控制理论与应用杂志

控制理论与应用杂志2026年第4期

• 多智能体系统一致性问题中的隐私保护方法综述

  黄明德,伍益明,蒋杰

  多智能体系统(MAS)一致性算法执行中需要个体之间频繁交换并共享信息, 这对网络中智能体个体信息的隐私安全带来了巨大的风险. 本文阐述了MAS一致性问题中的隐私保护概念定义, 给出了相应的问题描述, 较系统地回顾了 MAS 隐私保护一致性技术的现有进展. 从方法的归类上将现有技术分为3类: 即基于噪声注入的方法、基于密码学的方法和基于状态增强的方法, 讨论了针对不同领域实际应用中的设计策略, 分析了现有技术的发展趋势, 探讨了隐私保护设计中亟待解决的问题与未来的发展方向.

• 无人机覆盖路径规划方法综述

  孙伟昌,罗志浩,石建迈,刘忠

  无人机具有成本低、机动灵活、贴近侦察等优点, 在执行区域覆盖扫描任务时能够有效提高作业效率, 被广泛应用于战场侦察、农业植保、野外搜救、林区监测等军事和民用领域. 当前无人机覆盖路径规划问题已成为无人机自控领域的研究重点. 本文系统梳理了近年来无人机覆盖路径规划问题的主要研究文献, 分析了问题的概念、特点和分类, 从环境建模方法、问题模型和规划算法3个方面进行了分类综述. 其中, 在路径规划算法中, 对研究中涉及的经典算法、构造式启发式算法、元启发式算法和以及学习类等算法进行了分析总结. 最后, 对无人机覆盖路径规划问题研究的发展趋势进行了总结和展望.

• 克里金模型星凸形扩展目标跟踪算法

  陈辉,庞虎,连峰,韩崇昭

  在高分辨率传感器条件下, 针对星凸形不规则形状扩展目标跟踪问题, 本文提出了克里金模型星凸形扩展目标跟踪算法. 首先, 在随机超曲面模型(RHM)的基础上以径向函数描述星凸形扩展目标的不规则外形. 然后, 通过传感器获得的多源量测信息, 以克里金模型(Kriging)建立径向函数输入与输出之间的非线性映射关系, 进而推导得出对应非线性量测方程. 最后, 结合非线性最优滤波器推导出克里金模型星凸形扩展目标跟踪算法, 并使用弗–面加权距离作为星凸形扩展目标形状估计评价指标. 仿真实验表明了所提算法对于不规则星凸形扩展目标跟踪估计的有效性.

• 利用分布式模型预测控制的无人机编队轨迹规划

  胡景赫,鲜斌,姜鹏志

  本文基于分布式模型预测控制方法, 设计了一种考虑多约束的无人机编队轨迹规划策略. 该策略使无人机编队在满足约束的前提下, 规划出从起始点到目标点的期望轨迹. 首先, 建立线性时不变的无人机编队运动模型.然后, 在考虑状态约束、机间避碰及避障等约束的情况下, 以期望轨迹生成和编队保持为规划目标, 基于一致性的编队策略设计一种轨迹规划算法. 采用数值仿真的形式与现有的避碰算法进行比较, 体现了所设计的按需避碰算法的良好性能. 最后, 使用自主搭建的无人机系统在复杂环境中进行飞行实验, 验证本文设计的编队轨迹规划算法的有效性.

• 符号网络下边系统的强结构能控性

  薛鸿萍,关永强,路张昕

  本文针对符号网络研究了边系统的强结构能控性问题. 首先, 基于领导者–跟随者框架, 构建了边动力学系统的强结构能控性模型, 并通过分析系统矩阵得到了边系统强结构能控的基本性质; 其次, 引入了边符号图的颜色变化规则, 在此基础上, 分析了边权符号特性对强结构能控性的影响, 得到了刻画边系统强结构能控的图论充分条件. 结果表明, 当边系统的领导者集合是一个符号零迫集时, 该系统是强结构能控的; 此外, 构造了一个符号零迫集搜索算法, 该算法能够有效识别出任意给定边图的符号零迫集; 最后, 通过数值仿真例子验证了所得理论结果的有效性.

