关键词： 时滞神经网络   Lyapunov稳定性   自反馈控制   自适应控制   滑模控制   滞后投影同步  

摘要： 本文所讨论的是在不同控制策略下,分数阶时滞神经网络的同步问题.文章综合运用Lyapunov稳定性理论、四元数不等式、延伸的Cauchy-Schwarz不等式、分数阶Razumikhin理论以及滑模控制理论等,探究了在三种不同控制策略下,分数阶时滞神经网络的同步问题,分别是:基于自反馈控制技术的四元数时滞神经网络的有限时间同步,基于自适应控制策略的四元数时滞神经网络的固定时间同步以及基于滑模控制技术的耦合时滞神经网络的Mittag-Leffler滞后投影同步.第一部分采用反证法及两步放缩法探究了一般性微分动力系统 D＝x(t)(28)f(t,x(t))的固定时间稳定性定理,并预估出系统的最大沉降时间.第二部分讨论一类分数阶四元数时滞神经网络系统的有限时间同步问题.基于自反馈控制技术设计了一种新型的自反馈控制器,利用四元数直接法、延伸的Cauchy-Schwarz不等式以及四元数不等式等理论,建立了驱动和响应系统有限时间同步的理论判据,并通过数值算例说明所提理论的合理性.第三部分继续讨论该系统的固定时间同步问题.基于自适应控制策略设计了一种带自适应参数的控制器,根据四元数理论、分数阶的Razumikhin理论以及零解稳定性理论等推导出系统固定时间同步的代数不等式.最后,利用Matlab工具验证了理论的正确性.最后一部分选取一种带耦合时滞项的变分数阶Cohen-Grossberg神经网络.基于所定义的滞后投影误差,采用滑模控制技术设计一种新型的滑模控制器,根据Lyapunov稳定性理论、滑模控制理论以及一些不等式技术等推导出系统Mittag-Leffler滞后投影同步的一些不等式条件.最终,在Matlab工具箱下模拟了同步过程,发现与所提理论一致.

关键词： 天然气计量   智能控制   水力仿真   数字孪生平台   同生共长  

摘要： 天然气流量计实流检定对于流量快速、稳定、准确调节提出了明确要求，文章研究基于水力仿真模型与三维激光扫描与BIM建筑信息模型对计量检定工艺场站进行数字还原的数字孪生技术，同时搭建系统参数辨识与神经网络复合算法构建的流量调节智能控制器，开发形成了一套适用于大压差条件下的天然气计量智能检定系统，通过流量智能调节的创新性研究实现了国内工作级流量计检定的智能化、高效化、安全化和精准化，提升了检定效率和检定质量控制水平。

关键词： 多智能体系统   分布式优化   有限时间一致性   动态事件触发控制   自适应控制  

摘要： 多智能体系统的分布式协同控制在生物学、物理、计算科学等领域有着普遍的应用,因此受到广泛的关注.分布式优化和一致性作为协同控制的两个典型问题,已经被用来解决许多实际问题.基于此,本文分别研究了一阶和二阶多智能体系统的优化问题.此外,针对一般线性多智能体系统,本文研究了有限时间和固定时间一致性问题.本文的主要内容如下: 首先,针对一阶多智能体系统,研究了分布式优化问题.在假设局部成本函数可微并且强凸的情况下,提出了分布式凸优化算法,使得智能体的状态渐近收敛到全局最优点.此外,为了节省通信成本并降低能量消耗,我们引入了事件触发策略和异步周期检测机制. 其次,研究了二阶多智能体系统的分布式优化问题,提出了基于两种采样机制的分布式优化算法,即非周期采样和动态事件触发采样.此外,所提出的算法采用了比例积分(PI)策略. 最后,针对一般线性多智能体系统,分别研究了有限时间和固定时间一致性问题.与一般的渐近一致性相比,所提出的分布式有限时间一致性协议,提高了系统的收敛速度.此外,还提出了一种分布式固定时间一致性协议来消除收敛时间对系统初始状态的依赖.为了降低对系统全局信息地依赖,引入了分布式自适应机制.

