复杂系统多模型学习与控制优化设计方法

高品质控制系统应该具备稳、准、快特点,本文研究了多工况下复杂系统的高品质控制问题.首先,用模型族覆盖系统在不同工况下的动态行为,然后,以后验概率为协调变量,提出了多模型学习与控制优化算法,证明了在稳态情况下用本文方法设计的控制律等同于真实模型的控制律,同时,控制器不需要在多个模型间进行硬切换,是一种软切换策略,最后通过对两个例子的仿真,说明了算法的有效性.     

Preparation of entanglement states in a two-spin system by Lyapunov-based method

A stable Lyapunov-based control law is proposed for entanglement states preparation in this paper.The mathematical model of a two-spin system is constructed in interaction picture.An average value of observable operator is selected as the Lyapunov function.This paper designs the observable operator to make sure that the target state is stable in Lyapunov sense.Then the authors analyze the convergence of the control system,and demonstrate that the Bell states are asymptotically stable under the control law designed.Compared with other methods,the control method proposed in this paper has the advantages of easy design and convergence to the target states.Numerical simulation experiments for the preparation of Bell states are implemented.     

基于多模型结构的非线性鲁棒自适应跟踪控制

针对复杂的非线性系统,提出一种基于多模型结构的鲁棒自适应控制方法,使得系统可以在不同的运行环境下跟踪给定的信号.由多个线性模型和一个模糊模型及其相应的控制器构成基本的多模型控制系统,再引入动态结构自适应神经网络以保证系统的稳定性及抑制由频繁切换引起的噪声.最后,对某小型飞机进行全包络飞行跟踪控制的仿真,验证所提控制方法是有效的.     

囚徒困境中基于非均匀连接的促合作控制设计

本文研究"囚徒困境"中促进合作演化的机制,设计"合作识别"和"背叛识别"两种控制形式,并分析合作在相应控制之下的演化路径问题.在合作识别控制设计中,通过将博弈群体分为合作者子群体和合作者与背叛者共存子群体,形成连接率依赖于个体策略的"非均匀连接",以保护合作的方式抑制背叛,促进合作演化;在背叛识别控制设计中,以惩罚背叛的方式鼓励合作.文章指出,合作识别控制设计能在合作率较低时促进合作,但不能使合作成为演化稳定策略(ESS);背叛识别控制设计能在合作率较高时使合作成为ESS,但是背叛总是该控制下的ESS.结合"合作识别"控制与"背叛识别"控制,本文设计一种切换控制,使得合作是"囚徒困境"博弈的唯一ESS.仿真给出不同要求下的控制律设计,分析不同切换选择对合作演化路径的影响.     

空天飞行器再入姿态模糊切换多模型控制

针对多模型切换控制在切换边界处的不平滑性,提出了一种模糊切换多模型控制。将其输入空间划分为若干个模糊区域以使区域边界模糊化,在各区域内设计局部T-S模型和控制器。根据所选定的变量将相应的区域控制器切换为全局控制器,由于控制器切换是在模糊了的区域边界处进行的,故保证了切换过程中系统状态轨迹的平滑性。利用该控制方案为空天飞行器设计了再入姿态飞行控制系统,高超声速飞行条件下的仿真实验证明了方法的有效性。     

非合作目标自主交会的开关控制

针对面向非合作目标的航天器相对轨道动力学系统,研究了基于视线制导的开关控制问题。详细推导了视线相对运动模型,并定性分析了重力差项。基于相平面法,分别独立设计了横向和纵向相对运动通道的开关曲线控制算法。针对横向控制,基于比例导引律设计了开关曲线,并利用李雅普诺夫方法给出了稳定性证明。针对纵向控制,采用双开关曲线,并给出了一种相应的设计方法。数值仿真分析验证了所提出的开关控制方法的有效性。     

Maximum Principle of Optimal Stochastic Control with Terminal State Constraint and Its Application in Finance

This paper considers the optimal control problem for a general stochastic system with general terminal state constraint. Both the drift and the diffusion coefficients can contain the control variable and the state constraint here is of non-functional type. The author puts forward two ways to understand the target set and the variation set. Then under two kinds of finite-codimensional conditions, the stochastic maximum principles are established, respectively. The main results are proved in two different ways. For the former, separating hyperplane method is used; for the latter, Ekeland’s variational principle is applied. At last, the author takes the mean-variance portfolio selection with the box-constraint on strategies as an example to show the application in finance.     