• 基于稀疏规范变量差异度分析的化工过程微小故障检测

  陈添艺,潘东辉,陈新,张海峰

  微小故障由于其故障征兆不明显, 且在高维数据下可能出现变量共线性的情况, 导致协方差矩阵病态而难以求逆, 甚至不可逆, 因此传统的多元统计分析方法难以在故障发生早期对其进行检测. 针对上述问题, 本文提出了基于稀疏规范变量差异度分析(SCVDA)的微小故障检测方法. 首先, 构造改进惩罚矩阵分解算法(IPMD)对Hankel矩阵执行矩阵分解, 获得稀疏规范变量, 其增强了变量间潜在关系的直观理解, 并有助于发现故障变量. 其次, 利用正常阶段规范变量的协方差和伪逆分别对状态向量和残差向量进行变量赋权, 进而使用稀疏表征后的规范变量, 来构造基于条件期望的早期微小故障检测指标. 此外, 采用核密度估计确定非高斯分布数据下统计指标的控制限. 最后, 通过田纳西伊斯曼(TE)化工过程和连续搅拌反应釜(CSTR)的案例研究结果表明, 所提方法在TE过程中相比SCVA, CVDA在检测率上分别取得了29.0%, 16.6%的提升, 在CSTR过程微小故障检测中, 相比上述算法分别提前142,96个样本预警到故障.

• 基于优先级重规划的通信多智能体路径规划

  李心怡,李衍杰

  多智能体强化学习(MARL)因其出色的泛化能力和快速的计算速度, 已成为解决实时性要求高任务的有效工具, 并在多智能体路径规划(MAPF)问题中得到了广泛的研究和应用. 尽管如此, 当智能体密度极高时, 基于强化学习的MAPF求解器仍面临为智能体规划无碰撞路径的难题. 现有的多数学习型MAPF求解器在预测到潜在碰撞时, 倾向于将智能体的移动暂停作为替代动作, 而在智能体之间缺乏有效的协同机制, 这可能引发死锁. 为应对这一挑战, 本研究提出了一种结合了强化学习和带注意力机制的通信网络的方法, 旨在优化MAPF问题的求解. 此外,为降低高密度智能体环境中死锁的发生率, 本研究设计了一套动作检测与重规划策略. 研究中还引入了一种内部奖励机制, 旨在激励智能体探索环境并加速其达到目标位置的过程. 经过实验验证, 所提出的方法在准确率方面显著优于现有先进的学习型MAPF方法, 并在多个环境中的表现与接近最优解的求解器相媲美.

• 深度置信网络在四旋翼无人机传感器攻击检测中的应用

  石鹏程,赵振根,李庆龙

  为了实现四旋翼无人机的传感器攻击快速准确检测, 本文提出了一种基于状态估计和深度学习的攻击检测算法. 首先, 算法利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)估计无人机状态, 并从传感器测量中提取特征信息. 接着, 采用滑动时序窗口构建检测信息, 并通过深度置信网络(DBN)建立检测信息与传感器状态(是否受攻击)之间的非线性映射关系. EKF简化了传感器状态检测信息的获取过程, 而DBN准确拟合了复杂的非线性关系, 从而显著提高了检测精度. 为增强状态估计的可靠性, 本文还设计了一种自适应EKF算法, 能够在检测到传感器攻击时动态调整测量噪声的协方差矩阵. 仿真结果表明, 所提出的EKF-DBN检测算法在准确率和检测效率上优于传统方法.

• 基于人工势场法的机械臂动态运动基元局部平滑避障方法

  刘暾东,林晨滢,吴晓敏

  针对机械臂在空间中规划避障轨迹存在的建模效率低、轨迹易振荡问题, 本文提出了一种基于人工势场法的机械臂动态运动基元局部平滑避障方法. 该方法采用动态运动基元(DMP)学习单条示教轨迹的特征参数, 实现对空间内任意目标点进行相似轨迹的快速泛化建模; 通过设置障碍物距离约束, 引入人工势场方法(APF)对DMP泛化轨迹进行局部避障规划, 并提出一种虚拟目标点策略提升轨迹的规划稳定性; 利用3次贝塞尔插值生成过渡曲线,实现平滑避障, 消除轨迹振荡问题. 为验证方法的有效性, 以有色金属去渣工艺为背景, 分别开展机械臂在静态、动态障碍物场景下的避障实验. 实验结果表明: 本文所提方法相较于传统的避障规划方法, 平均规划时间效率和轨迹平滑性都有所提高, 具有良好的应用前景.