关键词： 驾驶员建模   轨迹跟踪控制   人机共享控制   鲁棒   车辆稳定性控制  

摘要： 研究表明,车辆在光滑的冰雪路面下操控难度增大,容易发生侧滑等失稳现象,严重会引发交通事故,危害驾驶员的生命和财产安全。驾驶员在车辆驾驶的过程中起着快速决策和主导控制的重要作用,直接影响车辆的行驶状态以及行车安全。由于冰雪路面下的路面附着系数极低,车辆被驾驶员操控时并不能够完全遵照驾驶员的意愿进行行驶,且对于缺乏驾驶经验或者心理承受能力较低的驾驶员来说,更加容易出现一些影响整车系统的稳定性的危险行为,加之不同驾驶员产生的驾驶行为存在着极大的差异,所以不同驾驶员在冰雪路面下对于车辆控制的稳定裕度会产生明显区别。为此,本文针对冰雪路面下驾驶员的不同行为能力进行完整建模,并在人机共享控制双环结构上进行鲁棒控制器的设计,对驾驶员在冰雪路面下的行为能力进行合理修正。具体研究内容包括以下三个方面:(1)为了能够详细清晰的说明驾驶员在冰雪路面下操纵车辆的不同行为,根据视觉和运动知觉建立预瞄-操控驾驶员模型,同时按照不同驾驶风格和行为能力对驾驶员模型进行分类,在原有基础驾驶员模型上进行改进和调整,得到在冰雪路面下具有不同行为能力的驾驶员预瞄-操控模型。(2)针对人机共享中直接共享与间接共享的两种结构类型进行比较和选择,并根据建立驾驶员模型的输出决定驾驶员-辅助驾驶系统之间的耦合关系和控制变量。在人机共享控制双环结构下建立适合冰雪路面下的汽车三自由度动力学模型,并与已建立的预瞄-操控驾驶员模型整合成驾驶员-车辆整体系统模型。(3)结合人机直接共享控制双环结构,设计出能够在适用于不同驾驶员模型的不同鲁棒控制器。鲁棒稳定控制器的作用是保证车辆在行驶过程中的行驶稳定性和鲁棒性,以及车辆路径跟踪时的跟踪精度。同时从驾驶员模型中出现的不确定性出发,对设计的鲁棒控制器的适用范围进行深层次研究。

关键词： 多环谐振陀螺仪   测控系统   全角模式   自适应控制   误差补偿  

摘要： 多环谐振陀螺仪是目前业界公认的高性能陀螺仪的候选对象之一,被广泛应用于航空航天、消费电子等诸多领域。其工作模式主要有力平衡模式和全角模式两种,目前国内对多环谐振陀螺仪力平衡模式的控制研究较多,但由于全角模式控制更为复杂、难度大,国内在全角模式控制方面尚且处于起步阶段,与国外差距较大。另外,在全角模式下,多环谐振陀螺仪的主要的误差来源为刚度不对称和阻尼不对称,国内目前常用的先标定再补偿的补偿方法效率低且不能很好的适应环境因素的变化。因此研究多环谐振陀螺仪的测控系统以及自适应误差补偿算法、提升全角模式测量精度有着十分重要的意义。 本论文的主要研究内容如下: （1）分析了多环谐振陀螺仪的组成结构、工作原理和力平衡模式以及全角模式两种工作模式,研究了考虑刚度不对称误差和阻尼不对称误差的多环谐振陀螺仪动力学模型,并研究了基于平均方法的全角模式控制方案,分析了由于刚度不对称、阻尼不对称导致的多环谐振陀螺仪的阈值效应,设计了新型的用于替代传统PI控制器的比例积分谐振控制器,研究了新型的比例积分谐振控制器的误差抑制效果,设计并仿真了工作在全角模式下的多环谐振陀螺仪控制模型。 （2）针对多环谐振陀螺仪存在的刚度不对称误差和阻尼不对称误差,提出了一种基于递归最小二乘法的自适应误差补偿方法。介绍了本文所采用的自适应控制算法的原理,并基于多环谐振陀螺仪在全角模式下的正交控制环路、相位控制环路以及角度控制环路设计了三路自适应误差补偿器,分别用于补偿刚度不对称导致的频率裂解误差和阻尼不对称导致的斜波漂移误差、周期性振荡误差以及速率检测阈值,设计并仿真了全角模式下的正交控制环路自适应误差补偿算法、相位控制环路自适应误差补偿算法和角度控制环路自适应误差补偿算法。 （3）基于ZYNQ设计了一套完整的多环谐振陀螺仪测控系统,可以实现力平衡模式控制以及全角模式控制。研究分析了整体控制方案,设计了多环谐振陀螺仪模拟前端电路、模数转化电路、数模转化电路,完成了基于Verilog HDL的数字信号处理模块的设计,包括ADC控制器模块、DAC控制器模块、数字锁相环模块、解调器模块、低通滤波器模块、调制器模块、ZYNQ处理系统模块、AXI通讯模块、时钟管理模块、复位管理模块、ILA内嵌逻辑分析模块等,完成了基于C语言的多环谐振陀螺仪能量控制环路、正交控制环路、相位控制环路三个环路的闭环控制算法以及进动角度的解算,并且实现了正交控制环路、相位控制环路、角度控制环路三个环路的自适应误差补偿算法。 （4）搭建了多环谐振陀螺仪测试平台,对本文所提出的全角模式控制算法和自适应误差补偿算法进行了性能测试。测试结果表明,本文提出的控制算法和补偿算法能够有效提升多环谐振陀螺仪的性能参数,其中数字锁相环输出频率的稳定性提升了近4倍,为7.63ppm;振动幅度稳定性提升了近5倍,为49.31ppm;角度测量误差约为±0.005°,测量精度提升了2个数量级;量化噪声由自适应补偿前的10.19°/h降低至1.06°/h,提升了近9倍;角度随机游走由1.24°/√h降低至0.20°/√h,提升了近5倍;零偏不稳定性由9.0585°/h降低至1.5761°/h,提升了近5倍;角速率随机游走由31.08°/h1.5降低至5.78°/h1.5,提升了近4倍;速率斜坡由44.17°/h2降低至29.13°/h2,提升了1倍。 本文设计的多环谐振陀螺仪测控系统及自适应误差补偿算法能够有效完成全角模式的控制和误差补偿,为后续的研究提供了一定的技术支持。

