非线性分布参数切换系统事件触发采样迭代学习控制

本文研究了一类非线性分布参数切换系统事件触发采样迭代学习控制问题。基于系统的输入和系统的输出数据采样,利用Lyapunov函数的方法得出事件触发条件,使得控制器只在事件触发条件被满足时才更新,有效地减少了迭代学习过程中控制器的更新。通过严格的数学推导证明了事件触发采样迭代学习控制的收敛性。最后,通过数值仿真实验验证了算法的有效性。

基于多系统协调的密封舱压力智能化控制

掘进面地层水土压力和密封舱压力相平衡是盾构机安全掘进的关键,密封舱压力控制是当前盾构研究的热点。研究根据场切深指数(Field penetration index,FPI)及扭矩切深指数(Torque penetration index,TPI)指标判断土体参数,实现地质的在线识别,为盾构机推力、扭矩和推进速度的设定提供依据。根据质量守恒定律并考虑盾构密封舱渣土的可松性,建立土压平衡盾构密封舱压力控制机理模型,并通过模型预测控制器进行多系统协调控制。对比常规比例-积分-微分(Proportionintegration-differentiation,PID)控制器,多系统协调控制具有更优的控制性能,使盾构机处于工况稳定,掘进快速,节能高效的理想状态。

基于异步优势演员-评论家的交通信号控制方法

针对现有基于深度强化学习的交通信号控制方法的模型学习和决策成本高的问题,提出基于异步优势演员-评论家(A3C)算法的单交叉口交通信号控制方法.在模型输入端分别从交叉口和车道2个不同维度构建车辆权重增益网络,对采集的车辆状态信息进行预处理.设计新的奖励机制,提出融合车辆权重增益网络的A3C算法.基于微观交通仿真软件SUMO的仿真测试结果表明,相比于传统的交通信号控制方法和基准强化学习方法,所提方法在低、中、高3种不同的交通流量状态下,均能够取得更好的交通信号控制效益.

工业控制系统的信息安全问题研究

分析了工业控制系统的安全要求、典型的威胁与攻击形式,阐释了工业控制系统信息安全与传统IT信息安全的区别;分析了现有的控制系统信息安全的解决思路,结合SP800-82工业控制系统(ICS)安全指南,介绍了控制系统网络防护的主要措施;总结了热点研究趋势,包括安全通讯协议和安全控制器的设计。

基于Dueling Double DQN的交通信号控制方法

为了提高交叉口通行效率缓解交通拥堵,深入挖掘交通状态信息中所包含的深层次隐含特征信息,提出了一种基于Dueling Double DQN(D3QN)的单交叉口交通信号控制方法;构建了一个基于深度强化学习Double DQN(DDQN)的交通信号控制模型,对动作-价值函数的估计值和目标值迭代运算过程进行了优化,克服基于深度强化学习DQN的交通信号控制模型存在收敛速度慢的问题;设计了一个新的Dueling Network解耦交通状态和相位动作的价值,增强Double DQN(DDQN)提取深层次特征信息的能力;基于微观仿真平台SUMO搭建了一个单交叉口模拟仿真框架和环境,开展仿真测试;仿真测试结果表明,与传统交通信号控制方法和基于深度强化学习DQN的交通信号控制方法相比,所提方法能够有效减少车辆平均等待时间、车辆平均排队长度和车辆平均停车次数,明显提升交叉口通行效率。

传输时延和时钟同步对以太网控制系统的影响

在分析报文传输时延和时钟同步精度对EPA网络(工业以太网)控制系统的实时性和稳定性的影响的基础上,提出了新的基于马尔科夫链的时延模型.给出了在系统稳定的情况下,通信宏周期、协议传输时延和时钟同步精度应满足的条件.建立了无丢包情况下的EPA网络控制系统模型.提出了EPA控制系统稳定时,可以设置的最小通信宏周期的计算方法.

逻辑控制器设计与离散事件系统监控理论

物联网等通信技术将越来越多的控制元件集成起来,导致系统规模快速增长,逻辑控制规范也日益复杂,任何逻辑错误都可能造成重大事故和人身灾难,再加上"维数灾"问题,安全可靠的逻辑控制程序的设计和调试面临巨大的计算复杂性难题.而离散事件系统监控理论旨在研究复杂控制规范的设计和实现问题,将连锁、互斥、字符串语言等复杂控制逻辑描述为自动机或Petri网,然后转换为可编程逻辑控制器或现场可编程门阵列上执行的程序代码.本文综述了现有的逻辑控制器的形式化设计方法,主要涉及如何利用监控理论(自动机或Petri网)来缩短程序开发周期、提高程序可重用性和确保程序可靠性和安全性等问题.

