控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2026年第3期

• 非线性波动方程半离散格式的一致指数稳定性

  王丽梅,郭宝珠

  本文讨论一维非线性波动方程半离散有限差分格式的一致指数稳定性.首先,利用能量乘子法证明了偏微分方程描述的连续系统的指数稳定性.引入辅助变量,利用降阶法将原系统转化为奇异偏微分方程(PDE)系统;再用有限差分法对空间变量离散,在消除引入的辅助变量后,得到原系统的半离散有限差分格式;最后,平行于连续系统, 利用能量乘子法证明了离散系统的一致指数稳定性,并通过数值模拟进行验证.

• 时变质量双涡喷构型无人机建模与轨迹跟踪

  闫林,李鹏,何家兴,张钊

  针对一类以双涡喷发动机作为矢量推力系统的无人机(DJUAV)轨迹跟踪问题,本文提出了一种在模型时变质量条件下的自适应滑模控制方法.首先,对一般飞行器的六自由度模型在时变质量的条件下加以扩展,建立时变质量飞行器的数学模型.其次,对所设计矢量推力机构制定分配策略,以满足控制系统力与力矩的需要.在此基础上, 设计一种自适应滑模控制器,保证系统面对自身时变质量所带来的模型不确定性,能够实现期望轨迹的跟踪,并且位置跟踪误差渐近收敛到零.最后,仿真验证了所建立数学模型的可行性与控制器的有效性.

• 分数阶时滞锥不变系统的稳定性和增益性能

  邱宏凌,沈俊

  本文主要分析具有锥不变性和无界时滞的分数阶线性系统的稳定性和输入输出增益.这类系统的轨迹通常被限制在一个正则锥里面,是分数阶时滞正系统的一种推广形式.首先,利用系统状态方程的解的轨迹,一个保证其锥不变性的充要条件被给出.根据正则锥上的偏序关系,给出了保证分数阶锥不变时滞系统的稳定性的充要条件. 该方法同样适用于系统在无时滞下的情形,这意味着分数阶时滞锥不变系统的稳定性对时滞的大小不敏感;此外, 通过取整函数来构造一个采样系统并分析其状态轨迹与无时滞副本系统的状态轨迹偏序关系,从而以系统矩阵的形式给出分数阶输入输出锥不变系统的锥诱导增益的刻画;最后,提供一个数值例子来说明理论结果.

• 增强空间信息的快速自适应模糊聚类图像分割算法

  吴嘉昕,王小鹏,焦建军,陈浩然

  针对模糊C-均值聚类(FCM)算法对图像空间信息利用不充分,导致对噪声鲁棒性差以及目标函数自适应参数设置较为复杂的问题,本文提出了一种增强空间信息的快速自适应模糊聚类图像分割算法.首先,本文定义了一种新的增强空间信息运算,该运算利用调和系数将图像的局部信息和非局部空间信息相结合并整合到FCM聚类中,以提高算法的鲁棒性;其次,提出一种快速自适应参数设置的方法,并为原始图像与增强空间信息分配更为高效的自适用参数,进而实现目标函数的关键参数快速自适应计算;最后,将稀疏正则化引入FCM目标函数,减少了算法的运行时间.此外,所提出算法还设计了一个3步迭代算法用于求解基于稀疏正则化的FCM模型,该算法由拉格朗日乘子、硬阈值算子和归一化算子构成.在合成图像和不同数据集上的真实图像实验表明,所提出算法在模拟噪声的条件下,其分割性能和运算效率优于其他同类型的算法.

• 基于扰动区间观测器的四旋翼无人机几何控制

  蔡庆,邱宏凌,费城,沈俊

  针对扰动作用下的四旋翼无人机跟踪控制问题,基于区间观测器设计了几何跟踪控制策略.首先,对于一类由外源系统生成的扰动,在龙伯格观测器的基础上借助区间估计技术设计了扰动区间观测器,实现了对扰动上下界的估计;其次,利用扰动区间信息设计了扰动效应指示器以判断扰动对四旋翼无人机姿态的影响,构建了内环几何控制器;然后,基于扰动估计信息设计了外环位置控制器,保证了跟踪误差满足预设的约束,并证明了跟踪误差是有界的;最后,通过仿真验证了该方法的有效性.

