的约束不等式. 然后, 基于类Lyapunov方法和阈值触发机制, 设计了一种带触发强度因子的混合事件触发条件, 并给出了相应的P型事件触发采样迭代学习控制算法. 利用压缩映射原理分析了输出误差在采样时刻的收敛性, 建立了在采样时刻的输出误差沿迭代方向收敛到零的充分条件. 最后, 给出了控制算法的流程, 并通过数值仿真验证了本文所给算法的有效性.

• 面向弱纹理工件的6D位姿估计与机械臂抓取方法

  万琴,宁顺兴,钟杭,何勇,段小刚,王耀南,吴迪,沈学军

  针对复杂工业场景中机械臂难以对弱纹理工件进行有效抓取的问题, 本文提出了一种面向弱纹理工件的6D位姿估计与机械臂抓取方法. 首先, 为提高弱纹理工件6D位姿估计的准确性, 结合YOLOV5和PVN3D-Tiny提出了一种新的两阶段位姿估计算法(YOLO-PVN3D); 其次, 采用七次多项式插值法规划机械臂运动轨迹, 根据碰撞检测参数和运动学指标建立适应度函数, 并通过遗传算法进行优化, 以解决抓取过程中机械臂与障碍物产生碰撞的问题; 然后, 针对真实数据匮乏且容易造成模型过拟合的问题, 采用了真实数据和合成数据相结合的方式制作了工业零件数据集POSE8K; 最后, 在公共数据集和自制数据集进行了对比实验, 并在障碍物遮挡和光照变化场景下完成了真实机械臂抓取实验. 经实验验证了所提方法具有较好的性能.

• 空间机器人的预设性能固定时间终端滑模控制

  雷荣华,艾志鹏,付晓东

  针对存在不确定参数和外部扰动的刚性空间机器人, 本文设计了一个新型的低抖振预设性能固定时间终端滑模控制方法. 借助拉格朗日法建立刚性空间机器人的动力学模型, 结合模型不确定项及外部扰动项得到系统的混合不确定项. 为了保证空间机器人的稳态和瞬态跟踪性能, 根据跟踪误差与固定时间预设性能函数构建了系统的误差转换函数. 借助误差转换函数, 设计了一个固定时间终端滑模面, 并据此提出一个新型的低抖振预设性能固定时间终端滑模控制器. 根据Lyapunov稳定性理论, 证明了该控制器可确保空间机器人跟踪误差全局固定时间收敛, 且收敛时间与系统初始状态无关. 数值仿真结果验证了所提出控制器的有效性和优越性.

• 多智能体系统的前置时间仿射编队控制

  连俊杰,孙洪飞

  本文研究了多智能体系统在预设的前置时间内收敛的仿射编队控制问题. 利用基于应力矩阵的仿射变换方法并结合前置时间稳定理论, 为领导–跟随结构的编队设计了无向图下的前置时间仿射编队控制算法. 该编队控制算法使得队形在前置时间内快速收敛至期望队形并能进行时变的编队机动. 与已有的仿射编队控制律相比, 收敛时间任意指定, 不受系统初值或控制参数影响, 且减轻了控制量跳变. 数值仿真验证了所提编队控制算法的有效性.

• 具有输入约束的非线性积分系统无模型自适应控制

  董世建,周星星,牛大鹏,唐加乐

  由于难以精确建立具有输入约束的非线性积分系统模型, 限制了基于模型的控制算法实施. 针对存在积分环节的非线性系统, 通过引入微分滤波器将难以控制的临界不稳定系统转化为等效的非线性稳定系统, 并采用基于数据驱动技术的无模型自适应控制算法进行控制. 为了解决控制过程中的输入约束问题, 将损失函数转化为具有约束的二次规划问题进行求解以获取最优控制输入. 同时, 利用跟踪微分器对测量输出信号进行估计以抑制随机测量噪声对控制器参数求解的影响, 并对所设计的控制算法进行稳定性分析. 最后, 验证了所提出算法的可行性和优越性.