2014年 第40卷 第11期
2014, 40(11): 2377-2390.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02377
摘要:
瘫痪病人的数量与日俱增,其康复训练通常是一个长期的过程.相对于传统的理疗,使用机器人辅助康复训练能够提高效率,降低成本,减少理疗师的人员和体力消耗,因此节省了康复医疗资源,并且可以完成更加多样的主被动训练策略,从而提高了康复效果.根据患者进行康复运动时的身体姿态,下肢康复机器人可分以下4类: 坐卧式机器人、直立式机器人、辅助起立式机器人和多体位式机器人,坐卧式又细分为末端式和外骨骼式,直立式进一步划分为悬吊减重(Suspending body weight support,sBWS) 式步态训练机器人和独立可穿戴式机器人.由于下肢康复机器人是与运动功能受损的患肢相互作用,为了给患者创造一个安全、舒适、自然的训练环境,机器人和患者之间的交互控制不可或缺.根据获取运动意图时所使用的传感器信号,交互控制可以基本分为两类: 1)基于力信号的交互控制; 2)基于生物医学信号的交互控制.在基于力信号的交互控制中,力位混合控制和阻抗控制是最为常用的两种方法; 而在基于生物医学信号的交互控制中,表面肌电 (Surface electromyogram,sEMG) 和脑电(Electroencephalogram,EEG) 最常被用于运动意图的推断.
瘫痪病人的数量与日俱增,其康复训练通常是一个长期的过程.相对于传统的理疗,使用机器人辅助康复训练能够提高效率,降低成本,减少理疗师的人员和体力消耗,因此节省了康复医疗资源,并且可以完成更加多样的主被动训练策略,从而提高了康复效果.根据患者进行康复运动时的身体姿态,下肢康复机器人可分以下4类: 坐卧式机器人、直立式机器人、辅助起立式机器人和多体位式机器人,坐卧式又细分为末端式和外骨骼式,直立式进一步划分为悬吊减重(Suspending body weight support,sBWS) 式步态训练机器人和独立可穿戴式机器人.由于下肢康复机器人是与运动功能受损的患肢相互作用,为了给患者创造一个安全、舒适、自然的训练环境,机器人和患者之间的交互控制不可或缺.根据获取运动意图时所使用的传感器信号,交互控制可以基本分为两类: 1)基于力信号的交互控制; 2)基于生物医学信号的交互控制.在基于力信号的交互控制中,力位混合控制和阻抗控制是最为常用的两种方法; 而在基于生物医学信号的交互控制中,表面肌电 (Surface electromyogram,sEMG) 和脑电(Electroencephalogram,EEG) 最常被用于运动意图的推断.
2014, 40(11): 2391-2403.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02391
摘要:
针对周期时变系统,提出一种鲁棒自适应重复控制方法.该方法利用周期学习律估计周期时变参数,并结合鲁棒自适应方法处理非周期不确定性.与现有重复控制不同的是,在控制器设计中引入了新变量—周期数,利用周期系统的重复特性,使界的逼近误差随周期数的增加而逐渐减少,保证了系统的全局渐近稳定性.同时将该方法应用于一类非线性参数化系统,使系统在非参数化扰动的情形下,输出误差仍能收敛于0,倒立摆模型的仿真验证了此结果.该设计方法适用于消除神经网络逼近误差对重复控制系统的影响,理论证明了基于神经网络的鲁棒自适应重复控制系统中所有变量的有界性和输出误差的渐近收敛性,关于机械臂模型的仿真结果验证了受控系统具有良好的跟踪性能.
针对周期时变系统,提出一种鲁棒自适应重复控制方法.该方法利用周期学习律估计周期时变参数,并结合鲁棒自适应方法处理非周期不确定性.与现有重复控制不同的是,在控制器设计中引入了新变量—周期数,利用周期系统的重复特性,使界的逼近误差随周期数的增加而逐渐减少,保证了系统的全局渐近稳定性.同时将该方法应用于一类非线性参数化系统,使系统在非参数化扰动的情形下,输出误差仍能收敛于0,倒立摆模型的仿真验证了此结果.该设计方法适用于消除神经网络逼近误差对重复控制系统的影响,理论证明了基于神经网络的鲁棒自适应重复控制系统中所有变量的有界性和输出误差的渐近收敛性,关于机械臂模型的仿真结果验证了受控系统具有良好的跟踪性能.
2014, 40(11): 2404-2413.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02404
摘要:
提出一种基于带观测器的条件状态反馈控制的仿人机器人相似性运动轨迹跟踪控制方法.首先,分析了7连杆双足机器人动力学模型,阐述了其运动能量方程与动力学特征方程; 其次,基于带观测器的状态反馈控制器原理,构建起三维倒立摆平衡控制模型; 最后,由线性二次型调节器确定状态反馈增益矩阵,使机器人轨迹跟踪误差最小化,以复现出较高相似度的双足步行运动效果.实验验证了该方法的有效性.
提出一种基于带观测器的条件状态反馈控制的仿人机器人相似性运动轨迹跟踪控制方法.首先,分析了7连杆双足机器人动力学模型,阐述了其运动能量方程与动力学特征方程; 其次,基于带观测器的状态反馈控制器原理,构建起三维倒立摆平衡控制模型; 最后,由线性二次型调节器确定状态反馈增益矩阵,使机器人轨迹跟踪误差最小化,以复现出较高相似度的双足步行运动效果.实验验证了该方法的有效性.
2014, 40(11): 2414-2419.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02414
摘要:
针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.
针对非线性桥式吊车系统,本文提出了一种新颖的基于摆角约束的轨迹规划方法.为了提高运送过程的效率和安全性,论文设计了期望轨迹以实现如下优点: 1)使台车很快到达目标位置; 2)将负载摆角抑制到可接受的范围之内; 3)当负载在目标位置停止时无残余摆动.具体而言,所设计的轨迹由三个阶段构成,每一阶段均根据抗摆和零残余摆角的要求来构造摆角曲线,在此基础上,利用桥式吊车的非线性运动学方程分析得到台车轨迹.论文引入了一种优化机制对运送时间,最大摆角等指标进行折衷考虑.文中通过仿真和实验结果表明了所设计的直接基于摆角约束的轨迹规划方法的性能.
