控制与决策

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• 复杂工业过程安全运行控制方法研究综述: 现状、挑战与展望

  褚菲,王建文,马小平

  当前, 随着新一代人工智能技术与先进控制理论的深度融合, 复杂工业过程控制范式加速迭代, 推动了复杂工业过程安全运行控制理论体系的发展和完善, 也为智能控制系统规模化落地提供了有力支撑. 鉴于此, 立足工业智能化背景, 围绕复杂工业过程“全息感知-异常诊断-自主决策-动态调控-协同优化”的一体化需求, 系统梳理复杂工业过程安全运行控制相关理论方法的基本内涵与原理、关键问题与研究难点, 分类总结相关进展. 在此基础上, 探讨该研究方向亟待突破的关键核心问题, 探讨人机共融、知识与数据联合驱动的“可解释 + 可信任”智能安全运行控制的可行途径, 并以典型矿物加工过程为例开展相关理论成果的初步验证. 最后, 对复杂工业过程安全运行控制的未来趋势进行展望.

• 空地跨域无人系统低空协同立体监测与控制

  郭戈,刘上

  针对空地跨域无人系统在低空协同立体监测任务中的协同控制需求, 提出一种融合预测机制的自适应神经网络协同控制方法. 首先, 针对三自由度欠驱动无人车(UGV)与六自由度全驱动无人机(UAV)分别建立动力学模型, 并将二者以组合动力学模型的形式进行描述, 从而为后续空地协同决策与控制提供协调一致的建模基础; 然后, 设计基于卡尔曼滤波的状态预测模块, 利用无人车的实时状态信息对其未来位置进行动态预测, 并将预测结果作为无人机的低空跟踪与监测控制目标; 接着, 基于Backstepping方法逐步构造协同控制律, 引入径向基函数神经网络(RBF-NN)逼近系统中的非线性不确定性及外部扰动, 并通过李雅普诺夫稳定性理论证明系统状态满足半全局一致最终有界(SGUUB)收敛; 最后, 通过仿真结果验证了所提出方法对无人车轨迹预测与无人机稳定跟踪的有效性.

• 导航欺骗攻击下多无人机的对抗性领从编队跟踪控制

  职永然,樊慧津,刘磊,王博

  研究了全球导航卫星系统(GNSS)欺骗攻击下对抗性领导者-跟随者的编队跟踪控制问题. 首先, 为获取GNSS欺骗攻击下的真实定位数据, 利用协同定位技术设计一种基于事件的攻击检测与信号切换机制; 随后, 考虑输出测量噪声对状态估计准确性的影响, 提出一种安全状态估计器, 该估计器仅依赖采样信号, 即可在GNSS欺骗攻击及输出测量噪声存在条件下实现对跟随者真实状态的连续估计, 在降低计算负担的同时提高数据利用率; 然后, 结合非零和博弈论重构领导者与跟随者之间的动态交互关系, 通过利用单评价神经网络近似值函数以及改进的动态事件触发机制(DETM), 设计跟随者的逼近最优控制策略, 保证了对对抗性领导者的稳定跟踪, 降低了通信和计算负担. 仿真研究验证了所提方法的有效性.

• 基于多策略改进鲸鱼算法的多无人机协同路径规划

  高跃庭,桂方志,王欢,刘鹏程

  针对复杂环境下多无人机协同路径规划问题中传统搜索算法效率低、启发式算法寻优性能差等问题, 提出基于多策略改进鲸鱼算法(MSWOA)的多无人机协同路径规划方法. 该算法采用Sine-Cubic混合混沌映射提升初始种群质量, 引入非线性收敛因子自适应调节全局探索与局部开发强度, 并结合自适应螺旋系数提高后期收敛精度, 通过双分布扰动自适应差分变异策略提高收敛速度, 最后引入思维创新策略避免算法陷入局部最优. 在CEC2017测试集的29个测试函数上进行对比寻优实验, 测试结果表明MSWOA具有更好的寻优性能, 并进一步应用于三维复杂地形下的多无人机协同路径规划问题, 验证了其寻优精度和稳定性.

• 基于分布式时空解耦MPC的无人机集群协同控制

  常绪成,王敬宇,朱锋,任高峰,李康,刘代军

  针对无人机集群协同控制中的高维非凸优化难题, 提出一种分布式时空解耦模型预测控制(DSTMPC)框架. 首先, 将复杂的时空轨迹优化问题解耦为空间几何规划和时间调度两个序贯而协同的子问题: 空间层采用基于迭代线性化和自适应信赖域(ILAC)的序贯凸化方法处理避障、避碰等非凸约束, 并融合控制障碍函数(CBF)确保实时安全; 时间层则将轨迹执行转化为高效凸优化问题, 通过分布式一致性协议实现集群同步. 然后, 基于开环解耦系统, 设计一种基于冲突状态观测器的时空协同反馈机制, 优化时间层至空间层的闭环优化回路. 仿真结果表明, 所提出框架在不同复杂度场景下均能够实现良好的控制性能: 编队误差稳态收敛至0.37 m以内, 障碍物最小间距保持在0.2 m以上, 验证了所提出方法的有效性和可扩展性, 为大规模集群的高效协同控制提供了一种可行方案.

