大系统控制论与复杂网络——探索与思考

随着通信技术和网络技术的飞速发展,在社会、经济乃至日常生活领域中,出现了越来越多的复杂动态网络.网络科学作为一门新兴的交叉学科,对复杂动态网络性能特征、演化进程和控制方法的研究已取得了丰富的成果.大系统控制论以高维动态大系统的行为分析和控制优化为主要研究内容,应该能为复杂网络的研究提供有益的借鉴.本文针对复杂动态网络研究的一些热点问题,探索了用大系统控制理论和方法解决复杂网络结构分析和控制的可能性,分析了面临的困难和应对的思路.针对大规模复杂动态网络的控制和优化,提出了集网络科学的宏观分析方法、控制科学的定量设计方法和信息科学的智能处理方法于一体的多层递阶结构.

通讯信息约束下具有全局稳定性的分布式系统预测控制（英文）

本文针对一类由状态相互耦合的子系统组成的分布式系统,提出了一种可以处理输入约束的保证稳定性的非迭代协调分布式预测控制方法(distributed model predictive control,DMPC).该方法中,每个控制器在求解控制率时只与其它控制器通信一次来满足系统对通信负荷限制;同时,通过优化全局性能指标来提高优化性能.另外,该方法在优化问题中加入了一致性约束来限制关联子系统的估计状态与当前时刻更新的状态之间的偏差,进而保证各子系统优化问题初始可行时,后续时刻相继可行.在此基础上,通过加入终端约束来保证闭环系统渐进稳定.该方法能够在使用较少的通信和计算负荷情况下,提高系统优化性能.即使对于强耦合系统同样能够保证优化问题的递推可行性和闭环系统的渐进稳定性.仿真结果验证了本文所提出方法的有效性.

滑模控制下多Euler-Lagrange系统预设时间二分一致性

本文研究了具有外部干扰的多Euler-Lagrange系统预设时间滑模二分一致性问题.通过设计分布式控制协议,使得具有动态领导者的多Euler-Lagrange系统在预设时间内到达滑模面,从而进一步在另一预设时间内实现二分一致性.本文采用的终端滑模控制方法可以在克服外部干扰的基础上保证系统在预设时间内实现期望的控制目标.最后,通过数值仿真验证了理论结果的可行性和有效性.

工业网络系统的感知-传输-控制一体化:挑战和进展

工业网络系统是融合工业控制和信息通信的多维动态系统,具有维度高、动态性强、工业通信协议和网络配置嵌入等特性,如何在网络环境下实现信息感知分布性、控制适应性、整体协调性,已成为工业网络系统研究的新挑战.本文简述了工业网络系统的内涵和主要特征,分析了感知–传输–控制一体化面临的挑战和关键问题;综述了分布式状态感知、适变传输、协同控制等关键技术的研究进展;对工业网络系统的未来研究方向和潜在应用前景进行了总结和展望.

运动控制系统课程体系改进与创新

通过对上海交通大学自动化系本科生、研究生教学实践的研究改进、创新人才培养方法的推广应用,建立了理论教学与创新实践相结合的运动控制系统课程新教学方法。在"十一五"教材的基础上,通过增加新内容和丰富教学参考书,研制应用于实践教学的机器人系统,创建竞赛机器人实验室,突破传统的训练式教育模式,建立了以人工智能和机器人为主题、以创新实践与国际化为手段的运动控制系统课程教学新模式,为自动化专业运动控制系统课程体系建设积累了经验。

六自由度机械臂约束预测控制系统的设计

本文提出了一种基于约束预测控制的机械臂实时运动控制方法.该控制方法分为两层,分别设计了约束预测控制器和跟踪控制器.其中,约束预测控制器在考虑系统物理约束的条件下,在线为跟踪控制器生成参考轨迹;跟踪控制器采用最优反馈控制律,使机械臂沿参考轨迹运动.为了简化控制器的设计和在线求解,本文采用输入输出线性化的方式简化机械臂动力学模型.同时,为了克服扰动,在约束预测控制器中引入前馈策略,提出了带前馈一反馈控制结构的预测控制设计.因此,本文设计的控制器可以使机械臂在满足物理约束的条件下快速稳定地跟踪到目标位置.通过在PUMA560机理模型上进行仿真实验,验证了预测控制算法的可行性和有效性.

