2024年, 第31卷, 第2期　
刊出日期：2024-02-20

  

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  基于有限时间ADP的微波加热高钛渣温度跟踪控制

  杨彪, 杜婉, 李鑫培, 高皓, 刘承, 马红涛

  控制工程. 2024, 31(2): 193-202. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20211077

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  针对常规控制方法对微波加热过程控制效果不够理想的问题，提出一种基于数据驱动模型的有限时间自适应动态规划微波加热温度跟踪算法。算法包含模型网络、评价网络和执行网络，这3个网络的实现依赖于神经网络。模型网络实现微波加热过程的数据驱动建模，评价网络和执行网络实现最优性能指标函数和控制功率的逼近。最后将温度跟踪转化为误差的镇定。通过理论推导证明了算法的收敛性及最优性，并进一步开展了微波加热高钛渣温度跟踪实验和仿真研究。结果表明，算法能有效地跟踪高钛渣的加热过程，基于ELMAN神经网络的模型预测误差小于1℃，温度跟踪误差小于0.2℃，在工业微波加热中具有潜在的应用价值。
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  基于切换系统的独立微电网稳定控制设计

  孙丽颖, 林永鑫

  控制工程. 2024, 31(2): 203-211. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210448

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  独立微电网是一个复杂的非线性系统，为解决典型光储柴独立微电网在能源约束下存在控制单元切换的问题，提出将非线性切换系统理论应用到主从控制下的主控单元切换问题上。首先，当主从控制下的储能系统和柴油发电机分别作为主控单元时，将它们视为两个子系统，建立非线性切换系统模型。然后，应用多 Lyapunov 函数法分析切换系统的稳定性，同时利用 backstepping 方法分别设计子系统的非线性控制器，保留系统的非线性特征。最后，采用美国国家能源实验室开发的仿真软件中的硬充电策略作为切换策略， 保证切换过程中系统的稳定性。通过 MATLAB 仿真证明了所设计方法的有效性。
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  具有介质访问约束的网络化控制系统 H∞状态估计

  祝超群, 张磐, 王志文

  控制工程. 2024, 31(2): 212-221. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210707

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  研究了一类存在介质访问约束和信号量化的网络化控制系统的 H∞状态估计问题。首先，考虑到介质访问约束和信号量化的影响，将信号量化误差转化为扇形有界的不确定性，对由于访问约束而未获得网络传输的系统输出采用加权补偿策略，根据网络介质的随机访问机制将网络化系统建模为具有不确定性的马尔可夫跳跃系统。然后，在此基础上借助李雅普诺夫稳定性理论和 H∞性能约束条件，利用线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)方法给出状态估计器存在的充分条件，所设计的状态估计器使得估计误差系统渐近稳定且具有给定的 H∞性能。最后，通过仿真实例验证了该设计方法的有效性。
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  智能电网用电异常诊断和调控策略

  何冰洁, 李军祥, 咏梅

  控制工程. 2024, 31(2): 222-230. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210754

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  为了针对智能电网不同异常用电的原因制定分类调整方法，提出了基于二次根式函数电价调整和计算定界的策略，该策略基于自动过程控制和模糊综合评价进行监控、诊断及分类调整。首先，通过指数加权移动平均值作为自动过程控制的控制变量并确定上下界来监控用电量，建立监控模型；其次，用模糊综合评价法诊断异常用电原因；最后，根据不同原因制定分类调整策略，建立电价需求响应调整模型。算例仿真结果表明，提出的基于二次根式函数电价调整策略在调整频次、残差标准误差、全社会福利和电力公司利润等方面均优于线性函数调整。应用模糊综合评价方法能有效分析异常用电原因，制定分类调整策略能消除异常并获得平稳波动用电量。
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  基于优化堆叠自编码器的故障诊断方法

  李启泽, 徐琛, 陶洪峰, 杨慧中

  控制工程. 2024, 31(2): 231-237. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210790