• 时变时滞电力系统负荷频率控制的稳定性分析

  翟正亮,严怀成,陈世明,常雨芳

  本文研究时变时滞电力系统负荷频率控制的稳定性问题.首先,对电力系统负荷频率控制的高维度模型进行状态解构,并得到时滞状态和无时滞状态;然后,对解构后的系统状态进行重组并得到维度较低的系统模型.基于低维度的系统模型,构建新的李雅普诺夫–克劳索夫斯基泛函;接着,利用二阶的基于自由矩阵的积分不等式(FMBII)处理泛函微分中的二次乘积项积分.针对具有非线性项的泛函微分,使用三次多项式负定条件确立低保守性的稳定判据,并建立线性矩阵不等式;最后,通过仿真实验验证了本文方法的有效性和优越性.

• 散货码头门机负载防摇无模型自适应控制

  姚文龙,刘旺旺,池荣虎,慕成林,李博洋

  针对门机在散货码头作业工况下的负载防摇控制问题,考虑门机系统难以精确建模及外部未知扰动情况,提出一种改进的双输入双输出无模型自适应控制方法.首先,基于传统紧格式动态线性化数据模型在输出变量前增加一个时变参数向量,改进的数据模型能更好地描述门机系统的动态特性,提高控制器的自适应性和鲁棒性;然后, 利用整定算法在线计算伪雅可比矩阵估计律,设计适用于散货码头门机系统的改进无模型自适应负载防摇控制算法;最后,对系统稳定性进行理论分析.通过仿真对比验证了改进后的控制方法可以更有效抑制并快速消除负载摆动,同时对外部未知扰动具有较强的鲁棒性.

• 基于加权图卷积网络的多传感器旋转机械故障诊断

  胡艳艳,衣骁捷,彭开香

  多传感器数据能为故障诊断提供更为全面和精确的信息,但现有建模在欧氏空间里的深度学习算法难以有效处理传感器间复杂的相互影响和空间关系.同时,旋转机械振动信号的非平稳特性也极大影响了故障诊断的效果. 为解决上述问题,本文提出了一种新的基于加权图卷积网络的多传感器旋转机械故障诊断方法.利用希尔伯特–黄变换(HHT)自适应地提取故障特征,克服信号非平稳性的影响.考虑到图结构在空间关系上强大的表达能力以及图卷积网络强大的特征学习能力,依据传感器节点特征向量之间的距离度量构建加权HHT图,并搭建具有两层结构的图卷积网络进行故障诊断.同时,在网络损失函数中引入两个正则项以提高诊断的精度.公开数据集上的实验结果验证了所提出方法的有效性及相比其他方法的优越性.

• 带有事件触发和输入量化的无人船轨迹跟踪控制

  宁君,王二月,李铁山,陈俊龙

  针对航海实践中通信带宽受限问题,本文提出了带有事件触发机制和输入量化的欠驱动无人船(USV)轨迹跟踪控制策略.首先,为了实现对期望轨迹的有效跟踪,补偿因海流造成的运动学偏移,在USV运动学子系统中,利用扩张状态观测器观测偏移量,设计了基于观测结果的制导律.其次,在USV动力学子系统中,引入径向基神经网络以近似模型不确定性,设计了带有事件触发机制的自适应神经网络量化控制器.针对输入量化为非均匀量化的挑战, 本文引入了描述输入量化过程的线性解析模型,在设计系统控制律时无需输入量化参数的先验信息,能够有效增强所设计系统的自适应性与通用性.本文所设计的带有事件触发和输入量化的USV轨迹跟踪控制方法能够降低执行器的控制频率和幅度,从而减轻通信负担.此外,基于输入到状态稳定性理论证明了闭环系统的稳定性,同时证明了闭环系统中无芝诺现象.最后,通过仿真实验验证了所提方法的有效性.