具有结构不确定性的时滞系统的闭环鲁棒预测控制器(英文)

针对具有结构不确定性的时滞系统,设计了闭环鲁棒预测控制算法.该控制算法基于控制不变集方法,通过采用双模控制和闭环控制策略,增加了控制设计的自由度,进而扩大了系统的初始可行域并能获得较优的控制性能.仿真结果验证了该方法的有效性.

基于差分进化的模糊PID复合控制在汽轮机转速调节系统中的应用

为了改善汽轮机调速系统的动态响应特性以及稳定性,采用模糊PID复合控制,首先建立对象的数学模型,并通过差分进化算法对控制器参数离线寻优,最后基于Matlab平台对方法进行了验证.仿真结果表明:该方法在处理负载突变情况时,相比传统的PID控制器有更好的响应,稳定时间和超调率均有较大改进;当模型参数发生改变时,模糊PID复合控制也有更好的鲁棒性.该方法结合了模糊控制的快速动态响应以及PID控制的稳态性能,具有超调小、鲁棒性好、响应快等优点,明显改善了汽轮机转速调节系统的控制品质.

电厂过热汽温串级系统的约束预测控制

针对实际电厂过热汽温系统中减温水阀门受到物理约束限制,外环控制器计算的设定值造成执行机构饱和从而影响系统性能的问题,提出了串级预测控制算法,并采用约束预测控制算法进行求解,在系统约束范围内求得系统性能的优化解,对电厂过热汽温控制系统进行了仿真论证.仿真结果表明,过热汽温系统控制量能被有效控制在约束范围内,并且系统保持了良好的运行结果.

网络化控制系统的预测控制方法设计

网络化控制系统(NCSs)是一种通过实时化网络进行数据传输的控制系统。控制系统中的传感器、控制器、执行器等往往通过网络连接起来形成闭环控制系统。然而实际系统中由于带宽限制等客观因素,存在有因网络诱导延迟而引起的系统性能下降问题。考虑了前向通道,反馈通道中同时存在网络诱导时延情况下的网络预测控制(NPC)设计问题,提出了一种新的网络预测控制方法,用以克服网络诱导时延对系统性能带来的影响。

城市轨道交通列车运行控制系统仿真分析与研究

列车运行控制系统保障着城市轨道交通网络的安全与效率,为了提高列车运行控制系统的设计效率,需要采用计算机辅助设计软件进行仿真分析。介绍了一种城市轨道交通列车运行控制系统仿真平台。该平台可以在多种信号系统制式下针对不同的车型及轨道线路进行牵引计算、闭塞设计和线路运行能力分析,并具有对仿真结果进行人工调整的功能。运用所设计的仿真平台,在双红灯固定闭塞制式下对某城市轨道交通线路进行了仿真分析,验证了仿真平台的有效性。

网络系统中动态矩阵控制的稳定性条件

网络控制系统中的时滞和丢包会影响控制器的稳定性;因此,传统的动态矩阵控制器设计方法无法适应网络化环境.本文针对这一问题设计了一种改进型动态矩阵控制器.通过建立缓存器将不确定时滞转化为固定时滞;并提出了一种更新系统单位阶跃响应系数的方法,用来处理时滞对控制器的影响.采用一次性传输整个控制序列的方法,避免了丢包时需要更新控制量的问题.此外,进一步分析了该控制系统的稳定性问题,给出了考虑时滞和丢包信息的系统稳定性充分条件.最后通过实时仿真软件示范了如何确定允许的最大时滞和丢包.验证了该方法的有效性.

基于动态矩阵的随机时延丢包网络控制系统

针对网络控制系统(NCS)中存在的时延可能大于一个采样周期,以及网络传输存在丢包可能的情况,提出了改进的动态矩阵控制(DMC)算法,通过在线纠正系统的阶跃响应系数来处理时延造成的系统误差,并通过建立缓存器,当数据传输过程中出现丢包时利用动态矩阵算法计算控制量及未来输出预测值的冗余信息来替代丢失的实时信息,减少丢包对系统性能的影响.最后通过基于TrueTime的实时仿真系统研究,对比了不同时延及丢包率情况下改进算法与传统动态矩阵控制算法的效果,表明随着时延和丢包率的增大,改进动态矩阵算法的优势明显,从而验证了该方法的有效性.

