基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法

针对现有物理信息神经网络利用数值模拟近似物理控制方程带来的高计算代价、边界条件限制等问题,提出一种基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法。首先构建时序特征交替更新的非线性预测网络模型,再在频域建立基于傅里叶谱方法(FSM)的物理控制方程约束,时空数据在网络模型与频域控制约束耦合下实现无标签数据加速训练,完成系统演化学习。最后在Burgers系统上进行湍流预测验证,实验结果表明该方法可在物理规则约束下实现无标签非线性复杂建模,对比主流PINN模型及其变体,具有更快的学习速度与预测准确率。在t≤0.25 s、t≤0.5 s短时预测情况下,经前期20次训练后系统预测均方误差(MSE)相比主流基准模型同期预测,MSE降低了86%与95%,在t≤2 s长时预测情况下,经充分训练后系统预测MSE能降低80%。

基于风险分析确定水库汛限水位动态控制约束域研究

基于预报预泄原理推求水库汛限水位动态控制约束域,确定上限的依据是在洪水来临前将水位降低至固定(或者分期)汛限水位以下,确定下限的依据是在洪水退水阶段将水位回充至固定(或者分期)汛限水位以上。为充分考虑来水起涨、退水过程的不确定性,采用实测资料进行起涨阶段预泄和退水阶段回充调度,分别推求预泄末和回充末水位的经验频率分布,由此可建立风险分析模型,从理论上解决水库防洪标准不降低和退水阶段能回充等问题。以三峡水库正常运行期为背景,推求了主汛期汛限水位动态控制约束域的上、下限值,结果表明:即使不考虑水文预报误差,基于风险分析的动态控制域上限较采用预泄能力约束法上限低、下限高,提出的方法完善了基于预报预泄原理确定水库汛限水位动态控制域的理论。

具有控制约束的不确定离散系统最优保性能控制

对一类具有范数有界时变参数不确定性和控制输入约束的离散时间线性系统,采用线性矩阵不等式处理方法,导出了保性能控制律存在的条件,证明了该条件等价于一组线性矩阵不等式的可行性问题,并用这组线性矩阵不等式的可行解给出了保性能控制律的一个参数化表示。进而,通过建立并求解一个凸优化问题,给出了具有控制约束的不确定离散系统最优保性能控制律设计方法。

具有控制约束的连续线性系统的渐近稳定性

利用Lyapunov稳定性理论讨论了具有控制约束的时滞线性系统和不确定线性系统的渐近稳定性,并给出了如何检验闭环系统是全局渐近稳定(GAS)还是局部渐近稳定(RAS)的方法.最后,用算例说明了所提出方法的有效性.

具有控制约束的网络控制系统的鲁棒H_∞控制

针对具有控制约束的网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)的特点,建立了具有外部扰动的网络控制系统模型,对其H∞性能加以分析和研究,并验证所取得的理论成果。假设具有控制约束的网络控制系统的H∞控制器与执行器均为事件驱动,传感器为时间驱动,且网络诱导时延小于传感器的采样周期,然后将此类网络控制系统的广义被控对象建模为一类线性离散系统,运用Lyapunov函数和线性矩阵不等式(LMI),导出闭环系统渐近稳定且满足给定H∞性能指标的充分条件,并给出了控制器的具体求法。得到了系统的H∞控制器存在条件及具体方法,通过设计该控制器,使具有外部扰动的网络控制系统的性能有很大的改善,通过Matlab仿真证明该控制器行之有效。

基于控制约束的安全性验证方法

事件树、故障树等传统基于事件的验证方法难以考虑工程系统研发和运用过程中复杂交互作用对安全性的影响。依据社会-技术系统控制模型建立层次化安全控制结构,运用安全控制约束考查系统各层次组件间交互作用中可能存在的控制缺陷,实现对系统满足安全要求的验证,给出了一个对设计方案进行验证的应用示例。

制导问题中两类控制约束的等价性研究

本文根据Jacobson处理奇异最优控制计算问题的思想,研究了制导问题中控制硬约束和软约束之间的关系,结论表明两者在极限情况下是完全等价的.同时还给出了软约束带来的性能指标偏差区间.最后通过详细分析一平面拦截问题,证实了所给出的理论是正确的,并得到了许多有趣的结果.

考虑控制约束和不确定性的火星最优进入制导

针对火星进入段控制受约束、大气环境以及探测器自身参数不确定性等问题,提出控制受约束的火星最优鲁棒进入制导方法.将针对参数不确定系统的最优性能指标转换为针对标称系统的修正性能指标;同时考虑控制约束,在性能指标中引入饱和函数,将制导问题转化为求解修正Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB)方程问题;由于HJB方程是偏微分方程,求解有难度,利用神经网络的逼近能力近似求解.本文制导方法保证了不确定系统有最优的性能指标上界和较强的鲁棒性.最后将其应用到火星进入制导中,仿真结果表明系统存在不确定的情况下,仍可以很好地满足火星进入段终端条件,控制量也在约束的范围内,从而验证所提方法的有效性.