• 带输入时滞的高速列车防滑控制

  蔡亮成,乐洋,黄德青

  列车防滑控制通过调整蠕滑率确保行车安全.现有列车防滑控制依赖车载传感器采集车速与轮速等状态信息.因为列车通信网络能力限制,存在实时运行数据与采集数据不匹配的输入时滞现象.输入时滞影响防滑控制性能,甚至导致防滑控制失效.为解决上述问题,本文建立了带输入时滞的列车黏着动力学模型,分析不同运行阶段的列车黏着特性,设计带输入时滞的列车运行全过程防滑控制方案.首先,利用线性化技术逼近上述动力学模型,计算系统的输入时滞上界及其控制器参数;然后,根据输入时滞上界,使用估计器设计时滞补偿的列车防滑控制器.仿真实验表明:现有防滑控制无法处理输入时滞的不良影响;本文方法不仅解决输入时滞对列车防滑控制的不利影响,还具有鲁棒性.

• 噪声抑制线性扩张状态观测器频域分析

  王立新,李金泽,赵丁选,王赫,贾拓

  测量噪声放大制约扩张状态观测器增益提高,影响扰动估计精度,然而现有噪声抑制扩张状态观测器间缺乏性能的统一比较,致使工程设计时难以取舍.为此,本文以4种常用噪声抑制LESO为研究对象,建立扰动估计误差传递函数,利用频域方法系统地分析观测器带宽对扰动估计能力和噪声抑制性能的影响规律,从扰动估计精度、收敛速度、能量消耗、噪声抑制效果等6个维度对观测器的实用性进行综合评价.最后,通过数值仿真对理论分析结果进行验证.本文研究成果可为噪声抑制扩张状态观测器的工程设计选择提供依据.

• 一类含饱和项Gierer-Meinhardt模型的交叉扩散研究

  李华,肖敏,Leszek Rutkowski,万佑红

  Gierer-Meinhardt系统是描述化学和生物现象的典型数学模型. 目前国内外关于该系统的时空演化研究仅仅局限于图灵不稳定和斑图模式,而关于交叉扩散对斑图动力学的影响研究还不深入.为此,本文提出了一个具有交叉扩散和饱和项的Gierer-Meinhardt模型,旨在研究交叉扩散对Gierer-Meinhardt模型的稳定性,斑图演化速度及斑图模式的影响规律.通过线性稳定性分析和数值仿真,探讨了交叉扩散系数对斑图动力学行为的影响.研究结果表明,当自扩散驱动系统稳定时,引入交叉扩散可以驱动系统不稳定而产生图灵斑图;不同的交叉扩散系数会导致不同的斑图模式,并影响最终形成稳定斑图的时间.当自扩散驱动系统不稳定时,交叉扩散可以驱使系统趋于稳定,并且在不同交叉扩散系数下,系统稳定到平衡态所需的时间不同.因此,交叉扩散对系统的稳定性、斑图演化速度、斑图模式都起着重要的作用.

• 融合Steffensen加速迭代与无模型自适应终端滑模的双轴进给伺服系统轮廓控制

  黄亮,黄华,赵秋舸,梅乐

  针对双轴进给伺服系统在跟踪非线性轨迹时,由于系统负载变化和轮廓误差难以快速、准确地估计,进而影响加工精度的问题,提出一种Steffensen加速迭代的轮廓误差估计(CEE)方法和一种无模型自适应离散终端滑模控制(MFA-DTSMC)的轮廓误差控制(CEC)方法. 首先,考虑系统中存在的不确定动态的影响,将不依赖系统模型精度的无模型自适应控制(MFAC)与离散终端滑模控制(DTSMC)结合,同时采用基于最小化代价函数的在线干扰估计算法,提出一种新的带有干扰补偿的MFA-DTSMC单轴控制器.进一步地,为提升双轴进给伺服系统的轮廓性能,设计了Steffensen加速迭代的CEE方法. 实验结果表明,与现有的CEE方法相比,Steffensen加速迭代方法能够提高轮廓误差估计准确率和实时性,所提控制方法可以克服系统不确定动态的影响,能够准确跟踪期望轮廓曲线,提高轮廓加工精度.