• 基于预设性能的无人机主动抗干扰编队控制

  赵振华,陈谷雨,姜斌,张柯

  无人机编队飞行过程会受到外界阵风、内部参数摄动、未建模动态等多源干扰以及执行器故障的影响, 此外, 在队形动态调整阶段, 编队误差大幅变化可能会导致碰撞等安全问题. 鉴于此, 针对无人机编队系统受到的多源干扰、执行器故障影响以及编队误差收敛过程中的动态约束问题, 提出一种基于预设性能和广义比例积分观测器的无人机主动抗干扰编队控制方法. 通过引入基于双曲余切函数的新型预设性能算法, 在无需编队系统初始状态信息的情况下, 能够保证编队误差在预设的包络线内收敛, 满足编队误差的动态约束. 通过广义比例积分观测器的引入, 能够实现编队系统中高阶时变干扰的估计与补偿, 拓宽干扰处理种类, 提升编队系统控制精度.

• 一种纵列双旋翼跨介质无人机出入水切换控制

  张柏嘉,王继河,孙慧杰,张锦绣,吴雨瑶,何智林,邵茂森

  为确保跨介质飞行过程的平稳性, 设计一种纵列式双旋翼跨介质无人机的切换控制方法. 该跨介质无人机在空中和水下采用两种不同的执行机构, 且空中存在欠驱动特性, 给跨介质无人机出入水的平稳控制带来了巨大挑战. 首先, 通过牛顿-欧拉方法, 给出一种新型纵列式双旋翼跨介质无人机在不同介质中的动力学模型; 然后， 考虑在不同飞行阶段执行机构的切换, 基于自适应超螺旋滑模方法, 提出一种新型的跨介质无人机姿态和高度的切换控制策略, 并设计合适的切换规则以确定控制器的切换时机; 接着, 利用李雅普诺夫稳定性理论, 验证闭环系统的渐近稳定性; 最后, 通过纵列式双旋翼跨介质无人机垂直出入水的仿真对所提出控制方法进行测试, 仿真结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性.

• 基于自适应滑模的输入时延欠驱动车辆队列横纵向控制

  左磊,马云聪,陈囡,闫茂德

  针对输入时延下的欠驱动车辆队列轨迹跟踪问题, 重点研究车辆队列在弯道跟随过程中的横纵向稳定性情况, 提出一种基于预设性能与时延补偿的车辆队列自适应滑模控制方法. 根据路径曲率和前车状态信息, 设计考虑输入时延和曲率变化的扩展间距策略, 可有效提升横纵向稳定性与安全性能. 通过预设性能函数将欠驱动跟踪模型进行转化, 使得车辆队列的跟踪误差约束在固定范围内, 并结合自适应补偿机制, 提出一种包含输入时延与位置跟踪误差的车辆队列自适应滑模控制方法. 所提出方法为确保控制系统具有较快的收敛速度和更高的稳态精度, 通过Lyapunov稳定性理论证明跟随车辆固定时间稳定及队列网格稳定. 最后, 通过仿真实验验证所提出方法的有效性与可行性.

• 不确定混联机构卷积神经网络预定时间滑模控制

  高国琴,谢雅湘

  为提高混联机构系统在参数摄动、摩擦力时变和外部干扰等多种不确定因素影响下的轨迹跟踪控制性能, 同时考虑摩擦力的不连续性对混联机构系统轨迹跟踪性能的影响, 提出一种卷积神经网络预定时间滑模控制方法. 通过设计一种卷积神经网络对混联机构包含不连续摩擦力的集总不确定性进行估计. 在此基础上, 针对现有滑模控制的稳定时间通常难以预先给定, 难以在工程中实际实现快速收敛的问题, 设计一种卷积神经网络预定时间滑模控制算法, 以在抑制系统受包含不连续摩擦力不确定因素影响的同时, 实现系统在预定时间内快速稳定. 最后进行Matlab仿真实验与汽车电泳涂装输送用混联机构样机实验, 从而验证所提控制方法的有效性和优越性.

• 欺骗攻击下多区域电力系统的事件驱动量化负荷频率控制

  雒春林,王婷一,闫晶晶

  在多区域互联电力系统中, 负荷波动易引发有功功率失衡, 需要通过调度指令(如机组投入/退出调频队列)动态调整发电机组出力. 此时, 不同发电组合的运行模式切换可由多模态切换系统刻画. 由于调度指令通常经由通信网络传输, 该过程易遭受欺骗攻击, 导致频率越限甚至机组误动作. 为解决这一问题, 提出欺骗攻击下的事件驱动量化负荷频率控制策略. 首先, 采用稀疏矩阵重构方法对子发电区域模型进行降维, 在保证分布式系统能控性和能观性的基础上, 建立多区域切换电力系统模型; 然后, 考虑欺骗攻击与发电模式切换的协同影响设计事件驱动传输机制, 同时, 证明存在既无攻击也无切换发生的连续时间段, 并利用该时段重构状态变量; 接着, 通过引入辅助序列构造迭代量化规则, 确保量化器始终不饱和; 最后, 从最优攻击视角出发, 给出保证多区域切换互联电网负荷频率控制系统(LFCS)指数稳定和实用稳定的充分条件. 仿真结果表明, 所提出方案能够在欺骗攻击下维持LFCS可靠运行.