分布参数系统的时空ARX建模及预测控制

本文针对一类可由抛物型偏微分方程描述的分布参数系统,研究了一种基于输入输出数据的建模与控制方法.首先利用Karhunen-Loève(K-L)分解提取系统的一组主导空间基函数,并以此对系统输出进行时空分解,随后由时空分解得到的时间系数部分以及系统激励构成输入输出信息,利用最小二乘法辨识出时域ARX模型,最后针对该模型设计了广义预测控制器.仿真结果表明,上述控制方法能够对分布参数系统取得良好的控制效果.

自动驾驶汽车实验教学平台研发

自动驾驶已成为未来汽车技术发展的主要方向之一。为使学生理解并掌握自动驾驶核心技术,研发了基于快速控制原型的自动驾驶汽车实验教学平台。平台集成了感知传感器、快速控制原型设备及线控底盘系统,能够基于MATLAB/Simulink搭建自动驾驶控制模型,并借助快速控制原型设备实现自动驾驶功能的开发与实验,为高校教学与实践奠定实验基础。

切换非线性系统全局优化运行的经济预测控制

切换非线性系统在不同模式间平稳切换和经济切换是全局优化运行的主要需求.针对不同模式有限时域下控制算法可行域未必存在交集的系统,提出了对应的经济预测控制算法(Economic model predictive control,EMPC)及切换策略.切换发生时,该方法在实时优化层求解和更新可行中间点,并构造基于耗散的局部EMPC辅助性能指标,在考虑中间点稳定性问题上使其尽可能逼近原经济性能.在先进控制层,利用局部EMPC将状态逐次稳定至中间点,同时利用中间点问题得到的最优轨迹保证模式间的经济切换.最后,分析了切换过程的暂态经济性.该方法实际可操作性强,仿真结果说明了方法的有效性.

《控制理论》课程柔性实验教学实践探讨

本文主要讨论在实验教学环节如何培养学生的创新能力。论文分析了《控制理论》课程的教学对象的特点和经典控制实验的过程特点,在实验教学的内容和实施目标中引入一定的柔性设计。实践表明这种尝试发挥了学生在实验过程中的积极性和主动性,培养了学生自主学习的习惯,提高了学生的系统性思维能力和实验设计能力。

基于递阶预测控制的多微电网系统能量管理

微网能量优化管理是实现微网经济、高效运行的重要保障。针对由多个相互关联的微电网组成的多微电网系统,提出基于分解-协调思想的递阶预测控制能量优化管理方法。通过协调利用多微电网系统中富余/缺省的能量,实现微电网的供需平衡和供电成本最小化。首先,根据多微电网系统中能量在微电网间的分配关系,建立多微电网系统的能量流动模型和能量管理优化问题;然后,采用对偶分解方法将多微电网能量管理优化问题分解成两层结构,并引入拉格朗日协调因子,通过迭代更新协调求得最优解。最后,通过数值仿真证明文中提出的算法能有效提高新能源利用率,并实现对用户负荷需求的实时跟踪。

多速率分段线性系统预测控制的显式设计

针对输出采样周期是输入更新周期N倍的多速率分段线性(Piecewise linear,PWL)系统,本文提出了保证稳定性的显式预测控制器设计方法.首先,基于动态规划原理将预测控制优化问题分解为多个单级优化问题;然后,根据分段线性系统各子模型以及目标函数的具体形式,进一步将各单级优化问题分为若干个子问题,再利用多参数二次规划(Multiparametric quadratic programming,MP-QP)方法求解;最后,通过比较各子问题的解从而得到系统的最优显式控制律.在设计过程中,将系统的最大正不变集作为优化问题的终端约束集,从而保证了系统的稳定性.仿真结果表明本文提出的显式预测控制方法能够有效降低多速率分段线性系统的在线计算时间,在保证系统稳定性的同时,满足其对输入更新速度的要求.

面向大规模网络化系统的分布式预测控制（英文）

本文将近年来关于网络化分布式预测控制(distributed model predictive contro,DMPC)设计的结果进行了总结概述.DMPC不仅仅继承了预测控制的优点而且还有分布式控制框架的特点.首先,介绍了分布式控制的系统结构设计;然后,依据预测控制中的性能指标,从3个方面对DMPC进行了介绍:基于局部性能指标的DMPC,基于邻域指标的DMPC和基于全局指标的DMPC.最后,选取3个典型例子来说明一些DMPC的有效性.