关键词： 磁浮列车   悬浮控制   非线性控制   不平顺抑制   协同控制   安全悬浮   舒适悬浮  

摘要： 悬浮控制技术是磁浮列车的核心关键技术之一。尽管高速磁浮列车已经具备可工程化应用的条件,但还有许多技术问题仍待解决。随着运行速度的提高,轨道不平顺对悬浮系统的性能影响愈加显著。本文在“十三五”国家重点研发计划课题的支持下,针对列车运行过程中轨道不平顺使得控制系统性能下降的问题,研究实现磁浮列车抗扰、安全、舒适悬浮的控制理论与方法,具有理论意义和应用价值。本文针对不平顺持续激励磁浮列车悬浮系统问题,首先建立了考虑二系悬挂的非线性单电磁铁悬浮动态模型,联合固定时间观测器,设计了一种考虑输入饱和的鲁棒悬浮控制器,同时基于有限时间分析理论,保证系统全局有限时间稳定,仿真验证了在各种运行条件下均获得良好的控制性能;然后,建立了考虑强耦合结构的非线性半转向架模型,针对一侧双电磁铁的协同一致问题,设计了基于自适应扰动观测器的抗扰协同控制器,并基于事件驱动机制设计懒惰协同模式以降低协同的控制频率;最后,建立了不平顺激励下考虑二系悬挂的全转向架模型,设计了一种考虑输入饱和约束的稳定跟踪、安全悬浮、舒适悬浮的多目标综合控制器。论文的主要研究内容与创新点:第一,针对不平顺激励下的考虑二系悬挂的单电磁铁非线性模型,提出了磁浮列车鲁棒有限时间控制器。首先,建立了包含轨道不平顺激励和二系悬挂系统的非线性单电磁铁悬浮系统模型;其次,为了确保悬浮系统在运行过程中可以有效地补偿轨道不平顺、外部扰动和输入截断,引入了固定时间扰动观测器,设计了鲁棒有限时间控制器,并给出了闭环系统全局有限时间稳定的理论证明;数值仿真验证了算法在高速运行、变速运行、坡道运行和阵风干扰等多种运行条件下的有效性和鲁棒性,且扩展到全转向架的仿真也说明算法有效。第二,针对磁悬浮列车同侧悬浮电磁铁强耦合的半转向架模型,研究了半转向架的预定义时间的双悬浮点抗扰协同控制。首先,建立了考虑轨道不平顺的磁浮列车半转向架模型,充分反映了磁浮列车同侧两悬浮电磁铁的强耦合关系、不平顺对半转向架动态的激励以及其他外部干扰。其次,使用了结构简洁的自适应扰动观测器以估计不平顺信号和外部扰动。然后,结合速度函数和反步技术,设计了一种预定义时间的双悬浮点协同悬浮控制器。进一步,引入事件驱动机制,设计了懒惰协同模式以降低协同驱动频率,理论证明了闭环系统全局稳定。最后,数值仿真验证了在多种不平顺激励下协同控制器的有效性。第三,针对考虑二系悬挂的全转向架模型,设计了全转向架的多目标综合控制器,解决了不平顺激励可能引起的电磁铁碰撞轨道以及乘客不舒适的问题。首先,建立了高速磁浮列车考虑二系悬挂的全转向架多自由度悬浮动态模型,模型充分反映了负载和二系悬挂对各悬浮电磁铁的作用。其次,考虑潜在的碰轨问题,设计了一种新颖的障碍控制函数,在此基础上设计了一种安全悬浮控制器,保证了悬浮气隙始终大于允许的最小悬浮气隙。同时,考虑车厢舒适度,转换车厢垂向加速度约束为悬浮电磁铁输入的间接约束,保证了车厢加速度满足舒适度约束。然后,利用二次规划综合气隙跟踪、安全悬浮、舒适悬浮多目标以及输入饱和约束得到优化控制器。最后,数值仿真结果验证了多目标综合控制算法有效地满足各控制目标及输入约束。