• 具有未知外部扰动的多智能体系统自适应抗扰一致性控制研究

  朱静,姚程华,翟象平

  本文研究了一类具有外部扰动, 且扰动来自于未知外生系统的多智能体系统抗扰一致性控制问题, 将控制器的参数设计转化为求解线性矩阵不等式的可行解. 首先, 本文设计了一种自适应扰动观测器以估计扰动信息; 其次, 利用扰动估计信息, 提出了一种具有扰动补偿项的分布式动态输出反馈控制器设计方案, 该控制器既利用了相邻智能体的相对输出信息, 又利用了相邻控制器的相对状态信息; 接下来, 通过模型变换和系统解耦的方法, 将多智能体系统的鲁棒H∞一致性控制问题简化为一组独立线性子系统的H∞镇定问题, 得到了多智能体系统实现渐近一致的充分条件; 最后, 通过数值仿真验证了所设计的观测器和一致性控制器的有效性.

• 基于滚动分布式鲁棒微分博弈的多智能体编队避碰控制

  薛文艳,黄捷

  针对未知障碍物环境下受有限通信能力以及干扰约束的多智能体编队控制存在鲁棒性差、安全性不佳的问题, 本文提出了一种新颖的滚动分布式鲁棒微分博弈方法. 首先, 与现有忽略外部干扰影响的流行分布式微分博弈方法比较, 将外部干扰看作虚拟的恶意参与者, 每个智能体基于局部交互信息优化最坏情况下的个体性能指标,以实现对外部干扰的鲁棒性. 其次, 基于分布式终端状态估计器构造了一种近似开环鲁棒纳什均衡解, 以摆脱传统方法依赖全局状态信息求解的困境, 并从数学角度分析了近似纳什均衡的收敛性. 为保证编队的安全性, 在推导的近似纳什均衡解中引入避碰惩罚项, 并证明了系统的稳定性. 最后, 为了提升系统的安全性能, 基于滚动优化控制合成近似反馈鲁棒纳什策略, 通过对未知状态信息的预测, 减少了智能体在运动过程中死锁现象的发生. 仿真结果验证了所提方法的有效性.

• 高超声速飞行器再入轨迹跟踪的块压缩模型预测控制方法

  孙启超,徐娟娟,张焕水

  本文针对高超声速飞行器的再入轨迹跟踪控制问题, 考虑了非线性模型预测控制的计算加速方法. 首先采用序列二次规划算法, 将非线性最优控制问题转化为迭代差值的线性最优控制问题, 再应用块压缩方法, 将长时域问题转化为多段较短区间内的最优控制问题. 利用对偶特性推导了由拉格朗日乘子优化问题和分段最优控制问题组成的双层迭代结构. 由于拉格朗日乘子迭代优化, 相邻的最优问题解耦, 可以并行计算. 最后, 对控制和拉格朗日乘子同时进行热启动, 减少迭代次数, 提高求解速度. 仿真结果显示, 在保证控制效果的前提下, 控制器求解速度显著提高.

• 含执行器故障的磁轴承转子位置有限时间容错控制

  付强,陈洪,谢七月

  本文针对主动磁悬浮轴承系统在外部干扰、执行器故障情况下转子位置跟踪控制问题, 提出一种基于扩张状态观测器和非奇异快速终端滑模的有限时间容错跟踪控制策略, 以解决普通滑模控制不能有限时间收敛和传统容错控制带来的磁轴承系统设计成本高、体积大的不足. 首先, 本文设计了扩张状态观测器, 以估计磁轴承系统包含内外扰动和执行器故障的集总扰动项, 实现系统扰动补偿与解耦. 基于以上, 引入非奇异快速终端滑模面, 设计有限时间容错控制器, 实现磁轴承转子位置的有限时间容错控制. 最后, 利用Lyapunov函数对所设计控制器的稳定性和有限时间内收敛进行了分析证明. 通过仿真实验对比验证了所设计控制器的有效性和优越性.

• 改进弗雷歇距离的AROMF及在流程工业故障诊断应用

  雷海,曹健,李擎

  针对复杂的动态流程工业过程中故障模式匹配因曲线长度或参数化差异导致的匹配难题, 本文提出了一种新颖的基于弗雷歇距离的自适应秩序形态滤波器集成局部保留投影的故障诊断方法. 首先, 在本文所提出的基于弗雷歇距离的自适应秩序形态滤波器集成局部保留投影(LPP-FAROMF)方法中, 保留数据局部流形信息的局部保留投影(LPP)算法, 用来提取出与故障相关的特征信息, 解决了数据的高维和非线性问题, 进而得到所需的模板信号和测试信号; 其次, 将弗雷歇距离引入自适应秩序形态滤波器(AROMF)的距离误差中, 用来对测试信号进行基于弗雷歇距离的自适应顺序形态滤波器(FAROMF)变换得到输出趋势特征, 该方法降低了对曲线长度和参数化的一致性要求, 而且可以综合考虑空间相似性和动态特征, 因此计算输出趋势与模板趋势之间的误差更加准确且合理;最后, 田纳西–伊士曼过程被用来验证所提出方法的性能. 结果表明, (LPP-FAROMF)在故障诊断中表现出更高的准确度、鲁棒性和速度.