基于混合类电磁机制算法的混沌系统控制与同步

混沌系统控制与同步可通过优化方法设计控制律引导混沌系统轨道来实现.类电磁机制优化算法(EM)是模拟电磁场带电粒子间吸引-排斥行为机制的一种启发式搜索方法.目前还尚未在混沌系统控制与同步问题中得到应用.本文提出一种混合类电磁机制优化算法(HEM)用于求解该优化问题,该方法采用修改的类电磁机制算法(REM)与差分进化算法(DE)相融合平衡算法对解空间的全局探索和局部开发能力,基准函数测试表明混合算法改善了全局搜索能力及求解可靠性.在此基础上,采用HEM算法引导混沌系统的轨道,搜索施加于系统的小扰动使其轨迹在短时间内跟踪到目标区域:再将混沌系统的同步问题转化为在线轨道导引问题,采用HEM优化算法解决通过典型离散Henon映射为例,数值仿真结果表明了该方法是解决混沌系统控制与同步的一种有效方法.

基于LPV模型的燃料电池空气进气系统控制

质子交换膜燃料电池是一种通过氢气和氧气的电化学反应将化学能直接转化为电能的装置。提出一种改进的四阶燃料电池进气系统模型,分析了系统的约束性。针对系统模型所具有的非线性特性,提出建立线性变参数(LPV)模型用于对系统的控制。针对状态变量不可测的问题引入卡尔曼滤波器,同时通过可观性分析得出系统所需测量的最佳变量。在符合约束条件下设计基于线性变参数模型的状态空间模型预测控制器,控制空压机的工作电压保证氢气燃料的充分反应。仿真结果表明,基于LPV模型的模型预测控制器能够对空气进气系统进行有效的控制,且满足空压机喘振和阻塞边界等约束条件,与单模型预测控制相比具有更好的控制效果。

采用多尺度主成分分析的控制系统欺骗攻击检测

针对工业控制系统中存在的正弦欺骗攻击,以控制系统的典型回路为研究对象,建立数学模型;利用傅里叶变换、小波分析,从时间-尺度域分析其在攻击能力和隐蔽性方面与一般性欺骗攻击的不同特性;将多尺度主元分析(MSPCA)用于正弦攻击检测,提出在线检测算法.在TE过程上进行仿真研究,结果表明,正弦攻击不但能够造成物理破坏,而且伤害较隐蔽.当正弦攻击的频率较高时,通过传统的主成分分析(PCA)方法无法检测,所提出的方法能快速准确地检测出攻击.

信标基底的可选择性在制造系统死锁控制中的应用

本文基于Petri网模型,讨论柔性制造系统的死锁控制问题.为了建立结构简单的Petri网控制器,本文在以前的工作中提出了信标基底的概念.信标基底是一组满足特定条件的严格极小信标集合.本文证明基于不同的信标基底,建立的受控系统其容许性能也不同.而容许性是评价死锁控制策略优劣的重要标准之一.故如何选择信标基底,提高受控系统的容许性能是值得研究的问题.本文讨论了使受控系统容许性能大大提高的信标基底的选择条件.基于该条件,为柔性制造系统建立有效的死锁控制策略.最后,通过两个例子解释该条件和策略.

基于攻击增益的工业控制系统物理层安全风险评估

通过借鉴多输入多输出(MIMO)系统中变量配对的思想,基于相对增益阵列(RGA)设计衡量闭环状态下每个输出对不同攻击输入的敏感程度的指标,即闭环攻击增益矩阵.结合逼近理想解(TOPSIS)法,提出定量分析工业控制系统物理层安全风险的评估方法.通过精馏塔实验平台的案例分析,直观地展现攻击效果,验证闭环攻击增益矩阵的正确性,得出控制回流比的设备区域在该控制系统物理层中安全风险最大.实验结果表明,该评估方法能较全面地结合被控对象的客观属性,科学合理地量化评估工业控制系统物理层中潜在的安全风险.

故障安全通信系统的研究与设计

针对工业通信中可能出现的各种故障,研究并设计一种故障-安全通信协议。首先基于黑色通道的通信结构,设计序列号、CRC校验、时间监视和SIL等级监视等安全措施;其次提出故障安全通信协议的软件实现方案;最终在验证平台上进行测试。实验结果表明,安全通信层可以有效地监测通信状态,保证系统在出现故障时的安全性,满足SIL3等级要求。

四旋翼飞行器力学模型与控制系统设计

针对四旋翼飞行器系统具有非线性、强耦合性、多输入的欠驱动以及系统不确定性的问题,提出采用分段串级PID控制策略.将该方法与经典的PID控制相结合,可以很好地消除外部扰动.设计中首先对系统进行了动力学建模和姿态解算,然后对系统硬件和软件进行了优化设计.对该飞行器系统在近地环境下进行了飞行测试,结果表明:完成了垂直起降、悬停、任意旋转等动作,在对其施以外界干扰时能自动调节,并迅速恢复到平稳状态,实现了飞行器平衡稳定的飞行效果.