2014, 40(11): 2420-2427.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02420
摘要:
以具有更大秘钥空间的分数阶超混沌系统为驱动系统和响应系统,利用具有实际应用意义的输出反馈滑模控制实现两个系统的同步.通过对同步误差系统方程进行结构分解,在辅助系统的基础上设计具有输出反馈特性的滑模控制律.在分数阶系统稳定性理论基础上利用MATLAB YALMIP工具箱对滑模参数进行整定,并利用分数阶Lyapunov稳定性定理证明了滑模控制律和自适应滑模控制律的稳定性.最后,数值仿真表明了本文方法的有效性和可行性.
以具有更大秘钥空间的分数阶超混沌系统为驱动系统和响应系统,利用具有实际应用意义的输出反馈滑模控制实现两个系统的同步.通过对同步误差系统方程进行结构分解,在辅助系统的基础上设计具有输出反馈特性的滑模控制律.在分数阶系统稳定性理论基础上利用MATLAB YALMIP工具箱对滑模参数进行整定,并利用分数阶Lyapunov稳定性定理证明了滑模控制律和自适应滑模控制律的稳定性.最后,数值仿真表明了本文方法的有效性和可行性.
2014, 40(11): 2428-2435.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02428
摘要:
针对回声状态网络存在的病态解以及模型规模控制问题,本文提出一种基于L1范数正则化的改进回声状态网络.该方法通过在目标函数中添加L1范数惩罚项,提高模型求解的数值稳定性,同时借助于L1范数正则化的特征选择能力,控制网络的复杂程度,防止出现过拟合.对于L1范数正则化的求解,采用最小角回归算法计算正则化路径,通过贝叶斯信息准则进行模型选择,避免估计正则化参数.将模型应用于人造数据和实际数据的时间序列预测中,仿真结果证明了本文方法的有效性和实用性.
针对回声状态网络存在的病态解以及模型规模控制问题,本文提出一种基于L1范数正则化的改进回声状态网络.该方法通过在目标函数中添加L1范数惩罚项,提高模型求解的数值稳定性,同时借助于L1范数正则化的特征选择能力,控制网络的复杂程度,防止出现过拟合.对于L1范数正则化的求解,采用最小角回归算法计算正则化路径,通过贝叶斯信息准则进行模型选择,避免估计正则化参数.将模型应用于人造数据和实际数据的时间序列预测中,仿真结果证明了本文方法的有效性和实用性.
2014, 40(11): 2436-2444.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02436
摘要:
供应中断和退货的不确定性,导致企业库存控制异常困难.然而,由于系统存在多个随机因素,采用传统方法很难构建模型,所以,以往均将供应中断和退货分开考虑.为综合分析它们对库存的影响,本文在采用布朗运动描述库存水平动态变化过程条件下,利用连续时间Markov链、更新过程和鞅理论,构建了系统期望折扣总费用模型,并设计了交叉熵法确定最优库存策略.最后,通过仿真实验,分析了供应中断、净需求和系统参数,对最优控制策略和期望费用的影响.
供应中断和退货的不确定性,导致企业库存控制异常困难.然而,由于系统存在多个随机因素,采用传统方法很难构建模型,所以,以往均将供应中断和退货分开考虑.为综合分析它们对库存的影响,本文在采用布朗运动描述库存水平动态变化过程条件下,利用连续时间Markov链、更新过程和鞅理论,构建了系统期望折扣总费用模型,并设计了交叉熵法确定最优库存策略.最后,通过仿真实验,分析了供应中断、净需求和系统参数,对最优控制策略和期望费用的影响.
2014, 40(11): 2445-2455.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02445
摘要:
在多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)非线性系统的执行器故障容错控制问题中,控制器能够处理的执行器故障集合的大小与执行器分组方法有很大关系.为扩大系统可处理的执行器故障集合,本文针对一类具有执行器故障的MIMO非线性最小相位系统,提出基于多模型切换(Multiple model switching and tuning,MMST)执行器分组的自适应补偿控制方法.考虑系统的执行器卡死、部分失效和完全失效故障,在微分几何反馈线性化的基础上,研究基于多模型切换的执行器分组切换指标和切换策略,设计了基于反演控制的自适应补偿跟踪控制律,所设计的控制律能保证系统在执行器故障时闭环稳定,渐近跟踪给定的参考信号,且提出的分组方法扩大了可补偿的执行器故障集合.仿真结果表明了本文设计方法的有效性.
在多输入多输出(Multiple-input multiple-output,MIMO)非线性系统的执行器故障容错控制问题中,控制器能够处理的执行器故障集合的大小与执行器分组方法有很大关系.为扩大系统可处理的执行器故障集合,本文针对一类具有执行器故障的MIMO非线性最小相位系统,提出基于多模型切换(Multiple model switching and tuning,MMST)执行器分组的自适应补偿控制方法.考虑系统的执行器卡死、部分失效和完全失效故障,在微分几何反馈线性化的基础上,研究基于多模型切换的执行器分组切换指标和切换策略,设计了基于反演控制的自适应补偿跟踪控制律,所设计的控制律能保证系统在执行器故障时闭环稳定,渐近跟踪给定的参考信号,且提出的分组方法扩大了可补偿的执行器故障集合.仿真结果表明了本文设计方法的有效性.