• 面向空气分离过程的动态集成增量学习软测量算法研究

  吴修粮,赵磊,曹茂永,孙凯

  针对空气分离过程多模态、多变量、大时延及存在测量离群点等问题, 本文提出了一种基于Lipschitz循环神经网络(LRNN)的动态增量学习软测量算法. 首先, 利用易收敛、稳定性好的LRNN处理过程数据中存在的非线性和时延问题. 其次, 设计了一种新颖的 LRNN 损失函数, 该函数结合了Log-Cosh估计对离群点的鲁棒性和L1正则化的模型稀疏特性, 能够有效处理过程的测量离群点和模型冗余问题. 进一步, 对不同鲁棒LRNN基础模型进行动态加权集成, 提高了模型对生产过程模态变化的适应性. 最后, 将所提出的算法应用于某钢厂实际空气分离过程中低压塔出口O2浓度的软测量建模, 并通过与其他先进算法进行比较, 验证了所提出方法的有效性和优越性.

• 基于特征融合的粗轧出口温度建模方法与应用

  张凯,王亚礼,张晓雯,彭开香

  在带钢热连轧过程中, 粗轧出口温度受加热炉和粗轧工序共同影响, 其建模精度是提高成品带钢质量的关键. 现有方法大多基于机理模型或仅将加热炉与粗轧数据融合, 对两个工序的特征提取不充分, 且不利于所提出方法在两工序的分布式部署. 为此, 本文提出了一种基于特征融合的热连轧过程粗轧出口温度建模方法. 该方法首先针对两个工序数据的特点构建了联合长短期记忆 (LSTM) 网络和时间卷积网络 (TCN) 的特征提取模型, 并利用 LSTM实现了两部分特征的融合, 进而利用全连接模块构建粗轧出口温度的预测模型; 其次, 考虑到热连轧过程带钢品种和规格的多样性, 构建了预测模型的更新机制; 最后, 将所提出预测方法分布式部署到云边端协同的热连轧过程原型系统中, 利用某钢铁公司2150产线的实际数据验证了方法的有效性. 验证结果表明, 本文方法与传统方法相比预测精度提高35.69%, 且在采样周期100 ms下, 预测与更新机制满足实时性要求.

• 改进教学优化算法求解执行器配置与生产调度协同优化问题

  谭伟华,吴亮红,李哲,袁小芳

  在实际柔性作业车间中, 执行器配置与生产调度的高效协同有利于提高生产决策的全局性, 从而提升车间的柔性加工能力. 针对执行器配置与生产调度的多目标协同优化问题, 以最小化综合生产成本和完工时间为优化目标, 构建了混合整数规划模型, 使得小规模问题通过可以Gurobi精确求解. 本文提出了一种两阶段离散教学优化算法, 设计了学习强度自适应调整方法和改进关键工序移动策略, 以提升算法的效率和多目标平衡搜索能力. 通过仿真实验, 分析验证了所提协同优化方法的优越性和所提算法的有效性.

• 输入受限的核燃料装卸机边界振动控制

  付云,冯明辉,黄玉水,彭杰

  本文研究输入受限的核燃料装卸机的振动控制及位置控制. 为完成预期运行任务, 核燃料装卸机夹紧燃料棒在水下沿导轨移动. 本文考虑外部干扰的影响并分析燃料棒振动与装卸机运动间的耦合作用, 建立了非齐次高阶刚柔耦合分布参数模型. 运用反步法, 设计边界控制方案来运送燃料棒至给定位置, 并同时约束燃料棒的侧向及横向振动. 构造双曲正切函数以抑制外部干扰的影响. 引进辅助系统及Nussbaum函数来处理输入饱和问题. Lyapunov稳定性分析和仿真实验均证明了本文所提边界控制方案可以确保核燃料装卸机系统一致有界稳定.