关键词： 指令滤波   全状态约束   事件触发控制   未建模动态   非线性映射  

摘要： 系统的状态、输入和输出约束等这些均是工业系统运行中为了确保系统稳定运行所需的约束条件。当这些约束条件没有被满足时,系统可能受到影响而导致性能下降,甚至无法正常运行。除了约束条件外,非线性系统中也存在着来自测量噪声、模型误差、模型简化和扰动等各种不确定性因素,这些因素也被称为未建模动态,对控制系统的稳定性影响非常大。基于各类未建模动态和约束的系统控制已成为该领域内重视的热点和难点问题之一。另外,事件触发控制(ETC)技术相比于传统的连续控制方法,在节省能源和降低传输带宽使用率方面表现出卓越的性能。本文利用指令滤波控制方法,针对单输入单输出(SISO)和多输入多输出(MIMO)的非线性时变全状态约束系统,结合未建模动态和ETC,对几类自适应控制方案进行了研究。本论文的主要内容阐述如下:第一,针对一类多输入多输出纯反馈系统,其具有全状态时变约束,结合指令滤波及自适应神经网络的思想提出了一种事件触发控制算法。该算法采用双曲正切函数将有约束的MIMO系统映射成无约束的MIMO系统。为了解决复杂的计算问题,利用动态面控制(DSC)策略,并使用指令滤波器替代DSC中的一阶滤波器,指令滤波器引入误差补偿项解决DSC方法的障碍。对于转换后的非仿射系统,本文研究了一种基于自适应事件触发的相对阈值策略的控制方案,其中径向基函数神经网络(RBFNNs)被应用于对未知的非线性函数进行逼近。然后该控制策略通过李亚普诺夫稳定性分析验证了受控制系统的全部信号都是半全局一致且最终有界的。此外,两个仿真证明了方案的可行性。第二,根据非严格反馈系统的控制方案,提出了一种有限时间的未建模动态自适应神经网络指令滤波控制算法。使用双曲正切函数解决全状态约束的问题。同样是用指令滤波器中加入的误差补偿项来处理DSC方法存在的缺点,该研究加入了有限时间控制,旨在让系统能够在有限的时间内实现系统的稳定和控制。其中动态信号用来解决动态不确定项。标准化信号设计用作处理输入未建模动态。未知非线性函数用RBFNNs来处理。根据李亚普诺夫稳定性理论分析和仿真知信号在有限时间内稳定收敛,证明了系统在闭环中半全局一致有界。