2014, 40(11): 2456-2468.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02456
摘要:
开源情报是反恐研究的一种新数据源,内容十分丰富且获取与分析技术日益成熟.目前,基于开源情报的反恐方面的研究成果已彰显出巨大应用前景.本文以“东突”分裂活动为研究对象,利用网络爬虫从万维网中获取相关文本数据,采用文本分析方法从这些数据中抽取“东突”分裂活动中涉及的人员、组织、时间和地点四要素,依据概念之间的关联关系构建多模元网络.首先 采用元网络分解法将多模元网络分解成单顶点子网络和二分子网络,通过对各个子网络进行中心性分析判别各类节点的重要性; 然后综合各个子网络的中心性指标形成人员、组织、时间和地点四类节点的重要性综合指数(Importance composite index,ICI).随后,进一步采用k-壳分解法直接对多模元网络进行分解,判别出元网络中的核心节点.经对比分析,发现本文的研究结果与实际结果吻合较好.
开源情报是反恐研究的一种新数据源,内容十分丰富且获取与分析技术日益成熟.目前,基于开源情报的反恐方面的研究成果已彰显出巨大应用前景.本文以“东突”分裂活动为研究对象,利用网络爬虫从万维网中获取相关文本数据,采用文本分析方法从这些数据中抽取“东突”分裂活动中涉及的人员、组织、时间和地点四要素,依据概念之间的关联关系构建多模元网络.首先 采用元网络分解法将多模元网络分解成单顶点子网络和二分子网络,通过对各个子网络进行中心性分析判别各类节点的重要性; 然后综合各个子网络的中心性指标形成人员、组织、时间和地点四类节点的重要性综合指数(Importance composite index,ICI).随后,进一步采用k-壳分解法直接对多模元网络进行分解,判别出元网络中的核心节点.经对比分析,发现本文的研究结果与实际结果吻合较好.
2014, 40(11): 2469-2479.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02469
摘要:
进化算法的迅速发展,为非凸约束优化问题的求解提供了有效途径,但目前常用优化算法还未能全面满足更为复杂的约束条件或目标分布对寻优方式灵活应变能力的特别需求.首先,本文研究发现,当优化问题在全局最优解的某一较小邻域内,依然分布有复杂的局部极值或可行域分布时,大多数进化算法中不灵活的探索与挖掘方式将会在寻优后期导致误收敛现象发生.其次,为解决这一难题,本文继续对问题特征与算法规则进行了深入探讨,并提出用于解决该类问题的迭代动态多样进化算法(IDDEA).该算法利用多智能体创建一种新型占优评估策略,并以此为基础设计出较优子区域的划分方式.本文所提子区域的划分,在充分发挥动态多样搜索进化方式的探索能力前提下迭代推进,逐步缩小寻优空间,进而使得寻优采样在收敛的同时,依然保持原有探索与挖掘的灵活权衡模式.再次,本文还提出一种最小惩罚函数,为IDDEA引入一种自适应惩罚机制,来动态调整不可行代理的适应度分配,从而有效避免了选择罚系数的难题.最后,IDDEA在若干工程优化设计问题中的成功应用表明,本文在合理的问题分析基础上,提供了更加有效的算法设计思路与成果.
进化算法的迅速发展,为非凸约束优化问题的求解提供了有效途径,但目前常用优化算法还未能全面满足更为复杂的约束条件或目标分布对寻优方式灵活应变能力的特别需求.首先,本文研究发现,当优化问题在全局最优解的某一较小邻域内,依然分布有复杂的局部极值或可行域分布时,大多数进化算法中不灵活的探索与挖掘方式将会在寻优后期导致误收敛现象发生.其次,为解决这一难题,本文继续对问题特征与算法规则进行了深入探讨,并提出用于解决该类问题的迭代动态多样进化算法(IDDEA).该算法利用多智能体创建一种新型占优评估策略,并以此为基础设计出较优子区域的划分方式.本文所提子区域的划分,在充分发挥动态多样搜索进化方式的探索能力前提下迭代推进,逐步缩小寻优空间,进而使得寻优采样在收敛的同时,依然保持原有探索与挖掘的灵活权衡模式.再次,本文还提出一种最小惩罚函数,为IDDEA引入一种自适应惩罚机制,来动态调整不可行代理的适应度分配,从而有效避免了选择罚系数的难题.最后,IDDEA在若干工程优化设计问题中的成功应用表明,本文在合理的问题分析基础上,提供了更加有效的算法设计思路与成果.
2014, 40(11): 2480-2489.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02480
摘要:
因受窑内高温、高粉尘等因素的影响,氧化铝回转窑火焰图像中往往存在噪声.针对现有火焰图像分割算法存在抗噪性差和计算时间长等问题,对斜分最大类间方差法(Otsu法)进行改进,提出一种基于改进斜分Otsu法的回转窑火焰图像分割算法.该算法采用简化的距离测度函数作为阈值选取标准,以减少计算量和便于多阈值扩展; 采用基于后处理原理的图像分割方式,以进一步增强算法的抗噪性; 运用分子动理论优化算法实现加快计算速度.某厂氧化铝回转窑火焰图像的分割实验表明,该算法抗噪性强,运算速度快,能较为精确地分割出火焰图像的背景区、黑把子、火焰区、辐射带、物料区等区域.
因受窑内高温、高粉尘等因素的影响,氧化铝回转窑火焰图像中往往存在噪声.针对现有火焰图像分割算法存在抗噪性差和计算时间长等问题,对斜分最大类间方差法(Otsu法)进行改进,提出一种基于改进斜分Otsu法的回转窑火焰图像分割算法.该算法采用简化的距离测度函数作为阈值选取标准,以减少计算量和便于多阈值扩展; 采用基于后处理原理的图像分割方式,以进一步增强算法的抗噪性; 运用分子动理论优化算法实现加快计算速度.某厂氧化铝回转窑火焰图像的分割实验表明,该算法抗噪性强,运算速度快,能较为精确地分割出火焰图像的背景区、黑把子、火焰区、辐射带、物料区等区域.
