2013年 第39卷 第2期
2013, 39(2): 97-100.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00097
摘要:
由于控制科学在当今社会发展中起着至关重要的作用, 中国科学院信息技术科学学部作为我国信息科学技术的最高咨询机构, 在2012 年连续召开两次常委会, 最终确定依托北京大学并由我组织"控制科学学科发展战略研究"工作. 项目拟根据控制学科的发展历程, 剖析学科发展规律, 梳理发展趋势、前沿科学技术和潜在重大应用, 凝练科学研究方向和问题等方面, 从战略角度形成控制相关学科的发展建议.
由于控制科学在当今社会发展中起着至关重要的作用, 中国科学院信息技术科学学部作为我国信息科学技术的最高咨询机构, 在2012 年连续召开两次常委会, 最终确定依托北京大学并由我组织"控制科学学科发展战略研究"工作. 项目拟根据控制学科的发展历程, 剖析学科发展规律, 梳理发展趋势、前沿科学技术和潜在重大应用, 凝练科学研究方向和问题等方面, 从战略角度形成控制相关学科的发展建议.
2013, 39(2): 101-118.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00101
摘要:
随着传感、信号处理和通信技术的快速发展,关于网络控制系统(Networked control systems, NCSs)的研究引起了极大的关注.本文拟回顾关于网络控制系统的最新研究进展. 为揭示反馈通信网络对控制系统的影响,主要讨论了为满足不同控制目的所需的各种网络条件, 例如: 在时变信道的环境下,保证线性系统可镇定性 所需的最低编码率;在间断观测的环境下,保证卡尔曼滤波器稳定性的临界丢包条件;在时不变连接图的环境下, 达到线性多自主体系统趋同性所需的网络拓扑结构;在通信资源有限的情况下,基于事件驱动的采样与控制方法等.
随着传感、信号处理和通信技术的快速发展,关于网络控制系统(Networked control systems, NCSs)的研究引起了极大的关注.本文拟回顾关于网络控制系统的最新研究进展. 为揭示反馈通信网络对控制系统的影响,主要讨论了为满足不同控制目的所需的各种网络条件, 例如: 在时变信道的环境下,保证线性系统可镇定性 所需的最低编码率;在间断观测的环境下,保证卡尔曼滤波器稳定性的临界丢包条件;在时不变连接图的环境下, 达到线性多自主体系统趋同性所需的网络拓扑结构;在通信资源有限的情况下,基于事件驱动的采样与控制方法等.
2013, 39(2): 119-131.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00119
摘要:
从智能电网的内涵和工程需求出发, 归纳和提炼智能电网建设和发展所面临的若干基础 科学问题,包括预测、储能、控制、调度、运筹及 评估等6项关键技术及其所共有的工程博弈论研究. 这些基础问题分别属于数学、控制科学或二者的交叉, 它们的解决不仅是实现智能电网的前提,更能促使数学及控 制科学产生新的学科增长点,因而具有重要的理论和工程研究价值.
从智能电网的内涵和工程需求出发, 归纳和提炼智能电网建设和发展所面临的若干基础 科学问题,包括预测、储能、控制、调度、运筹及 评估等6项关键技术及其所共有的工程博弈论研究. 这些基础问题分别属于数学、控制科学或二者的交叉, 它们的解决不仅是实现智能电网的前提,更能促使数学及控 制科学产生新的学科增长点,因而具有重要的理论和工程研究价值.
2013, 39(2): 132-141.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00132
摘要:
研究了主从式框架下编队飞行的相对控制问题.首先推导了描述主从星相对运动的完整非线性动力学模型, 利用完整模型的无摄动形式提出了最优参考轨迹生成问题,并应用高斯伪谱法将此问题转换成非线性规划问题,使其可以数值求解; 基于Lyapunov 方法设计了闭环系统的鲁棒自适应控制器,在存在未知干扰、未知主星轨道参数与控制以及未知从星质量的情况下, 仅利用相对状态测量即能够保证闭环系统的参考轨迹跟踪误差和参数估计误差全局一致最终有界,并证明了跟踪误差的最终界可以 通过选取合理的控制器参数使其任意小;最后给出了具体的仿真场景验证了本文主要结果的有效性.
研究了主从式框架下编队飞行的相对控制问题.首先推导了描述主从星相对运动的完整非线性动力学模型, 利用完整模型的无摄动形式提出了最优参考轨迹生成问题,并应用高斯伪谱法将此问题转换成非线性规划问题,使其可以数值求解; 基于Lyapunov 方法设计了闭环系统的鲁棒自适应控制器,在存在未知干扰、未知主星轨道参数与控制以及未知从星质量的情况下, 仅利用相对状态测量即能够保证闭环系统的参考轨迹跟踪误差和参数估计误差全局一致最终有界,并证明了跟踪误差的最终界可以 通过选取合理的控制器参数使其任意小;最后给出了具体的仿真场景验证了本文主要结果的有效性.