关键词： 非线性信息物理系统   欺骗攻击   自适应容错控制   事件触发策略   神经网络技术  

摘要： 随着计算机科学、人工智能及自动化技术的发展与交叉融合,由网络和物理组件组成的非线性信息物理系统(CPSs)在实际中得到了广泛应用,这使得对其研究具有十分重要的实际和理论意义。另一方面,非线性系统的自适应控制已经成为控制领域的一个研究热点,特别是针对非线性CPSs如何构造有效的自适应控制策略更是获得了众多学者的研究兴趣。由于通信网络高度的开放性,非线性CPSs不可避免地存在一些安全隐患,例如拒绝服务攻击,欺骗攻击,重放攻击等。因此,如何消除欺骗攻击的影响并保证非线性CPSs的稳定性是一个十分具有挑战性的课题。本文研究了欺骗攻击下两类非线性CPSs,通过提出新颖的坐标变换技术并利用攻击后的状态设计相应的控制器,构建了自适应控制算法,实现了非线性CPSs的安全控制。具体工作如下:(1)针对一类具有欺骗攻击和执行器故障的非线性严格反馈CPSs,提出了两种新的自适应容错安全控制方案。首先,由于欺骗攻击改变了系统真实状态,使得实现欺骗攻击下非线性CPSs的跟踪控制是一个十分困难的问题,并且相关成果较少。因此,提出了一个防御欺骗攻击的自适应容错跟踪控制算法。通过设计将参考信号和攻击增益同时考虑在内的新颖坐标变换,确保了系统的跟踪控制和稳定性。介绍Nussbaum技术来消除欺骗攻击对非线性CPSs的影响并释放了攻击增益符号的限制。通过backstepping过程可以得到闭环系统内的全部信号都是有界的,同时系统的输出可以跟踪上期望的参考信号。其次,对欺骗攻击提出了更一般假设,设计了一个新的自适应容错安全控制方案,保证了遭受攻击系统的稳定性以及闭环系统中的所有信号都是有界的。最后,所提出两个算法的有效性都被仿真实验所验证。(2)针对一类带有欺骗攻击、执行器故障和时变时滞的非严格反馈非线性CPSs,提出了一种基于事件触发策略的自适应控制方案。首先,针对欺骗攻击介绍合理的假设,并给出改进的坐标变换方法,消除了欺骗攻击给控制设计带来的困难。通过在backstepping过程中设计自适应律,有效的解决了执行器故障的影响。其次,分别采用LyapunovKrasovskii函数和神经网络逼近技术补偿未知时滞项和处理建模的不确定性。进一步的,介绍相对阈值事件触发策略,利用被攻击的状态构造一种新的事件触发控制器,确保通信资源仅在满足触发条件时才会被传输,从而节省网络带宽。理论结果表明,所提出的控制策略可以确保信号在闭环系统内是半全局有界的。最后,仿真实验证明了所提出策略的有效性和实用性。

关键词： 永磁同步电机   参数辨识   递推最小二乘法   智能控制   深度强化学习  

摘要： 在“中国制造2025”战略的实施下,智能制造已经成为我国制造业发展的必然趋势和方向。特别地,在航空航天领域的智能制造中,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)作为驱动系统的重要组成部分备受关注。本文以表贴式永磁同步电机为研究对象,为提高PMSM系统的总体性能,从两个方面展开了研究工作,分别是基于自适应遗忘因子和辅助变量的递推最小二乘法的参数辨识方法,基于最大熵软演员-评论家(Soft Actor-Critic,SAC)的智能控制方法。主要工作如下:(1)针对PMSM在低、高温交变条件下,参数易变导致系统运行状态变化问题,本文通过分析遗忘因子和辅助变量的性质,提出了一种基于自适应遗忘因子和辅助变量的递推最小二乘法。该方法利用电机模型预测输出值与真实值之间的误差,构建动态自适应遗忘因子调节函数,利用自适应遗忘因子能更好平衡新旧数据对电机参数辨识结果的影响。同时,添加辅助变量解决系统数据在有色噪声影响下辨识结果有偏的问题。实验结果表明,与固定遗忘因子递推最小二乘法相比,当PMSM的电阻、电感以及磁链突变时,本文算法在自适应遗忘因子的调节下具有较好的收敛能力和稳定性。此外,添加的辅助变量能够保证辨识结果无偏。(2)针对人工经验调节参数费时耗力,且当PMSM负载转矩突变时,PID控制方法容易出现PMSM系统不稳定的情况。本文以PMSM智能体与环境交互产生的数据为驱动,设计了一种具有自学习能力的最大熵SAC智能控制算法。该智能控制算法取代了传统PID控制中q轴的速度环和电流环,直接输出q轴电压,实现了PMSM的智能控制。实验结果表明,在变负载和变转速的条件下,相比传统PID控制、模糊PID控制和DDPG智能控制方法,最大熵SAC智能控制方法有效提高了系统的抗干扰能力、跟踪效果和稳定性。

摘要： 日前，在由中国金属学会炼钢分会主办的“2023年(第四届)全国炼钢钢厂厂长百人论坛”上，中冶赛迪信息作题为“融合视觉感知和机理模型的智能控制技术与实践”的主题报告，分享了融合视觉感知和机理模型赋能钢铁企业智能控制场景的技术和应用实践，其中转炉氧枪智能控制和一见轻尘除尘智能管控系统是其中两项典型应用。智能控枪——“视觉”+“听觉”赋能转炉氧枪智能控制传统转炉炼钢需要依靠操作人员在炉前观察火焰以判断炉内反应状况和钢水质量，