2014, 40(11): 2490-2498.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02490
摘要:
分布式无迹信息滤波(Distributed unscented information filter,DUIF)算法是一种有效的非线性分布式状态估计多源信息融合方法,然而当将该算法应用于稀疏无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSN)时,稀疏WSN中存在的无效节点会引起使滤波趋于发散的平均一致误差.针对该问题,本文提出一种改进DUIF算法.该算法不改变DUIF算法的级联结构,而是将其底层和上层滤波器分别改进为局部无迹信息滤波器(Local unscented information filter,LUIF)和加权平均一致性滤波器.LUIF对每个节点的局部多源观测信息进行局部融合,得到局部的后验估计信息向量和矩阵,进而将它们作为加权平均一致性滤波器的输入,最终得到不包含平均一致误差的分布式后验估计结果.其中,加权平均一致性滤波器是通过对由LUIF输出的局部后验估 计信息向量和矩阵分别进行平均一致性滤波而得以在改进DUIF算法框架下实现的.同时,在此过程中,相邻节点之间的状态估计互相关信息也被引入改进DUIF算法的输出结果中,进一步增强了滤波的可靠性.仿真实验结果表明,改进DUIF算法能够在稀疏WSN中对机动目标进行有效跟踪,在估计精度和抑制滤波发散方面明显优于标准DUIF算法.
分布式无迹信息滤波(Distributed unscented information filter,DUIF)算法是一种有效的非线性分布式状态估计多源信息融合方法,然而当将该算法应用于稀疏无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSN)时,稀疏WSN中存在的无效节点会引起使滤波趋于发散的平均一致误差.针对该问题,本文提出一种改进DUIF算法.该算法不改变DUIF算法的级联结构,而是将其底层和上层滤波器分别改进为局部无迹信息滤波器(Local unscented information filter,LUIF)和加权平均一致性滤波器.LUIF对每个节点的局部多源观测信息进行局部融合,得到局部的后验估计信息向量和矩阵,进而将它们作为加权平均一致性滤波器的输入,最终得到不包含平均一致误差的分布式后验估计结果.其中,加权平均一致性滤波器是通过对由LUIF输出的局部后验估 计信息向量和矩阵分别进行平均一致性滤波而得以在改进DUIF算法框架下实现的.同时,在此过程中,相邻节点之间的状态估计互相关信息也被引入改进DUIF算法的输出结果中,进一步增强了滤波的可靠性.仿真实验结果表明,改进DUIF算法能够在稀疏WSN中对机动目标进行有效跟踪,在估计精度和抑制滤波发散方面明显优于标准DUIF算法.
2014, 40(11): 2499-2511.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02499
摘要:
基因序列中,许多病毒并不是简单的直接复制自己,而是相邻字符间插入或者删除序列片段,如何从序列数据中检索这些病毒具有重要的研究价值.提出了一个更普遍的问题,带任意长度通配符的模式匹配问题(Pattern matching with arbitrary-length wildcards,PMAW),这里模式中不仅可以有多个通配符约束,而且每个通配符的约束可以是两个整数,也可以从整数到无穷大.给定序列S和带通配符的模式P,目标是从S中检索P的所有出现和每一次出现的匹配位置,并且要求任意两次出现不能共享序列中同一位置.为了有效地解决该问题,设计了两个基于位并行的匹配算法MOTW (Method of ocurrence then window)算法和MWTO (Method of window then ocurrence)算法.同时,MWTO算法进行细微改动就可以满足全局长度约束.实验结果既验证了算法求解问题的正确性,又验证了比相关的模式匹配算法具有更好的时间性能.
基因序列中,许多病毒并不是简单的直接复制自己,而是相邻字符间插入或者删除序列片段,如何从序列数据中检索这些病毒具有重要的研究价值.提出了一个更普遍的问题,带任意长度通配符的模式匹配问题(Pattern matching with arbitrary-length wildcards,PMAW),这里模式中不仅可以有多个通配符约束,而且每个通配符的约束可以是两个整数,也可以从整数到无穷大.给定序列S和带通配符的模式P,目标是从S中检索P的所有出现和每一次出现的匹配位置,并且要求任意两次出现不能共享序列中同一位置.为了有效地解决该问题,设计了两个基于位并行的匹配算法MOTW (Method of ocurrence then window)算法和MWTO (Method of window then ocurrence)算法.同时,MWTO算法进行细微改动就可以满足全局长度约束.实验结果既验证了算法求解问题的正确性,又验证了比相关的模式匹配算法具有更好的时间性能.
2014, 40(11): 2512-2520.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02512
摘要:
研究了广义时变脉冲系统的输入输出时域稳定问题.基于矩阵微分不等式(Differential matrix inequalities,DMI),给出了两个上述系统输入输出时域稳定的充分条件分别对应 L2干扰输入和 L∞干扰输入.这样的条件要求矩阵微分不等式解的存在性.接下来根据给出的充分条件设计了控制器,使得闭环系统输入输出时域稳定.本文的结果对于一般情况下的广义时变系统同样适用.最后,给出了两个算例来验证结果的有效性.
研究了广义时变脉冲系统的输入输出时域稳定问题.基于矩阵微分不等式(Differential matrix inequalities,DMI),给出了两个上述系统输入输出时域稳定的充分条件分别对应 L2干扰输入和 L∞干扰输入.这样的条件要求矩阵微分不等式解的存在性.接下来根据给出的充分条件设计了控制器,使得闭环系统输入输出时域稳定.本文的结果对于一般情况下的广义时变系统同样适用.最后,给出了两个算例来验证结果的有效性.
2014, 40(11): 2521-2529.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02521
摘要:
对一类控制增益为未知函数的不确定严格反馈系统的预设性能反演控制进行研究.首先,提出一种新的变参数约束方案,放宽了对初始跟踪误差已知的限制,并通过误差转化将不等 式约束的受限系统转化为非受限系统.随后,通过引入积分型Lyapunov函数,避免了因控制增益未知而引起的系统奇异问题.最后,综合应用自适应技术、径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络和反演控制技术完成了控制器的设计,系统中的未知函数利用RBF神经网络直接进行逼近.所设计的控制器能够满足预设性能的要求,且保证闭环系统所有的状态量有界.仿真研究证明了控制器设计方法的有效性.
