2024年第11期封面文章介绍

文摘   2024-11-11 10:31   辽宁  

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01

从分解视角出发: 基于多元统计方法的工业时序建模与过程监测综述

赵春晖,陈旭

介绍

近期,浙江大学控制科学与工程学院赵春晖教授团队对近年来工业时序建模与过程监测的最新成果进行了归纳总结,从分解视角出发,综述现有多元统计方法如何针对时间序列各类复杂特性进行建模,为深入理解过程状态感知、提供可解释监测结果提供参考。

数据驱动的过程监测是确保工业过程安全运行的重要手段。工业数据大多以时间序列的形式存在。由于工艺复杂性、噪声干扰等影响,工业时间序列往往呈现出各类复杂特性,给监测模型的建立带来了困难。如何针对复杂特性剥茧抽丝,化繁为简,将复杂的时间序列分解成多个具有实际物理意义的成分,是进一步理解过程内在机理,提供细粒度可解释监测结果的重要问题。
基于此,赵春晖教授团队从分解视角出发,对工业时序数据中广泛存在的低质量、强动态和非平稳特性进行分析,并提炼出这些方法所蕴含的共性出发点:在工业过程中,仅知晓故障存在与否往往难以满足实际需求,需要对复杂时间序列特性进行深度分解,以实现对过程状态多方面的精细感知。对于低质量特性,有低秩结构分解和稀疏表征分解;对于强动态特性,有快慢特征分解、可预测性分解和状态空间分解;对于非平稳特性,有协整关系分解和平稳子空间分解。此外,赵春晖教授团队还总结了分解视角下各类方法的统计量构建与物理含义描述,并对复杂时序分解建模领域未来的发展进行了展望,其中包括混合异构与知识数据融合的时序建模挑战以及时序建模的拓展应用,为后续研究提供了参考。
上述研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金项目,浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目的资助。

本文引用格式

赵春晖,陈旭从分解视角出发: 基于多元统计方法的工业时序建模与过程监测综述[J]. 控制与决策, 2024, 39(11): 3521-3546.

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02

基于同步DMPC的无人机编队跟踪与避障控制

何云风,史贤俊,卢建华,赵超轮,赵国荣


介绍

近期,海军航空大学史贤俊教授团队对近年来的多无人机编队研究成果进行了归纳总结;针对无人机编队跟踪问题,并考虑对静/动态障碍的规避,提出了一种基于同步分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)的编队跟踪与避障控制算法;为多无人机编队在复杂环境中的应用提供参考。
1991年无人机在“海湾战争”中大放异彩,全世界掀起了无人机的研究热潮。从后续的2001年的“阿富汗战争”、2020年的“纳卡冲突”以及2022年爆发的“俄乌战争”来看,无人机对战局走向的影响越来越大。经过这30多年的研究和快速发展,无人机已广泛应用于军事和民用领域。随着任务的多样化、环境的复杂化,与单个无人机相比,无人机集群编队在侦察、搜索、对敌打击、故障容错等方面拥有更佳的表现。
在多无人机编队的实际应用中,通常希望编队能够同时实现多种功能,如轨迹跟踪、队形保持、机间避碰、障碍物规避等。同步DMPC以其独特的优势常被用于研究复合需求下的编队控制问题。目前基于同步DMPC理论的多无人机编队控制研究所考虑的障碍物多为静态障碍物,对于动态障碍物的规避值得进一步研究;将同步DMPC与速度障碍法结合以规避动态障碍物时,为保证编队稳定性,所设计参考轨迹皆被限定为固定位置或速度。
综上,本文针对多无人机编队跟踪问题,并考虑对静/动态障碍的规避,提出一种基于同步DMPC的编队跟踪与避障控制算法。首先,在DMPC的框架下,以轨迹跟踪和编队保持为目标设计代价函数,并将机间避碰和障碍物规避处理为约束条件;其次,将速度障碍法与避碰、避障以及相容性约束进行融合,并设计终端约束,实现规避动态障碍的功能;再次,根据新的终端约束,以编队稳定为原则,设计与之适配的完整的终端成分;然后,在新的约束和终端成分下,基于Lyapunov理论分析编队系统的稳定性;最后,通过仿真验证所提出算法在编队跟踪和避障方面的有效性和优越性。
本文的设计算法将跟踪、避碰、避障功能集于一体:既能跟踪固定轨迹也能跟踪机动轨迹;还可以同时规避静态和动态障碍物;整个编队的稳定性在理论可以保证且仿真中得到验证。本文研究成果可为多无人机编队在复杂环境中的应用提供参考。本文研究得到了国家自然科学基金项目的资助。


本文引用格式

何云风,史贤俊,卢建华, 等. 基于同步DMPC的无人机编队跟踪与避障控制[J]. 控制与决策, 2024, 39(11): 3557-3566.

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03

输入受限下无人直升机自适应固定时间滑模控制

贺战胜,邱宏凌,沈俊


介绍

近期,南京航空航天大学自动化学院沈俊教授团队对固定时间控制、抗饱和控制及其在无人直升机领域的应用进行了深入研究,为无人直升机控制器的设计提供了新思路。

无人直升机因其续航时间长、负载能力强及机动性高等优势,广泛应用于农业、通信和军工等领域。然而,直升机系统高度非线性,飞行过程中易受到阵风等外界干扰影响,同时,直升机在执行大机动飞行任务时,系统期望输入量可能超出执行器实际输出范围,导致执行机构出现输入受限问题。因此,考虑外界干扰和输入饱和下无人直升机,设计高精度抗饱和控制器,提高跟踪性能至关重要。

基于此,沈俊教授团队进一步扩大径向基神经网络应用范围,将外界干扰及饱和误差视为总干扰,通过径向基神经网络估计总干扰,改进神经网络权值更新率,保证神经网络固定时间估计总干扰,无需引入其他技术补偿饱和问题,简化无人直升机控制器设计过程。

针对无人直升机控制器设计方法,沈俊教授团队通过梳理常见控制器设计方法,最终采用理论简单、鲁棒性较强的滑模控制方法。固定时间滑模控制可以保证系统误差有限时间收敛至平衡点或收敛有界,且收敛时间与初始误差无关。本团队基于固定时间滑模控制快速收敛、高精确性等优异性能,采用分段函数设计固定时间滑模控制变量,避免产生奇异问题,确保跟踪误差固定时间内收敛有界,提高误差收敛速度。同时,采用饱和函数替代符号函数,降低输入抖振。这些都为无人直升机高精度控制器设计应用提供了重要参考。

沈俊教授团队基于固定时间滑模控制,结合径向基神经网络设计固定时间抗饱和控制,在无人直升机系统进行仿真实验,验证了所提控制理论的有效性。上述研究得到了国家自然科学基金项目 (61973156) 资助。


本文引用格式

贺战胜,邱宏凌,沈俊输入受限下无人直升机自适应固定时间滑模控制[J]. 控制与决策, 2024, 39(11): 3547-3556.

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