• 面向上肢康复的改进Hammerstein模型与最优迭代学习控制

  霍本岩,李祯,刘艳红,赵新刚,张宇波

  功能性电刺激(FES)是一种临床上常用的康复技术,但目前基于FES的康复设备需要由康复医师根据经验控制,控制精度难以保证.本文使用参数递推辨识方法建立上肢肌骨系统的Hammerstein模型,进而提出了基于数据驱动Hammerstein模型的最优迭代学习控制方法. 首先,分别使用神经网络(NN)、传递函数表示肌肉收缩过程中的招募曲线(IRC)与线性激活动态(LAD),建立预训练数据集并对模型参数进行递推辨识,从而建立上肢肌骨系统的改进Hammerstein模型;然后,根据模型的IRC与LAD分别设计NN非线性控制器与参数最优迭代学习控制器(POILC), 得到NN与POILC串联控制器(NPOILC);最后,搭建上肢康复系统实验平台,招募5位受试者对所提出的方法进行实验验证.实验结果表明:相较于传统的PD型迭代学习控制器和多项式与POILC串联控制器,本文提出的NPOILC最终迭代的均方根误差分别由8.02?与9.74?降低至4.87?,分别下降了39.3%与50.0%;收敛迭代数分别由平均5.0次与4.3次减至3.4次,分别下降了32.0%与20.9%. 实验结果验证了本文方法的有效性,实现了上肢康复系统的建模与控制,且具有较高的控制精度与较快的收敛速度.

• 磁耦合无线电能传输系统的忆阻特性及多稳定性

  陆益民,周佳,豆欢朋,张波

  本文研究磁耦合无线电能传输(WPT)系统的忆阻特性及多稳定性.首先,基于S型函数建模法推导桥式整流滤波环节的忆阻器等效模型,建立LCC-S型无线电能传输PI控制系统的忆阻等效电路模型;然后,分别以参数和初始值作为分岔参数分析系统的动力学特性,发现系统在不同的参数条件下呈现出周期一、准周期和点–混沌簇发振荡等多种动力学现象.因为系统是一个无平衡点系统,它所产生的吸引子全部为隐藏吸引子,呈现出共存多吸引子和多稳定性等极端依赖于初始值的特殊动力学现象;最后,通过仿真和实验对系统的忆阻特性和多稳定性进行了验证,结果表明无线电能传输PI控制系统具有忆阻特性,在同一参数条件下,因初始状态不同而产生不同的终态,有着完全不同的动力学行为,这增加了系统的不确定性.分析结果为从参数和结构两方面改善控制系统从而提高系统的稳定性和传输效率提供了依据.

• 基于信息矩阵迹的分布式容积信息一致性滤波算法

  王迪,郝钢

  针对非线性分布式无线传感器网络系统,本文提出了一种基于信息矩阵迹的分布式容积信息一致性滤波算法(TDCIF). 本文首先分析了经典分布式容积信息一致性滤波算法(DCIF)的收敛性,并证明了所提出的TDCIF算法随着迭代次数的增加,收敛到次优标量线性最小方差融合估计.TDCIF算法虽然在精度上低于DCIF算法,但TDCIF在迭代过程中传输的数据量更少,这使得网络通信负担大幅度减少,系统的实时性和鲁棒性得到了明显改善. 最后,仿真实例验证了所提出算法的有效性.

• 灵活车场多类型叫车接送问题的改进模拟退火算法

  陈可嘉,司徒腾宽,方云飞,陈荣晖

  面对老龄化社会和个性化交通需求的挑战,灵活车场多类型叫车接送在提供高效、便捷的交通解决方案方面显得尤为重要.然而,灵活车场环境下车辆的异构性和调度的复杂性,使得服务优化面临巨大难题.本文提出的改进模拟退火算法,针对这一问题,显著优化了车辆总行驶距离.该算法设计了一种基于宽容度与回温机制的解接受策略,以及3种新的搜索算子,旨在提高算法稳定性和避免过早陷入局部最优.与CPLEX求解器和确定性退火算法相比,本算法在多个测试实例上展现出显著优势.通过敏感性分析,研究了乘客最大行驶时间和时间窗口对算法性能的影响,为实际的叫车接送规划提供了决策支持.