对一类控制增益为未知函数的不确定严格反馈系统的预设性能反演控制进行研究.首先,提出一种新的变参数约束方案,放宽了对初始跟踪误差已知的限制,并通过误差转化将不等 式约束的受限系统转化为非受限系统.随后,通过引入积分型Lyapunov函数,避免了因控制增益未知而引起的系统奇异问题.最后,综合应用自适应技术、径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络和反演控制技术完成了控制器的设计,系统中的未知函数利用RBF神经网络直接进行逼近.所设计的控制器能够满足预设性能的要求,且保证闭环系统所有的状态量有界.仿真研究证明了控制器设计方法的有效性.
2014, 40(11): 2530-2540.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02530
摘要:
为降低基于单一调节回路的超紧耦合结构存在的反作用影响,设计了一种基于双回路的超紧耦合结构.基于此,为解决所设计结构中跟踪环路的非线性滤波问题,针对测量异常误差和动力学模型误差,提出了一种基于抗差自适应容积卡尔曼滤波(Robust adaptive cubature Kalman filter,RACKF)的超紧耦合跟踪算法.该算法采用稳健M估计调整容积卡尔曼滤波 (Cubature Kalman filter,CKF)算法,对观测量中粗差的影响“程度”进行探测和处理,以减小观测量异常误差产生的影响,同时利用自适应调节因子对算法进行调节修正,以处理动态扰动误差引入的影响.实验结果表明: 所提出的方法能有效地处理模型不准确所引入的误差,较好地实现全球定位系统(Global positioning system,GPS)卫星信号的高精度和稳定跟踪,其跟踪性能远优于基于单一回路的跟踪方法,同时优于基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)和基于CKF的跟踪方法,提升了导航系统在高动态条件下的适应性能.
为降低基于单一调节回路的超紧耦合结构存在的反作用影响,设计了一种基于双回路的超紧耦合结构.基于此,为解决所设计结构中跟踪环路的非线性滤波问题,针对测量异常误差和动力学模型误差,提出了一种基于抗差自适应容积卡尔曼滤波(Robust adaptive cubature Kalman filter,RACKF)的超紧耦合跟踪算法.该算法采用稳健M估计调整容积卡尔曼滤波 (Cubature Kalman filter,CKF)算法,对观测量中粗差的影响“程度”进行探测和处理,以减小观测量异常误差产生的影响,同时利用自适应调节因子对算法进行调节修正,以处理动态扰动误差引入的影响.实验结果表明: 所提出的方法能有效地处理模型不准确所引入的误差,较好地实现全球定位系统(Global positioning system,GPS)卫星信号的高精度和稳定跟踪,其跟踪性能远优于基于单一回路的跟踪方法,同时优于基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)和基于CKF的跟踪方法,提升了导航系统在高动态条件下的适应性能.
2014, 40(11): 2541-2548.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02541
摘要:
在动态切换拓扑中研究了带有参数不确定性和单向信息交互的网络化Euler-Lagrange系统的协同控制问题.针对通信拓扑随时间变化的问题,利用有效的局部信息交互设计了一个分布式控制律,并利用自适应技术解决了系统动力学中的参数不确定性问题.通过构造一个连续的Lyapunov函数,证明了系统在切换拓扑的并图存在一棵有向生成树的频率足够高时即可实现网络同步.此外,进一步拓展使用简单的干扰观测器或滑模控制方法进一步研究了该协同策略下的干扰抑制问题.最后,以五颗异构航天器的姿态同步为背景,通过数值仿真及其对照说明了所提合作控制策略的有效性.
在动态切换拓扑中研究了带有参数不确定性和单向信息交互的网络化Euler-Lagrange系统的协同控制问题.针对通信拓扑随时间变化的问题,利用有效的局部信息交互设计了一个分布式控制律,并利用自适应技术解决了系统动力学中的参数不确定性问题.通过构造一个连续的Lyapunov函数,证明了系统在切换拓扑的并图存在一棵有向生成树的频率足够高时即可实现网络同步.此外,进一步拓展使用简单的干扰观测器或滑模控制方法进一步研究了该协同策略下的干扰抑制问题.最后,以五颗异构航天器的姿态同步为背景,通过数值仿真及其对照说明了所提合作控制策略的有效性.
2014, 40(11): 2549-2555.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02549
摘要:
讨论了一般线性模型的多智能体系统具有时变采样间隔的采样数据一致性问题.首先基于连续时间模型,利用采样数据的离散时间特性分析时变采样间隔允许的上界.由于不考虑采样间隔之间的状态,Lyapunov函数仅需要在每个采样时刻保证递减.由此得到了一个利用线性矩阵不等式求解更低保守性的时变采样间隔上界的方法.接着通过参数化矩阵变量得到了基于线性矩阵不等式的控制器设计方法.最后数值仿真展示了理论结果的正确性.
讨论了一般线性模型的多智能体系统具有时变采样间隔的采样数据一致性问题.首先基于连续时间模型,利用采样数据的离散时间特性分析时变采样间隔允许的上界.由于不考虑采样间隔之间的状态,Lyapunov函数仅需要在每个采样时刻保证递减.由此得到了一个利用线性矩阵不等式求解更低保守性的时变采样间隔上界的方法.接着通过参数化矩阵变量得到了基于线性矩阵不等式的控制器设计方法.最后数值仿真展示了理论结果的正确性.
2014, 40(11): 2556-2562.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02556
摘要:
讨论了同时受外部扰动,输入时滞以及网络模型不确定的多智能体系统的趋同控制.通过定义一个适当的控制输出,我们将这个问题转化一个鲁棒H∞控制问题.基于此,我们给出了两个判断闭环多智能体系统趋同的准则,并且运用锥补线性化算法得到状态反馈控制器的参数.最后,给出一个仿真用以验证我们趋同算法的有效性.