• 时变周期重复控制系统的等价输入干扰补偿与参数优化设计

  贾奉溢,周兰,李美柳,肖文彬

  本文提出一种基于等价输入干扰(EID)补偿的重复控制系统结构和参数优化设计方法, 对非周期扰动的作用进行实时估计和有效补偿, 实现对时变周期参考输入信号的高精度跟踪. 首先, 利用时变时滞算子构建时变周期参考输入信号内模, 引入低通滤波器建立时变周期重复控制器; 其次, 构造比例–积分观测器重构系统状态, 建立基于EID补偿的时变周期重复控制系统结构; 然后, 分析系统的稳定性条件和扰动抑制性能, 构建以稳定性为约束条件的粒子群算法, 寻找重复控制器增益、反馈控制器增益、状态观测器和EID估计器的最优参数组合; 最后, 将所提方法应用到卡盘–工件系统, 仿真对比说明所提方法比传统的基于状态观测器的定周期重复控制、基于EID补偿的空间域重复控制方法具有更好的抗扰性能和稳态性能.

• 时变不平衡有向图上分布式在线约束优化算法

  李庆海,朱亚楠,刘洪喆

  本文研究了一类分布式在线约束优化问题, 其中每个智能体局部损失函数时变且为凸函数, 且仅对自身可知. 各智能体拥有不同的约束集, 且智能体间的通信通过一系列时变不平衡有向图表示. 本文的目标是以分布式方式求解这一在线优化问题. 针对该问题, 本文在推和的框架下结合投影反馈和消除不平衡性的思想, 提出了一种新的分布式在线优化算法. 当全局损失函数为强凸时, 证明了算法的网络静态悔界R(T)以速率O(log(T))收敛. 最后,通过数值仿真实验验证了算法的有效性. 这些结果展示了该算法在解决分布式在线优化问题中的潜在应用前景.

• 数据驱动的未知复杂系统在线滚动辨识与优化控制

  杨少布道,傅安琪,乔俊飞

  文章重点研究了仅利用有限输入–状态数据对未知复杂系统, 进行辨识并设计预测控制的方法. 所提出方法关键创新在于, 在时间序列上随系统运行对非线性系统建立线性模型并滚动辨识模型参数, 进而设计模型预测控制器. 首先, 考虑有限的输入–状态数据, 通过结合集合运算和求解优化问题反推拟合该组数据的线性状态空间模型; 之后, 利用模型预测算法获得下一时刻系统控制输入, 更新输入–状态数据集, 进行下一轮的参数辨识和控制量计算. 线性系统和智能供水系统实验结果表明, 所提出的方法能够实现对未知复杂系统的在线滚动辨识和优化控制.

• 多尺度核随机配置网络的多目标回归算法

  代伟,吴尚,南静,刘鑫

  多目标回归通过将多个回归任务的相关性纳入建模中以提高模型表现, 但是当前方法对于多目标内在更加普遍且复杂的非线性结构关系建模效果并不理想. 本文提出多尺度核随机配置网络(MSK-SCN)构建高维输入与多目标之间的映射以及多目标内在的非线性关系. 通过设计隔离建模机制, 使得每个子模型根据其负责的目标误差状态完成隐含层参数配置, 进而避免多个回归任务共享模型参数导致建模质量下降; 建立多尺度核空间, 利用不同尺度参数的核函数将低维空间数据映射到高维特征空间以增强数据的表达能力, 进而提高模型挖掘多目标间非线性关系的能力. 基于虚拟数据集和真实数据集进行实验验证, 结果表明MSK-SCN的表现优于当前的多目标算法, 证实了其在多目标回归问题上的有效性.

• 欠驱动无人船预设性能轨迹跟踪控制

  杨铭宣,王保防,蔡明洁,于金鹏

  针对欠驱动无人船高精度轨迹跟踪控制, 本文提出了一种基于扰动观测器的有限时间预设性能轨迹跟踪控制方法. 首先, 引入预设性能函数, 对误差变量进行限制, 并通过变换函数对限制后的误差变量进行转换, 用于控制设计过程, 确保轨迹跟踪控制系统按预设性能收敛; 其次, 采用动态面技术, 令虚拟控制信号通过一阶滤波器, 避免对虚拟控制律的直接求导, 简化控制律设计过程; 随后, 针对时变的外部扰动, 设计了有限时间扰动观测器, 对扰动进行估计和补偿, 通过理论分析证明了系统的实际有限时间稳定性; 最后, 通过设计对比仿真, 验证了所提控制方法的有效性和优越性.