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  针对当前堆叠自编码器故障诊断方法在识别有效分类特征方面的缺陷，提出一种基于 Fisher 判别准则优化的堆叠自编码器故障诊断方法。将 Fisher 判别准则中寻找最佳投影方向的特征学习方法融入到堆叠自编码器的预训练中，利用样本标签信息在堆叠自编码器的逐层非线性映射中学习最佳的投影方向。在 Fisher 判别准则优化的损失函数约束下训练，增加不同类别故障特征的类间距离，减小同类别特征的类内距离。由于在堆叠自编码器的预训练中，同时设计最小化重构特征和最大化分类特征的约束条件，预训练后的堆叠自编码器能够提取到更有效的特征信息，以提升最终故障诊断的准确率。通过在 Tennessee Eastman(TE)化工过程的应用验证了所提故障诊断方法的可行性。
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  一类复杂工业过程的数据驱动与 PID 协调控制

  颜克甲, 于海生, 孟祥祥

  控制工程. 2024, 31(2): 238-243. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210637

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  针对一类具有强非线性且难以建立精确数学模型的复杂工业过程，提出了一种基于 PID 与数据驱动的协调控制策略。在系统初始阶段，采用 PID 控制方法，不需要建立系统的数学模型，就能获得大量系统输入输出(I/O)数据。在系统稳态阶段，提出了多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)无模型自适应离散终端滑模控制(model-free adaptive discrete terminal sliding mode control, MFA-DTSMC)方法，该方法基于系统的紧格式动态线性化数据模型，且伪 Jacobian 矩阵(pseudo-Jacobian matrix, PJM)估计算法仅取决于被控对象的 I/O 测量数据。其次，设计了一种协调控制策略，实现了 PID 与数据驱动控 制器之间的协调控制。以双容水箱液位系统为例进行仿真实验，仿真结果验证了所提控制策略的有效性。
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  ARZ 交通流模型的时滞边界控制

  高彩霞, 赵东霞

  控制工程. 2024, 31(2): 244-252. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20220577

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  当使用时滞控制器(即瞬时位置和时滞位置线性组合的边界反馈控制律)控制 AwRascle-Zhang(ARZ)交通流模型时，闭环系统的指数稳定性与控制器增益以及时滞参数的选取有较大的关系。旨在建立时滞偏微分方程系统的适定性，并定量求取参数稳定域。首先，结合时滞反馈控制策略，建立偏微分方程-偏微分方程(partial differential equationpartial differential equation, PDE-PDE)耦合闭环系统。第二，采用算子半群方法将闭环系统改写为抽象发展方程的形式，进而讨论系统算子的可逆性及闭环系统的适定性。第三，构造加权严格 Lyapunov 函数，精确求解出闭环系统指数稳定时反馈参数及时滞值所满足的条件，求得的稳定域为抑制交通流的振荡提供了理论依据。最后，借助 MATLAB 数学软件进行数值模拟，仿真结果验证了时滞控制器的有效性。
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  基于事件触发控制的中立型神经网络簇同步

  邓伟伟, 高燕, 王春媛

  控制工程. 2024, 31(2): 253-261. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210921

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  研究了事件触发下带有 Lévy 噪声的中立型耦合神经网络的簇同步问题。首先，在混合时滞和不连续噪声的条件下，提出了一种事件触发机制与牵制控制方法结合的控制策略，应用于神经网络的簇同步中，以提高簇同步效率，缓解网络负担。然后，通过构建新的Lyapunov 泛函，以及使用线性矩阵不等式(linear matrix inequalities, LMI)分析技术和广义 Dynkin 公式，得到误差系统的簇同步准则，进一步保证了耦合神经网络的簇同步。最后，通过一个数值仿真，验证了所得结论的可行性。
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  某型涡扇发动机主调性能试验器转速闭环控制系统研究

  耿辉, 阎铁生, 周群, 杨宏, 林轩, 王德明

  控制工程. 2024, 31(2): 262-271. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20220816

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  为了解决人工手动测试无法再现某型涡扇发动机高压转子转速( 2 n )的摆动故障， 导致主燃油调节器维修效率低、维修质量差等问题，提出一种基于主燃油调节器性能试验 器的自动控制算法。根据发动机台架试车数据与理论分析提出一种分段模糊自适应 PID 控制算法，利用模糊控制理论建立 2 n 转速控制模型，实现 2 n 从起动到最大状态的稳定工作， 并筛选出引起转速摆动故障的主燃油调节器。试验结果表明，该控制系统能够在主燃油调节器性能试验器上进行 2 n 闭环控制，从慢车到最大状态稳定工作时的 2 n 转速与发动机台架试车数据基本一致，并且算法稳定性优于经典 PID 算法，能够在进行航空燃油燃烧的试车台试验之前，挑选出引起转速摆动故障的主燃油调节器。
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  改进萤火虫算法求解多目标柔性作业车间调度