讨论了同时受外部扰动,输入时滞以及网络模型不确定的多智能体系统的趋同控制.通过定义一个适当的控制输出,我们将这个问题转化一个鲁棒H∞控制问题.基于此,我们给出了两个判断闭环多智能体系统趋同的准则,并且运用锥补线性化算法得到状态反馈控制器的参数.最后,给出一个仿真用以验证我们趋同算法的有效性.
2014, 40(11): 2563-2572.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02563
摘要:
针对参数不确定条件下的网络化拉格朗日系统,提出了一种基于Lyapunov理论的分布式自适应协调控制器设计方法.区别于现有的网络化拉格朗日系统控制方法,本文的方法适用于更广泛的有向通信拓扑系统,即只要求通信拓扑包含一棵具有动态领导节点的生成树.进一步考虑邻节点系统的速度信息未知的情形,提出一种基于分布式滤波器的自适应协调跟踪控制方法.最后,给出了一个网络化多机械臂实验平台,进行了实验研究,验证了算法的有效性.
针对参数不确定条件下的网络化拉格朗日系统,提出了一种基于Lyapunov理论的分布式自适应协调控制器设计方法.区别于现有的网络化拉格朗日系统控制方法,本文的方法适用于更广泛的有向通信拓扑系统,即只要求通信拓扑包含一棵具有动态领导节点的生成树.进一步考虑邻节点系统的速度信息未知的情形,提出一种基于分布式滤波器的自适应协调跟踪控制方法.最后,给出了一个网络化多机械臂实验平台,进行了实验研究,验证了算法的有效性.
2014, 40(11): 2573-2584.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02573
摘要:
提出了处理高阶线性多智能体系统一致性问题的线性变换.该线性变换将一致性问题转化为一个部分稳定问题.研究了一般线性协议下线性多智能体系统的三个问题: 1) 寻找一致性收敛判据; 2) 计算一致性函数; 3) 设计线性一致性协议的增益矩阵.具体来说,提出了基于矩阵 Hurwitz 稳定的一致性收敛的充分必要条件,给出了一致性函数的解析表达式,同时建立了一致性协议的增益矩阵与多智能体系统收敛时间和一致性精度的关系,并针对预先给定的收敛时间和精度要求设计了增益矩阵.
提出了处理高阶线性多智能体系统一致性问题的线性变换.该线性变换将一致性问题转化为一个部分稳定问题.研究了一般线性协议下线性多智能体系统的三个问题: 1) 寻找一致性收敛判据; 2) 计算一致性函数; 3) 设计线性一致性协议的增益矩阵.具体来说,提出了基于矩阵 Hurwitz 稳定的一致性收敛的充分必要条件,给出了一致性函数的解析表达式,同时建立了一致性协议的增益矩阵与多智能体系统收敛时间和一致性精度的关系,并针对预先给定的收敛时间和精度要求设计了增益矩阵.
2014, 40(11): 2585-2594.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02585
摘要:
研究了分簇传感网络分布式融合Kalman滤波器.根据最邻近原则将传感网络分成簇,每簇由传感节点和簇首组成.应用极大极小鲁棒估计原理,基于带噪声方差最大保守上界的最坏保守系统,对带不确定性噪声方差的分簇传感网络系统提出了两级鲁棒观测融合Kalman滤波器.当传感器数量非常多的时候它可以明显减小通信负担.在鲁棒性分析中利用Lyapunov方程方法证明了局部和融合Kalman滤波器的鲁棒性.提出了鲁棒精度的概念,并证明了局部和融合鲁棒Kalman滤波器之间的鲁棒精度关系.证明了两级加权观测融合器的鲁棒精度等价于相应的全局集中式鲁棒融合器的鲁棒精度,并且高于每个局部观测融合器的鲁棒精度.一个仿真例子说明上述结果的准确性.
研究了分簇传感网络分布式融合Kalman滤波器.根据最邻近原则将传感网络分成簇,每簇由传感节点和簇首组成.应用极大极小鲁棒估计原理,基于带噪声方差最大保守上界的最坏保守系统,对带不确定性噪声方差的分簇传感网络系统提出了两级鲁棒观测融合Kalman滤波器.当传感器数量非常多的时候它可以明显减小通信负担.在鲁棒性分析中利用Lyapunov方程方法证明了局部和融合Kalman滤波器的鲁棒性.提出了鲁棒精度的概念,并证明了局部和融合鲁棒Kalman滤波器之间的鲁棒精度关系.证明了两级加权观测融合器的鲁棒精度等价于相应的全局集中式鲁棒融合器的鲁棒精度,并且高于每个局部观测融合器的鲁棒精度.一个仿真例子说明上述结果的准确性.
2014, 40(11): 2595-2601.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02595
摘要:
研究单向通信拓扑领航者动态未知线性多智能体系统的协同跟踪问题.基于邻居的相对状态信息,设计了分布式迭代学习控制律实现对领航者的协同跟踪控制,采用Lyapunov-Krasovskii函数分析闭环系统的稳定性与收敛性.进而,将状态反馈结论拓展到输出反馈,通过构造局部观测器估计不可量测的状态信息,采用估计的相对状态信息设计了分布式迭代学习控制器.对于以上两种情形,多智能体系统在通讯拓扑含有生成树的条件下能够实现与领航者的状态同步,同时,所设计的分布式迭代学习律能够对领航者未知输入进行精确估计.仿真实例验证了所提方法的有效性.
研究单向通信拓扑领航者动态未知线性多智能体系统的协同跟踪问题.基于邻居的相对状态信息,设计了分布式迭代学习控制律实现对领航者的协同跟踪控制,采用Lyapunov-Krasovskii函数分析闭环系统的稳定性与收敛性.进而,将状态反馈结论拓展到输出反馈,通过构造局部观测器估计不可量测的状态信息,采用估计的相对状态信息设计了分布式迭代学习控制器.对于以上两种情形,多智能体系统在通讯拓扑含有生成树的条件下能够实现与领航者的状态同步,同时,所设计的分布式迭代学习律能够对领航者未知输入进行精确估计.仿真实例验证了所提方法的有效性.