破产控制约束下组合投资:两阶段MiniMax模型

以绝对偏差函数作为风险测度,考虑不允许卖空约束条件下基于MiniMax的多期证券组合选择问题。为了避免在投资周期内破产事件的发生,增加了风险控制约束。利用动态规划和拉格朗日乘子法,给出了两阶段MiniMax投资组合模型最优解析策略。本文所提出策略可以为需要同时资产管理和破产控制的投资者提供决策依据。

线性控制系统最小控制约束的确定

文讨论如何确定形如≤M 的控制约束中的最小 M,使得在这样的最小约束下,线性控制系统 k(t)=A(t)+B(t)u(t)的状态空间中一给定区域S(δ)在有限时间间隔[t_0,T]内是原点可控的。当 i∈L_P^r[t_0,T]时,以文[2]为基础,对一般的 p∈[1,∞)给出了最小的 M;特别是在 P=2的情形,为了求得最小 M,我们只须计算方阵 W(T)=φ(t_0,t)B(t)B^r(t)φ~r(t_0,t)dt 的最小特征值即可,非常方便。另外,由本文的主要结论轻易地推出了文[5]的命题3.1。

具有混合状态—控制约束及端点约束的最优控制问题的最大值原理

本文讨论了具有混合状态—控制约束及端点约束的分布参数系统的最优控制问题。通过 Ｄｕｂｏｖｉｓｋｉｊ－ Ｍｉｌｕｊｉｎ 定理导出了最优控制所必须满足的 Ｐｏｎｔｒｙａｎｊｉｎ 最大值原理。

一种控制输入约束下的不确定离散系统非脆弱保性能控制器设计

【目的】针对考虑扰动及摄动情况下的控制输入约束的不确定离散系统,提出了非脆弱保性能的控制方法。【方法】首先,以最小化目标函数为性能指标、控制输入饱和范围为约束条件,从而推导出约束状态下的非脆弱保性能控制律。其次,使用李雅普诺夫方程来构造非线性矩阵不等式。再次,结合Schur补定理和布谷鸟群智能优化算法对不等式进行求解,得到控制输入约束下的非脆弱保性能控制律的参数。最后,通过Quanser三自由度陀螺仪平台进行试验验证。【结果】试验结果表明,本研究所提出方法的稳态误差浮动不超过0.07、跟踪误差不超过0.15。【结论】该方法在面对扰动及摄动情况时具有更高的鲁棒性,对提升三自由度陀螺仪的稳定性及控制精度具有重要意义。

关于具有控制约束的时变线性系统的容许控制的存在性问题

一、问题的提出讨论线性系统X（t）=A（t）X（t）+B（t）U（t）（1.1 Y（t）=C（t）X（t）（1.2）这里,t∈[0,+∞）,X（t）是n维状态变量,即系统的状态空间是n维欧氏空间Rn;U（t）和Y（t）分别是r维的输入（即控制）和m维的输出;A（t）、B（t）和C（t）分别是n×n、n×r和m×n阶的已知矩阵。并假设:输入U（t）的元在所考察的区间[t0,ta]是平方可积的。

基于偏微分方程约束的机器人群集运动控制系统设计

为充分发挥机器人群集的协作优势,克服单机器人能力不足问题,利用偏微分方程约束理论,设计机器人群集运动控制系统;扩大机器人群集间通信网络范围,改装机器人传感器、运动控制器和驱动电机设备;在硬件设备的支持下,考虑机械结构、运动与动力工作原理,建立机器人群集数学模型;分配机器人群集运动任务,利用偏微分方程规划机器人群集编队运动路径,设置规划路径作为机器人群集运动的约束条件;从位置和姿态角两个方面计算运动控制量,通过控制指令的生成与转换,实现系统的机器人群集运动控制功能;通过系统测试实验得出结论:与传统运动控制系统相比,在优化设计系统的控制下,机器人群集的运动跟踪控制误差为13 cm,机器人群集运动过程中产生的碰撞次数平均值为15次,得到明显减少,即优化设计系统具有良好的控制效果。

基于状态约束的PMLSM固定时间控制策略研究

针对永磁同步直线电机(PMLSM)速度与电流双闭环控制系统,提出基于状态约束的永磁同步直线电机固定时间控制策略。构造非对称障碍Lyapunov函数约束系统的速度跟踪误差,不使用复杂切换项设计固定时间滤波器,克服传统反步控制中的“微分爆炸”问题;构造固定时间干扰观测器对电机的负载扰动进行观测,将扰动补偿到控制系统中增强鲁棒性。理论分析证明系统在固定时间内有界收敛,能够将速度误差约束在合理的区间。基于Matlab仿真实验在给定速度0.5 m/s突加负载时,速度跟踪精度超过98%,相比较固定时间控制策略提高2%;扰动观测器的跟踪范围偏差不到1%,具有较高的观测精度。仿真和实验结果验证了本文控制策略的有效性。