  郑捷, 潘大志

  控制工程. 2024, 31(2): 272-280. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210770

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  针对多目标柔性作业车间调度问题，以最小化最大完工时间、最小化机器总负荷、最小化机器最大负荷为目标，提出一种改进邻域结构的离散萤火虫算法。首先，采用多种策略相结合的方式初始化种群，提高算法初始解质量以及种群多样性；其次，通过改进关键路径的邻域结构并设计离散萤火虫算法的位置更新公式，以增强算法全局搜索和局部搜索能力；最后，将该算法应用于标准数据集，并将求解结果与其他算法进行对比，验证了所提算法的有效性。
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  改进蝴蝶优化算法在护理人员路径规划与调度中的应用

  浦徐进, 李丽超, 付亚平

  控制工程. 2024, 31(2): 281-287. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210980

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  针对养老资源利用不充分的问题，提出一种同时考虑成本和顾客满意度的医疗护理人员的路径规划与调度，基于服务成本、顾客满意度两个方面建立多目标多家庭护理企业的路径优化模型。根据建立的优化模型，提出一种改进后的蝴蝶优化算法进行求解，将快速非支配排序与蝴蝶优化算法相结合，从而提高对最优解集的搜索效率，使得“蝴蝶” 能更好地追随最优“蝴蝶群”，提高收敛速度和保持解的多样性。实验结果表明，所提出的优化模型和算法能够兼顾成本和顾客满意度两个目标，得出最优解集。
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  含丢包和量化的网络控制系统随机鲁棒稳定

  王后能, 牛松梅, 李自成

  控制工程. 2024, 31(2): 288-294. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210850

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  针对一类含有随机丢包和考虑信号量化情况下的网络控制系统，通过量化状态反馈控制方法，研究了系统的随机鲁棒稳定性问题。采用满足伯努利分布的随机变量对丢包过程进行建模；同时，采用对数量化器对传感器-控制器通道的信号进行量化，利用扇形界的方法将产生的量化误差描述为扇形界的不确定性。设计状态反馈控制器，结合所设计的量化器和随机丢包模型，利用 Lyapunov 函数和线性矩阵不等式方法得到系统稳定和鲁棒稳定的充分条件。最后，利用数值仿真实例验证了所提方法的有效性。
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  基于新型趋近律的欠驱动系统解耦滑模控制

  岳聪聪, 于海生, 孟祥祥

  控制工程. 2024, 31(2): 295-300. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210877

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  针对二自由度欠驱动系统的控制问题，采用解耦的控制方法，设计了一种新型解耦滑模控制策略。考虑到滑模控制引起的系统抖振以及收敛速度慢的问题，提出了一种新型多幂次趋近律。该趋近律的第 3 个幂次项的指数参数设计为与滑模面相关的分段函数，第四项设计为滑模面的指数函数。控制器可以依据系统状态距离滑模面的远近自动调节参数，在不同的趋近阶段获得不同的趋近速度。以欠驱动倒立摆系统为控制对象，将该控制策略在 MATLAB/Simulink 平台上进行验证。仿真结果表明，提出的控制策略可以提高欠驱动系统的收敛速度，有效减小系统抖振和稳态误差。
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  考虑随机需求满足风险的第四方物流网络设计

  黄源赫, 练尚峰, 蒋松辰, 黄敏

  控制工程. 2024, 31(2): 301-308. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20211002

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  电商模式的迅速发展为客户线上购物带来了便利，同时也使得物流供应链系统中客户需求的不确定性显著增强，考虑需求满足风险的网络设计问题成为第四方物流(fourth party logistics, 4PL)运作模式下的重要研究问题。针对这一问题，以概率视角刻画了需求满足风险，并构建了考虑需求均值的混合整数线性规划模型和考虑需求满足风险的机会约束规划模型，在需求正态分布的情况下，针对机会约束模型中非线性特征难以处理的问题， 给出了一种基于需求正态分布的线性化方法，并给出了问题的等价线性模型。最后，通过数值实验对两种模型进行对比，验证了考虑需求满足风险的 4PL 网络设计模型的有效性和优越性，并探究了需求的随机性以及需求满足风险水平对网络设计的影响，给出了考虑需求满足风险的第四方物流网络设计的管理启示。
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  考虑双重 SOC 的混合储能系统功率协调控制