2014, 40(11): 2602-2608.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02602
摘要:
针对带有不确定时变通信延时的有向网络多智能体系统的平均一致性问题,本文首先深入分析了弱连接且平衡的固定/切换拓扑特性.然后,通过分解系统状态变量,建立了初始系统的降维综合模型.考虑降维模型带有不确定时变延时,基于Jensen's不等式和最近提出的新型互凸方法,得到了系统平均一致性的充分条件,特别是,给出了与目前研究结果相比具有更小保守性的时变通信延时上界.最后,数值仿真验证了提出方法的可行性和有效性.
针对带有不确定时变通信延时的有向网络多智能体系统的平均一致性问题,本文首先深入分析了弱连接且平衡的固定/切换拓扑特性.然后,通过分解系统状态变量,建立了初始系统的降维综合模型.考虑降维模型带有不确定时变延时,基于Jensen's不等式和最近提出的新型互凸方法,得到了系统平均一致性的充分条件,特别是,给出了与目前研究结果相比具有更小保守性的时变通信延时上界.最后,数值仿真验证了提出方法的可行性和有效性.
2014, 40(11): 2609-2617.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02609
摘要:
研究了有向切换信息拓扑和时变时滞下离散时间线性多智能体系统的一致性问题.首先,通过适当的线性变换把一致性问题转化为相应的时变时滞线性切换系统的渐近稳定问题; 然后,利用构建的李亚普诺夫函数和平均驻留时间模式,建立了一致性问题可解的基于线性矩阵不等式的时滞依赖充分条件,研究了如下两种情形: 1)所有信息拓扑都是可一致的,2) 部分信息拓扑是可一致的; 最后,数值实例验证了结果的正确性.
研究了有向切换信息拓扑和时变时滞下离散时间线性多智能体系统的一致性问题.首先,通过适当的线性变换把一致性问题转化为相应的时变时滞线性切换系统的渐近稳定问题; 然后,利用构建的李亚普诺夫函数和平均驻留时间模式,建立了一致性问题可解的基于线性矩阵不等式的时滞依赖充分条件,研究了如下两种情形: 1)所有信息拓扑都是可一致的,2) 部分信息拓扑是可一致的; 最后,数值实例验证了结果的正确性.
2014, 40(11): 2618-2624.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02618
摘要:
研究了由线性和非线性动态自主体组成的异构多自主体系统的有限时间一致性问题.针对该异构系统提出了非线性的一致性协议,并分别给出了无领航者和有领航者情形下异构系统在有限时间内实现一致性的充分条件.所得结果还推广到具有有向通信拓扑且满足细致平衡条件的多自主体系统情形.最后,给出一些仿真结果来验证所得结论的正确性和有效性.
研究了由线性和非线性动态自主体组成的异构多自主体系统的有限时间一致性问题.针对该异构系统提出了非线性的一致性协议,并分别给出了无领航者和有领航者情形下异构系统在有限时间内实现一致性的充分条件.所得结果还推广到具有有向通信拓扑且满足细致平衡条件的多自主体系统情形.最后,给出一些仿真结果来验证所得结论的正确性和有效性.
2014, 40(11): 2625-2631.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02625
摘要:
以高速铁路普遍采用的动力分散式动车组为研究对象.针对动车组由若干动力单元相互耦合组成的结构特点,以各动力单元为智能体.结合动车组牵引特性曲线和实际运行数据,应用减法聚类和模式分类算法建立各智能体多模型集.依据各智能体网络拓扑结构和相互耦合约束关系,建立动车组多智能体模型.针对各智能体的耦合约束,采用PID和GPC相结合的平稳起动切换控制策略和基于邻域优化的多智能体分布式协调控制算法,实现各智能体对给定速度的同步跟踪.基于CRH380A型动车组运行数据的仿真结果验证了本文方法的有效性.
以高速铁路普遍采用的动力分散式动车组为研究对象.针对动车组由若干动力单元相互耦合组成的结构特点,以各动力单元为智能体.结合动车组牵引特性曲线和实际运行数据,应用减法聚类和模式分类算法建立各智能体多模型集.依据各智能体网络拓扑结构和相互耦合约束关系,建立动车组多智能体模型.针对各智能体的耦合约束,采用PID和GPC相结合的平稳起动切换控制策略和基于邻域优化的多智能体分布式协调控制算法,实现各智能体对给定速度的同步跟踪.基于CRH380A型动车组运行数据的仿真结果验证了本文方法的有效性.
2014, 40(11): 2632-2642.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02632
摘要:
针对带观测滞后和不确定噪声方差的分簇多智能体传感网络系统,研究鲁棒序贯协方差交叉融合Kalman滤波器的设计问题.应用最邻近法则,传感网络被分成簇.应用极大极小鲁棒估计原理,基于带噪声方差最差保守上界的最差保守传感网络系统,提出了两级序贯协方差交叉(SCI)融合鲁棒稳态Kalman滤波器,可减小通信和计算负担并节省能量,且保证实际滤波误差方差有一个最小保守上界.一种Lyapunov方程方法被提出用于证明局部和融合滤波器的鲁棒性.提出了鲁棒精度的概念且证明了局部和融合鲁棒Kalman滤波器的鲁棒精度关系.证明全局SCI融合器的鲁棒精度高于每簇SCI融合器的精度且两者的鲁棒精度都高于每个局部鲁棒滤波器的精度.一个跟踪系统的仿真例子证明了鲁棒性和鲁棒精度关系.