2013, 39(2): 142-149.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00142
摘要:
为连续非线性系统提出了一种有效的最优控制设计方法. 广义模糊双曲模型(Generalized fuzzy hyperbolic model, GFHM)首次作为逼近器用来估计 HJB (Hamilton-Jacobi-Bellman)方程的解 (值函数,即它是状态与代价函数之间的映射), 然后,利用该近似解获得最优控制. 本文方法只需要一个GFHM估计值函数. 首先, 阐述了对于连线非线性系统最优控制的设计过程; 然后,证明了逼近误差是一致最终有界的 (Uniformly ultimately bounded, UUB); 最后, 一个数值例子验证了本文方法的有效性. 另一个例子通过与神经网络自适应动态规划的方法作比较, 演示了本文方法的优点.
为连续非线性系统提出了一种有效的最优控制设计方法. 广义模糊双曲模型(Generalized fuzzy hyperbolic model, GFHM)首次作为逼近器用来估计 HJB (Hamilton-Jacobi-Bellman)方程的解 (值函数,即它是状态与代价函数之间的映射), 然后,利用该近似解获得最优控制. 本文方法只需要一个GFHM估计值函数. 首先, 阐述了对于连线非线性系统最优控制的设计过程; 然后,证明了逼近误差是一致最终有界的 (Uniformly ultimately bounded, UUB); 最后, 一个数值例子验证了本文方法的有效性. 另一个例子通过与神经网络自适应动态规划的方法作比较, 演示了本文方法的优点.
2013, 39(2): 150-158.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00150
摘要:
基于未知但有界噪声假设的集员滤波器为传统的概率化滤波方法提供了一种可行的替代选择, 然而其潜在的计算负担和保守性考虑制约了该方法的实际应用. 本文提出一种新的基于保证定界椭球近似的改进集员滤波方法, 用于解决针对非线性系统的状态估计问题,在保证实时性的前提下降低了算法的保守性. 首先,对非线性模型进行线性化处理,采用DC (Difference of convex)规划方法对线性化误差进行外包定界, 并通过椭球近似将其融合到系统噪声中; 在此基础上提出了一种结合了椭球直和计算和基于迭代外定界椭球算法的椭球--带交集计算 所构成的经典预测--更新步骤来估计得到状态的可行椭球集. 与常规的非线性扩展集员滤波方法的仿真比较表明了本文所提出算法的有效性和改进性能.
基于未知但有界噪声假设的集员滤波器为传统的概率化滤波方法提供了一种可行的替代选择, 然而其潜在的计算负担和保守性考虑制约了该方法的实际应用. 本文提出一种新的基于保证定界椭球近似的改进集员滤波方法, 用于解决针对非线性系统的状态估计问题,在保证实时性的前提下降低了算法的保守性. 首先,对非线性模型进行线性化处理,采用DC (Difference of convex)规划方法对线性化误差进行外包定界, 并通过椭球近似将其融合到系统噪声中; 在此基础上提出了一种结合了椭球直和计算和基于迭代外定界椭球算法的椭球--带交集计算 所构成的经典预测--更新步骤来估计得到状态的可行椭球集. 与常规的非线性扩展集员滤波方法的仿真比较表明了本文所提出算法的有效性和改进性能.
2013, 39(2): 159-167.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00159
摘要:
研究了带有乘性噪声和受扰动观测的离散时间随机系统不定线性二次(Linear quadratic, LQ) 最优输出反馈控制问题. 对此类问题而言,二次成本函数的加权矩阵不定号,并且最优控制具有对偶效果.为在最优性和计算复杂度间 进行折衷,本文采用了一种M量测反馈控制设计方法.基于动态规划方法,将未来的测量结合到当前控制 计算当中的M量测反馈控制可以通过倒向求解一类与原系统维数相同的广义差分Riccati方程(Generalized difference Riccati equation, GDRE)得到.仿真结果 表明本文提出的算法与目前普遍采用的确定等价性方法相比具有优越性.
研究了带有乘性噪声和受扰动观测的离散时间随机系统不定线性二次(Linear quadratic, LQ) 最优输出反馈控制问题. 对此类问题而言,二次成本函数的加权矩阵不定号,并且最优控制具有对偶效果.为在最优性和计算复杂度间 进行折衷,本文采用了一种M量测反馈控制设计方法.基于动态规划方法,将未来的测量结合到当前控制 计算当中的M量测反馈控制可以通过倒向求解一类与原系统维数相同的广义差分Riccati方程(Generalized difference Riccati equation, GDRE)得到.仿真结果 表明本文提出的算法与目前普遍采用的确定等价性方法相比具有优越性.