工业网络控制系统协同安全性能优化

研究了在节点安全互相关特性及服务质量要求下,工业网络控制系统中网络节点安全性能部署优化问题.由网络化节点安全性能互相关的理论,引入协同安全系数表征节点安全性能,同时分析网络节点安全措施及计算性能对系统实时性的影响,以最小化网络部署总成本为目标,建立优化问题.进而采用凸规划理论将对偶问题分解为安全配置与性能配置分布式问题并使用次梯度方法求解.数值仿真结果验证了节点的互相关特性、以及安全性和实时性的制约关系,并表明该模型可以获得收敛的优化解,对工业控制网络设计与部署有指导意义.

基于伪谱展开的抛物型系统镇定与边界观测研究(英文)

模型截断设计方法在无限维系统控制中得到广泛的应用,但是其自身存在信息丢失的缺陷而限制了控制器对高频扰动抑制的性能.本文研究具有内部和Neumann边界控制的抛物型系统,其中系统采用边界测量.内部控制采用比例反馈形式,其中反馈增益核由Sturm-Liouville系统稳定性分析来待定;类似地,边界反馈的设计也采用待定反馈增益核的方式,最终对描述系统稳定性的Sturm-Liouville系统采用伪谱方法进行求解.数字仿真结果表明了该方法的有效性.

控制系统性能评估中干扰通道模型的选择

控制系统性能评估是过程控制领域的研究热点,理论研究得到了极大重视,在工业上也得到了一定的应用。性能评估的理论依据最小方差控制律属于随机系统最优控制范畴,与传统的控制理论中控制系统通常作为确定性系统来研究存在差异。Eriksson等人曾注意到在某些条件下,基于最小方差控制的性能评估结果可能存在问题。简略介绍了单回路反馈控制中的最小方差控制实现,以及ARMA和FCOR两种性能指标估计算法,并在Eriksson等人工作的基础上,针对典型的一阶/二阶加纯滞后过程以及积分加纯滞后过程进行仿真实验,对比控制系统的设定值跟踪性能,研究了干扰通道模型的不同对性能评估结果的影响,最后指出在应用性能评估方法时需根据干扰信号注意样本序列的选取。

纯碱生产蒸氨过程智能优化控制及其应用

为了提高纯碱生产蒸氨过程的综合自动化水平、实现节能降耗,该文在单座蒸氨塔预测控制的基础上,提出了一种蒸氨过程智能协调优化控制策略。针对蒸氨过程大时滞、时变、多变量耦合等复杂特性和多座蒸氨塔并行作业的运行情况,建立了蒸氨塔动态数学模型,并将单塔两层优化控制与多塔智能协调优化相结合,实现了蒸氨过程的智能优化控制。仿真与工业应用结果表明,上述方法不仅能明显改善过程控制性能,而且能实现每吨纯碱降低氨耗0.21 kg、蒸汽消耗16 kg的节能降耗效果。

基于FPGA的控制系统高速总线的设计与实现

为了提高控制系统的通信速度和效率,研究高速总线的系统架构,设计并实现具有高实时性,高吞吐率,易扩展等特点的基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的控制系统高速总线(LHSB),物理层采用多点低压差分信号(M-LVDS)标准,实现256 Mbps的高速串行通信,数据链路层通过实时的链路状态维护实现多路径优化选择的网络冗余,保证通信可靠性的同时使带宽的利用率最大化.通过Xilinx XC3S400A FPGA对设计方案进行实现和实际测试,结果表明,高速总线与当前主流的控制系统总线相比,通信速度和实时性能有了明显的提升,并最大程度的满足上层应用的需要.

带有非线性不确定奇异系统的积分滑模控制

针对一类含有非线性不确定的奇异系统,提出了一种面向性能的鲁棒控制器.控制器由3部分组成:积分滑模控制、附加的非线性控制及复合非线性反馈控制.积分滑模控制可将匹配不确定完全抵消并使系统轨迹进入理想滑模;附加的非线性控制用来抑制理想滑动模态上非匹配不确定对系统稳定性和性能的影响;复合非线性反馈控制则保证闭环系统输出按性能要求渐近地跟踪参考输入信号.最后通过算例说明所提算法的有效性.