  金俊喆, 武鹏, 葛传九, 董祥祥, 陈蓓

  控制工程. 2024, 31(2): 309-316. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210472

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  为了降低直流微网系统中负载变化或者多源出力变化引起的功率波动，提出一种同时考虑蓄电池和超级电容荷电状态(state of charge, SOC)的混合储能协调控制策略。首先，分析直流微网系统协调控制原理，在此基础上，通过低通滤波器对所需平抑功率进行分频，低频功率由蓄电池承担，高频功率及系统开关的高频纹波由超级电容承担，根据频率响应确定了滤波器的时间常数调整原则；然后，将超级电容和蓄电池各自的 SOC 实时状态作为反馈观测量，根据两者的 SOC 状态并结合实际功率需求，将系统划分成 11 个工作模式，分析了不同工作模式下的功率需求，依据不同工作模式下的功率需求进行功率调整，进而实现功率二次分配；最后，将所提策略在 4 种典型情况下进行仿真验证，实验结果验证了该策略的有效性。
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  考虑区块链和政府补贴的绿色供应链决策

  梁喜, 刘怀英

  控制工程. 2024, 31(2): 317-330. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20211001

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  在由一个制造商和一个零售商组成的二级绿色供应链系统中，引入零售商对信息共享的敏感程度、区块链使用程度、单位产品绿色度补贴额及交易费用等影响因素，分析区块链应用及政府补贴对绿色供应链定价决策和利润的影响。研究表明：无论零售商是否引入区块链，政府对制造商绿色产品补贴时的产品价格、产品绿色度、制造商和零售商的利润均大于不补贴时的情形。无论政府是否提供绿色产品补贴，当引入区块链技术节省的交易费用较大时，引入区块链时的制造商利润要高于不引入的情形。而当区块链使用程度较高或区块链技术固定投入成本较低时，零售商利润要高于不引入的情形。
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  考虑充电设施的无人机配送路径规划研究

  冯文静, 卢福强, 王素欣, 毕华玲, 王雷震

  控制工程. 2024, 31(2): 331-340. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210977

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  为解决偏远农村地区物流配送存在的困难，对无人机配送进行系统性规划，共分 3 个阶段：考虑到续航里程限度，建立了充电设施选址模型；从绿色路由的角度，以最小化总能耗作为目标，建立了考虑充电设施的无人机多包裹配送路径规划模型；根据实际无人机数量进行任务分配，建立了任务分配模型。第一、三阶段的模型应用 SCIP 求解器求解。对第二阶段的混合整数非线性规划模型，设计了双层启发式算法 CW 节约-改进和修复乌鸦搜索算法(CW-IRCSA)求解。实验表明，对于洪格尔高勒镇的案例，充电设施的选址有利于节约资源，能得到能耗最低的配送路径，且任务分配合理；对于 100 个及以下的需求点规模，与 CW 节约-离散修复乌鸦搜索算法(CW-DRCSA)、CW 节约-修复模拟退火 (CW-RSA)相比，CW-IRCSA 算法具有较高的求解精确度；在偏远地区，相对于传统卡车配送模式，无人机配送成本平均节约 61.45%。
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  政府主导下的绿色旅游供应链的三方博弈分析

  冀诗瑶, 郭美含, 张瑞友, 孙林烨

  控制工程. 2024, 31(2): 341-351. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20211013

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  运用微分博弈理论对由政府、旅游景区和旅行社组成的绿色旅游供应链系统进行研究。分别建立了无政府参与时旅游景区和旅行社构成的两方博弈模型和政府主导的 Stackelberg 博弈模型。比较分析了在有无政府干预供应链的不同模式下，旅游景区和旅行社分别采取成本分担、协同合作或非合作契约时的均衡结果，并进行了数值仿真。研究表明，消费者的绿色偏好对绿色旅游的发展有积极影响。如果政府作为主导者参与旅游供应链，同时对旅游景区和旅行社的绿色服务水平进行补贴，且旅游企业之间达成成本分担的合作契约时，各主体以及旅游供应链整体的收益均达到最优，有效助力了绿色旅游的良性发展。
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  面向软体机械臂抓取的单目深度估计方法