基于奇异摄动的柔性关节机械臂约束跟随控制研究

针对二连杆柔性关节机械臂,提出了一种基于奇异摄动理论和Udwadia-Kalaba(U-K)方法的控制方法.设计步骤主要分为两步:第一,基于奇异摄动法对系统进行降阶,把系统拆分为快、慢系统,不仅降低了求解系统的阶次,而且克服了系统柔性;第二,基于U-K方法设计了快、慢系统的状态反馈约束跟随控制律,能使快、慢系统约束跟随误差收敛到零,即使系统初始不满足约束条件,该方法不需要借助Lagrange乘子和伪广义速度等辅助变量,可以同时处理完整约束和非完整约束.将以上方法运用在二连杆柔性关节机械臂系统中,解决了二连杆柔性关节机械臂的柔性振荡和约束跟随的问题.使用MATLAB进行仿真,并且与传统PID控制进行了对比,验证了所提出的方法的有效性与优越性.

基于弹性约束的轻质楼盖人致振动舒适度控制

考虑感知者、行人和结构三者相互的动力耦合作用,形成行人-楼盖-感知者全路径耦合振动模式,以概率的形式评估了轻质楼盖的振动舒适度,并对楼盖的过量振动采用弹性约束进行了控制.为体现弹性约束对楼盖人致过量振动的有效性,采用TMD控制与其进行对比.用DQ-IQ法处理建立的行人-楼盖-感知者耦合振动控制方程,以CFS组合楼盖为计算模型,得到当行人以不同步频在楼盖上行走时楼盖跨中与感知者的动力响应,并对比了采用TMD和弹性约束时的控制效果.以舒适度限值为参照标准,统计了在这两种控制措施下楼盖与感知者满足舒适度限值时的累积概率.结果表明,对于轻质楼盖,在刚度系数分别取0.5和3时,楼盖满足舒适度要求的概率由13.57%增加到86.98%,感知者的舒适度概率由11.75%增加到79.86%,极大程度地提高了舒适度概率,可为设计时边界条件转动刚度的选取提供参考.在刚度系数取2时,楼盖的舒适度概率为68.80%,而感知者的舒适度概率仅为57.97%,相差10.83%.在考虑人致振动时,感知者相对于结构在同等条件下更容易产生舒适度问题,建议在舒适度评估时增加感知者的加速度峰值.

基于伺服约束的无人作战平台跟随避让控制

针对无人作战平台在执行任务时需要跟随某一目标车辆,并护送目标车辆达到指定区域,但又要避免双方驶入自身的最小安全区域的问题,即跟随避让问题,提出了无人作战平台跟随避让控制方法。该文首先基于Udwadia-Kalaba理论的建模方法得到无人作战平台的动力学模型;考虑跟随避让和两者到达目标区域问题,分别建立跟随避让约束和到达约束,将无人作战平台系统的跟随避让问题转化成近似约束跟随问题,并建立约束跟随误差;针对无人作战平台在行驶时受到复杂的动态不确定性干扰的问题,设计自适应鲁棒控制器,利用Lyapunov稳定性理论证明系统误差一致有界和一致最终有界;最后进行数值仿真试验,验证该控制器的有效性。

碳三加氢装置鲁棒最小协方差约束控制及应用

碳三加氢反应器操作条件多变,并且存在级联反应,传统的手动操作配氢容易过加氢或漏炔,导致出口甲基乙炔(MA)和丙二烯(PD)浓度波动较大,还会影响催化剂的选择性和转化率。由于碳三加氢过程具有非线性、操作区域多变的特点,传统的基于线性模型的模型预测控制器在工业过程控制中存在较大的局限性。Hammerstein模型是一种将非线性稳态环节和线性动态环节串联的非线性模型,非常适合描述非线性工业对象且方便控制器设计。提出了一种基于Hammerstein模型的鲁棒最小协方差约束控制方法,Hammerstein模型的非线性稳态部分采用WaveARX神经网络逼近,并根据多操作点稳态输入输出数据进行辨识,通过机理分析辨识得到的操作点附近线性化模型作为线性动态部分,将非线性鲁棒控制问题转化为线性模型鲁棒约束控制和非线性环节求逆问题,基于Hammerstein模型的建模偏差,对模型输出偏差协方差上限进行约束并最小化,采用线性矩阵不等式求解出次优状态反馈控制律,再根据非线性部分的逆模型得到系统的控制输入,仿真及工业应用结果证实了所提方法的可行性和有效性。

计及不等式约束的坦克炮稳定系统约束跟随控制

该文针对新一代轻量化坦克在高速行驶时的身管稳定问题,提出一种高精度控制策略。基于负载系统的动力学特性,建立含不确定性的坦克炮稳定系统受控状态空间方程;考虑射击门及稳定精度限制,构建系统状态的不等式约束,并完成受限状态转换;量化系统不确定性边界,结合约束跟随控制思想,开展系统不确定控制设计。研究表明,所提方法可综合处理坦克炮稳定系统的强非线性和复杂时变不确定性,实现系统稳定精度可控,为复杂机械系统的时变不确定性抑制和误差控制提供理论指导。