针对带观测滞后和不确定噪声方差的分簇多智能体传感网络系统,研究鲁棒序贯协方差交叉融合Kalman滤波器的设计问题.应用最邻近法则,传感网络被分成簇.应用极大极小鲁棒估计原理,基于带噪声方差最差保守上界的最差保守传感网络系统,提出了两级序贯协方差交叉(SCI)融合鲁棒稳态Kalman滤波器,可减小通信和计算负担并节省能量,且保证实际滤波误差方差有一个最小保守上界.一种Lyapunov方程方法被提出用于证明局部和融合滤波器的鲁棒性.提出了鲁棒精度的概念且证明了局部和融合鲁棒Kalman滤波器的鲁棒精度关系.证明全局SCI融合器的鲁棒精度高于每簇SCI融合器的精度且两者的鲁棒精度都高于每个局部鲁棒滤波器的精度.一个跟踪系统的仿真例子证明了鲁棒性和鲁棒精度关系.
2014, 40(11): 2643-2649.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02643
摘要:
针对不确定线性多变量系统,提出一种基于干扰观测器(Disturbance observer,DOB)的保证系统内部稳定性的控制策略.以简单的结构和少量的计算代价实现鲁棒的控制效果,补偿外界干扰以及内部模型误差.通过引入一个闭环稳定性等价系统,辅助分析基于干扰观测器的多变量控制系统的内部稳定性,探讨在存在外部扰动及内部模型不确定性的情况下系统保证内部稳定的充分条件,指导外环控制器及内环干扰观测器中Q滤波器的设计.通过数值模型上的仿真验证了提出的控制方法的有效性.
针对不确定线性多变量系统,提出一种基于干扰观测器(Disturbance observer,DOB)的保证系统内部稳定性的控制策略.以简单的结构和少量的计算代价实现鲁棒的控制效果,补偿外界干扰以及内部模型误差.通过引入一个闭环稳定性等价系统,辅助分析基于干扰观测器的多变量控制系统的内部稳定性,探讨在存在外部扰动及内部模型不确定性的情况下系统保证内部稳定的充分条件,指导外环控制器及内环干扰观测器中Q滤波器的设计.通过数值模型上的仿真验证了提出的控制方法的有效性.
2014, 40(11): 2650-2653.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02650
摘要:
在将误差谱度量推广应用到动态系统滤波器的评估时,整个时间轴上将绘出一个三维图,不直观且不利于分析.为了解决这一难题,提出一个新的度量—动态误差谱,并给出了三种不同应用背景下的计算形式.其中一种采用了几何平均的形式因而可以给出较为“公正”的评估结果,可直接应用于动态系统.接着从新的角度把这一度量应用于对四种非线性滤波算法的评估,仿真结果验证了动态误差谱这一新度量的有用性和有效性.
在将误差谱度量推广应用到动态系统滤波器的评估时,整个时间轴上将绘出一个三维图,不直观且不利于分析.为了解决这一难题,提出一个新的度量—动态误差谱,并给出了三种不同应用背景下的计算形式.其中一种采用了几何平均的形式因而可以给出较为“公正”的评估结果,可直接应用于动态系统.接着从新的角度把这一度量应用于对四种非线性滤波算法的评估,仿真结果验证了动态误差谱这一新度量的有用性和有效性.
2014, 40(11): 2654-2664.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02654
摘要:
针对主旋翼升力和机身姿态受限的6自由度模型无人直升机的轨迹跟踪控制问题设计了一种非线性控制器.在控制器设计过程中,直升机的数学模型被简化为三个子系统: 姿态子系统,纵-侧向子系统和高度子系统,所设计的控制器由针对这三个子系统的子控制器组成.纵-侧向和高度子控制器基于双曲正切函数进行设计,以保证满足受限条件; 姿态子控制器利用反步法设计,使得机身姿态能够跟踪纵-侧向和高度子系统的虚拟控制.本文在理论上证明了闭环系统跟踪误差最终有界,并且控制器满足受限条件.仿真结果证实了所设计控制器的性能.
针对主旋翼升力和机身姿态受限的6自由度模型无人直升机的轨迹跟踪控制问题设计了一种非线性控制器.在控制器设计过程中,直升机的数学模型被简化为三个子系统: 姿态子系统,纵-侧向子系统和高度子系统,所设计的控制器由针对这三个子系统的子控制器组成.纵-侧向和高度子控制器基于双曲正切函数进行设计,以保证满足受限条件; 姿态子控制器利用反步法设计,使得机身姿态能够跟踪纵-侧向和高度子系统的虚拟控制.本文在理论上证明了闭环系统跟踪误差最终有界,并且控制器满足受限条件.仿真结果证实了所设计控制器的性能.
2014, 40(11): 2664-2672.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2014.02664
摘要:
针对异构网络中不同类型网络及每个通道在不同时刻所产生的网络诱导延时和数据丢包不同,使得异构网络环境下H2/H∞ 滤波更加困难的新问题,不同于目前广泛研究的单种类型网络环境下的H2/H∞滤波方法,首先,深入分析了异构网络通信特性并给出了数学描述公式,然后,建立了融合多通道异构网络通信约束的滤波误差动态系统综合模型.基于Lyapunov-Krasovskii 理论,证明了在已知有线网络和无线网络分别存在的最长网络诱导延时情况下,所设计的滤波器使得滤波误差动态系统随机稳定且满足给定的H2/H∞ 性能指标.仿真验证该方法可行且有效.
针对异构网络中不同类型网络及每个通道在不同时刻所产生的网络诱导延时和数据丢包不同,使得异构网络环境下H2/H∞ 滤波更加困难的新问题,不同于目前广泛研究的单种类型网络环境下的H2/H∞滤波方法,首先,深入分析了异构网络通信特性并给出了数学描述公式,然后,建立了融合多通道异构网络通信约束的滤波误差动态系统综合模型.基于Lyapunov-Krasovskii 理论,证明了在已知有线网络和无线网络分别存在的最长网络诱导延时情况下,所设计的滤波器使得滤波误差动态系统随机稳定且满足给定的H2/H∞ 性能指标.仿真验证该方法可行且有效.