  张竞豪, 邓礼楠, 沈逸

  控制工程. 2024, 31(2): 352-358. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20230534

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  软体机械臂在非结构化环境中执行物体抓取任务时，具有柔顺性和安全性的优势。但由于传统的立体视觉系统难以安装在软体机械臂上，软体机械臂获取目标物体的三维位置仍存在挑战。首先，建立了描述软体机械臂运动状态和目标物体位置的协作坐标系模型。随后，提出了一种改进运动恢复结构的单目深度估计方法：① 针对深度估计的实时性要求，提出采用主成分分析-尺度不变特征变换(principal component analysis-scale invariant feature transform, PCA-SIFT)方法对特征描述符降维；② 将机械臂末端的移动距离作为约 束恢复深度估计的真实尺度。最后，通过实验验证了所提出的协作坐标系和深度估计方法的有效性。实验结果表明，所提深度估计方法在多种光照和遮挡环境中，特征匹配时间缩短了 16.02%，平均误差控制在 5 mm 以内。
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  基于边缘提取与空洞卷积的抓取目标检测算法

  张晓寒, 张文彬, 赵景波

  控制工程. 2024, 31(2): 359-365. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210805

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  为解决当前工业机器人抓取检测任务中存在的精度不足的问题，提出了一种基于边缘提取与空洞卷积的抓取目标检测算法。该方法以当前较为稳定的 YOLOv3 网络作为主干网络，进行基于边缘提取的多通道特征融合，添加 Edge Feature 模块提高网络的检测精度和检测速度；基于空洞卷积技术优化自适应空间特征融合，形成 Dilation-ASFF 网络，替换原部分网络，提高网络对多尺度信息的感受能力以及网络检测精度；用 CIoU 的方法修改抓取框回归损失函数，提高网络的收敛能力与精度。改进后的算法在 Cornell 抓取检测数据集上的 AP 达到 96.79%，检测速度达到 0.063 s/样本，相比于原版 YOLOv3 网络，AP 提高了 2.98%。本改进算法在保证检测实时性的基础上，大大提高了检测精度，体现 了研究的理论价值和应用价值。
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  具有执行器故障及饱和的自主车队耦合滑模控制

  申浩阳, 岳伟

  控制工程. 2024, 31(2): 366-374. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210677

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  对带有执行器故障及饱和影响下的三阶非线性自主车队控制问题进行研究。首先，建立了考虑时变执行器故障、执行器饱和及集总扰动的三阶非线性自主车队模型。其次，在所建立的模型基础上，设计新的 PID 型耦合滑模面，提出了一种结合扰动观测器的耦合滑模控制算法，并证明了该控制器能够同时实现单车稳定性和车队队列稳定性的控制目标。最后，为了验证所提出控制算法的有效性，通过MATLAB 仿真工具箱，对由 5 辆车组成的自主车队进行数字仿真，并与 PID 类型的控制器进行比较，验证了所提控制算法的有效性和优越性。
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  复杂执行器非线性的不确定机器人变参数滑模非脆弱控制

  李智, 刘树博, 张志远

  控制工程. 2024, 31(2): 375-384. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20230528

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  针对机器人面临参数不确定性、复杂执行器非线性及控制器脆弱性的问题，提出了一种基于多项式平方和(sum-of-squares, SOS)理论的变参数滑模非脆弱控制(parametervarying sliding non-fragile control, PSNC)策略。首先，建立了具有复杂执行器非线性的机器人数学模型；其次，设计了一种新型伪奇异非脆弱保性能滑模面(non-fragile guaranteed cost sliding surface, NGCSS)，基于等效控制法推导了最优保性能滑模面存在的充分条件；最后，设计了非脆弱滑模自适应控制律，并基于 Lyapunov 方法对闭环系统的稳定性进行了分析。仿真结果表明，该控制器能够使机器人在复杂执行器非线性、控制器摄动和外部干扰作用下，快速、精确地跟踪期望轨迹，体现出了良好的鲁棒性和非脆弱性。