• 固定时间收敛的预设性能攻击时间控制制导方法

  钟绮霖,李国飞,吴云洁,左宗玉,吕金虎

  针对飞行器指定攻击时间命中机动目标问题,提出一种自适应预设性能攻击时间控制制导方法.考虑到误差收敛时间对攻击时间控制制导律命中时间精度的影响,给出一种具备固定时间收敛特性的性能包络函数,提出可固定时间收敛的预设性能制导律,并分析性能函数参数选取与初始加速度变化之间的关系.通过对性能函数参数的设置,可结合飞行器自身机动能力实现对攻击时间误差瞬态性能和稳态性能的调节,并使得攻击时间误差在攻击时间指令前收敛至性能函数包络范围内.仿真结果验证了所提出制导方法的有效性和正确性.

• 基于动态事件触发的异质复杂网络量化同步控制

  黄玲,郭婧,王云飞

  本文研究基于节点平均值轨道跟踪的异质复杂网络同步控制.首先,建立异质复杂网络的模型及节点平均值轨道模型.之后,设计动态事件触发条件,减少系统不必要的数据传输,引入对数量化器,构建复杂网络的同步误差模型.接着,利用Lyapunov稳定性理论及相关引理,得到异质复杂网络最终指数有界同步的充分条件.然后,利用成熟线性矩阵不等式工具箱联合求解控制器和事件触发参数.最后,通过数值例子验证所提方法的有效性.

• 多源不确定条件下智能薄板主动振动抑制

  国佳,文新宇,李生权,崔洋洋

  针对压电元件导致的输入不确定和加速度传感器滞后问题,提出一种复合观测器方法实现智能薄板结构的主动振动抑制.首先,采用输出递推观测器估算出振动源延迟信号.然后,设计预估器补偿传感器造成的相位滞后, 得到等效振动估计值.为避免估计值中的非规则信号产生较大的补偿输入不确定,对估计值进行整形,得到更光滑的振动补偿信息.该方法充分利用平台的特性和规律,给出了系统化的振动补偿设计方案.利用李雅普诺夫方法,证明了闭环系统一致最终有界.最后,通过仿真以及智能薄板结构振动平台实验,验证了复合观测器振动抑制方法的有效性.

• 节气门离散二阶变增益滑模控制及实验分析

  林荣嘉,龙云,姚崇,宋恩哲,柯赟

  针对电子节气门的非线性和扰动导致控制精度低的问题,本文提出了一种新型的离散高阶滑模控制器.首先, 采用欧拉离散方法建立电子节气门离散模型,基于离散时间高阶滑动模态理论,提出一种多步长递推到达率,为兼顾收敛速度和稳态精度,采用非线性切换增益代替传统固定增益,使稳态切换增益能维持最小水平;同时,基于延迟步长的扰动估计方法,对系统未知扰动进行估计,使滑动变量满足采样步长的高阶精度,并结合所提出的到达率设计离散快速终端高阶滑模控制器;然后,理论分析了闭环系统的稳定性,求解了系统滑动变量和跟踪误差的稳态精度;最后,设计两种实验测试方案,将所提出控制器与自抗扰控制器及常见的两种离散滑模控制器进行实验对比,实验结果表明所提出的控制器在干扰抑制、连续性和跟踪精度都有更好的表现.

• 动态图–时间卷积神经网络EEG-fNIRS多模态运动想象/执行解码

  颜亨,周正康,何新生,李俊华,袁振,王洪涛

  本文提出一种基于动态图卷积和时间卷积的深度学习模型,用于联合分析脑电图、功能性近红外光谱多模态信号,以实现空间信息和时间信息的互补.具体为:首先,利用锁相值方法分别确定脑电图、功能性近红外光谱通道间的图结构信息;其次,将经过预处理的脑电图和功能性近红外光谱数据分别输入卷积层;再次,将这些由卷积层输出的特征信息和图结构信息输入动态图卷积神经网络进行处理,进一步通过一层时间卷积分别提取两种数据的时间特征,将输出结果进行拼接输入至一层卷积中进行特征层面融合;最后,通过全连接层得到融合后的分类结果. 为评估所提模型的性能,采用3个数据集进行测试.实验结果表明,本模型在3个数据集的分类结果均优于脑电图分类结果和功能性近红外光谱分类结果.消融实验亦验证了本模型具有较强的鲁棒性.