2013, 39(2): 168-178.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00168
摘要:
在多目标跟踪领域,传统算法假设目标是点源辐射体,至多产生一个量测点,随着现代 传感器技术的发展,可以获得一个目标的多个量测. 本文研究当目标具有一定刚体几何形状并产生 多量测的问题,这类目标称为多量测目标.首先,通过建立目标形状的刚体参数模型,提出采用参数马 尔科夫链采样的方法,估计目标的形状参数.其次,采用等效量测方法,获得目标形心 点的运动状态. 针对目标个数未知情况,在形状目标量测满足泊松分布假设条件下,采用泊松强度比方法获得目标的个数估计. 本文定义了目标类型概率并给出 了目标类型概率的递推算法. 最后,通过三个具有不同形状和分布的多量测目标在二维平面的匀速(Constant velocity, CV)运动进行验证说明,实验表明: 所给方法在目标运动状态估计方面能够获得比较高的估计精度,目标形状估计能够比较稳定精确地估计目标形状的变化. 此外, 500次蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)仿真实验表明,多量测目标的跟踪丢失率约为1.4%.
在多目标跟踪领域,传统算法假设目标是点源辐射体,至多产生一个量测点,随着现代 传感器技术的发展,可以获得一个目标的多个量测. 本文研究当目标具有一定刚体几何形状并产生 多量测的问题,这类目标称为多量测目标.首先,通过建立目标形状的刚体参数模型,提出采用参数马 尔科夫链采样的方法,估计目标的形状参数.其次,采用等效量测方法,获得目标形心 点的运动状态. 针对目标个数未知情况,在形状目标量测满足泊松分布假设条件下,采用泊松强度比方法获得目标的个数估计. 本文定义了目标类型概率并给出 了目标类型概率的递推算法. 最后,通过三个具有不同形状和分布的多量测目标在二维平面的匀速(Constant velocity, CV)运动进行验证说明,实验表明: 所给方法在目标运动状态估计方面能够获得比较高的估计精度,目标形状估计能够比较稳定精确地估计目标形状的变化. 此外, 500次蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)仿真实验表明,多量测目标的跟踪丢失率约为1.4%.
2013, 39(2): 179-187.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00179
摘要:
图像融合是提供包含各输入图像互补信息的单幅图像的有力工具. 本文提出了一种新的用于全色和多光谱图像融合的变分模型. 在Socolinsky对比度模型的基础上构造了一个改进的能量泛函最小化问题, 以寻找最接近全色图像梯度的解.为了提高多光谱图像的空间分辨率,并尽可能地保持其原有的光谱信息, 还将光谱一致项、波段间相关项和对比度增强项引入融合模型. 在IKONOS和QuickBird数据集上测试了该模型的性能.实验结果表明该模型可以生成同时具有高空间质量和高光谱质量的融合图像.
图像融合是提供包含各输入图像互补信息的单幅图像的有力工具. 本文提出了一种新的用于全色和多光谱图像融合的变分模型. 在Socolinsky对比度模型的基础上构造了一个改进的能量泛函最小化问题, 以寻找最接近全色图像梯度的解.为了提高多光谱图像的空间分辨率,并尽可能地保持其原有的光谱信息, 还将光谱一致项、波段间相关项和对比度增强项引入融合模型. 在IKONOS和QuickBird数据集上测试了该模型的性能.实验结果表明该模型可以生成同时具有高空间质量和高光谱质量的融合图像.
2013, 39(2): 188-196.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00188
摘要:
针对存在执行器故障的不确定系统,本文研究了一种H2鲁棒容错控制的设计.控制器包括三个功能: 1)利用径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络估计得到的近似非线性函数构成闭环控制,抵消系统的非线性特征; 2)能实现H2性能指标的最优控制; 3)利用滑模控制抑制模型估计误差以提高控制精度, 并且控制器具有指定稳定裕度的设计功能.文中提出了用于执行器故障估计的调整规则, 故障估计信息用于控制律的设计.基于Lyapunov函数,推导了满足H2最优性能的充分条件:非线性二次矩阵不等式. 为了降低计算成本,给出了不等式求解的简化算法,避免了在线求解非线性矩阵不等式.通过一个空间飞行器模型的仿真, 验证了本文提出方法的有效性.
针对存在执行器故障的不确定系统,本文研究了一种H2鲁棒容错控制的设计.控制器包括三个功能: 1)利用径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络估计得到的近似非线性函数构成闭环控制,抵消系统的非线性特征; 2)能实现H2性能指标的最优控制; 3)利用滑模控制抑制模型估计误差以提高控制精度, 并且控制器具有指定稳定裕度的设计功能.文中提出了用于执行器故障估计的调整规则, 故障估计信息用于控制律的设计.基于Lyapunov函数,推导了满足H2最优性能的充分条件:非线性二次矩阵不等式. 为了降低计算成本,给出了不等式求解的简化算法,避免了在线求解非线性矩阵不等式.通过一个空间飞行器模型的仿真, 验证了本文提出方法的有效性.