• 分段复合幂次趋近律的滑模控制

  刘旭,智亚丽,张燕,孙先涛,陈文杰

  针对传统幂次趋近律作用下的滑模控制中存在的收敛速度缓慢和抖振现象,本文在自适应趋近律和幂次趋近律的基础上,选择分段函数的形式,提出一种分段复合幂次趋近律.通过引入随系统状态变化的平滑函数以及对传统幂次趋近律的改进,保证系统在各个阶段都具有较快的趋近速率;同时,本文证明所提出的分段复合幂次趋近律能够快速收敛且到达滑模面时无抖振现象,并在系统存在外界干扰时能够收敛于稳态误差界;最后,通过对比仿真证明所提趋近律的有效性和优越性.

• 严格反馈非线性系统的全状态预设性能自适应跟踪控制

  孔祥玲,孙海滨,侯林林

  本文研究了具有全状态非对称约束和不确定干扰的严格反馈非线性系统的自适应渐近跟踪控制问题.为了约束系统状态,首先,引入了一组预设时间性能函数;其次,构建了一种非对称变换函数,将原系统的状态约束问题转化为新变量的有界性问题,基于变换的方法,去除了虚拟控制器上的可行性条件;随后,为了避免backstepping方法固有的“微分爆炸”问题,在递推设计中引入了一阶滤波器;然后,结合backstepping方法提出了一种自适应控制策略,使系统状态不违反约束边界,并在有限时间内收敛到预设边界;同时,系统输出渐近地跟踪参考信号;最后, 应用实例验证了方法的有效性.

• 基于离散时间输出调节方法的二级倒立摆跟踪控制

  张文军,平兆武,黄云志,葛锁良,卢俊国

  二级倒立摆是一种典型的多变量、非线性、欠驱动机械系统.同时,小车和导轨之间存在时变的摩擦力.因此, 二级倒立摆的高精度跟踪控制问题具有一定的挑战性.为了解决时变参考信号下二级倒立摆的跟踪控制问题,本文基于近似离散时间输出调节理论提出了一种带有自适应摩擦补偿的三阶控制器.首先,采用基于近似离散时间输出调节理论的多项式近似方法,设计了一个三阶控制器来实现无摩擦情况下二级倒立摆的跟踪控制;其次,考虑到小车与导轨之间存在的摩擦力会影响系统的跟踪性能,本文设计了一个自适应摩擦补偿器,并将其与三阶控制器相结合,形成最后的控制方案.实验结果表明,本文所提出的控制算法具有良好的跟踪性能.

• 基于YUV颜色空间和图卷积残差网络的图像去模糊算法

  张萌,郭一娜,王海东,上官宏

  图像去模糊需要在保留空间细节的同时确保高层次的上下文信息的平衡.针对模糊图像中的空间结构破坏, 上下文信息扭曲以及RGB图像中的通道间强相关性造成的颜色不平衡等问题,本文提出一种基于YUV颜色空间和图卷积网络(GCN)的图像去模糊算法(YUVGCR).首先,设计了用于图像去模糊的YUV与RGB颜色空间转换算法, 以解决RGB通道间强相关性的问题.然后,利用GCN可以将特征图转换为预生成图的顶点,对特征图进行图卷积, 从而合成构建图结构的数据.通过这样做,可以隐式地将图拉普拉斯正则化应用于特征图,使其更加结构化.实验表明,YUVGCR的峰值信噪比(PSNR)为36.21dB,比先进算法提高了2.93dB.可视化去模糊结果可以看出,YUVGCR能产生更清晰的边缘和细节,图像去模糊的整体性能获得较大提升.