基于模糊多模型的专家PID在主汽温控制系统中的应用研究

针对电厂主汽温度系统参数时变的特点,常规单控制器难以取得满意控制效果,提出了基于模糊多模型的专家PID控制方法。仿真结果表明,主汽温度在负荷变化的扰动下,能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质。     

一种基于LQ/变结构控制的多模型组合控制

针对一类含有参数跳变的非线性时变系统,提出了一种基于LQ与变结构控制的多模型组合控制方法.该方法在多模型及其切换的框架下,将全局鲁棒控制与多模型局部控制相结合,从而达到和保持整个系统的良好性能.首先,采用变结构控制理论设计全局鲁棒控制器,将被控系统的状态带到多模型局部控制器的作用区域以内.其次,在不同的特征点设计LQ固定控制器,按照一定的切换指标在局部固定模型中选择最佳固定模型以及相应的控制器将输出误差减小为零.仿真实验的结果表明了该方法的有效性.     

强迫绕飞无控旋转目标的控制策略

针对无控旋转目标航天器强迫绕飞的控制策略问题,强迫绕飞时要求追踪器对无控旋转目标器具备视线指向的能力,以便在较短的时间内进行全面观测。首先分析了无控旋转目标的姿态及运动特性,在视线旋转坐标系上建立了追踪器与目标器的三维相对运动方程。将追踪器对目标器的绕飞问题转化为视线瞬时旋转平面内的二维控制问题,采用基于模糊切换增益调节的滑模控制器对视线方向和垂直视线方向的目标运动进行了控制。数值仿真验证了所提控制策略的有效性。     

地面运动目标的多UAV协同搜索方法

对地面运动目标的搜索是无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)航路规划的重要研究内容之一,受目标运动的影响,传统的垂线扫描搜索方法对速度较大的运动目标搜索能力不足。为了提升对运动目标的搜索效率,提出多无人机(multi-unmanned aerial vehicle, multi-UAV)并排回寻式搜索方法,以回寻速度与推进距离为参数构建了协同搜索数学模型,搜索效率须在搜索速率和发现概率2个指标之间权衡,通过对模型参数进行优化,得出不同应用场景下的最优搜索方案。仿真结果表明:与垂线扫描搜索法相比,在相同的发现概率下,该方法允许目标的运动速度更快;在目标运动速度相同时,目标发现概率更高。在算例的飞行条件下,目标发现概率比垂线扫描法提高约15个百分点。     

复杂产品多分辨率模型跨层次切换技术

在复杂产品研发设计过程中,不同设计阶段有不同的设计目标,并依据仿真目标有不同类型的仿真任务,需要不同分辨率的复杂产品仿真模型参与仿真。针对多分辨率特性对模型与接口进行定义,在此基础上研究模型分辨率的控制机制,对系统结构状态和模型分辨率状态分别建立描述机制,提出系统分辨率的控制机制,梳理出一种跨层次切换技术。经过实验验证,该方法可有效解决模型分辨率切换问题,在保证仿真精度的同时,提升仿真效率,节省所需的仿真资源。该方法结构简单,有望在未来进一步推广使用。     

水下超高速航行体双模态控制研究

水下航行体在高速运动时,其全部或大部分表面被空泡包裹.由于水动力和周围环境扰动使航行体尾部与空泡壁相互作用产生滑行力,滑行力的存在使系统具有较强的非线性并导致不稳定的航行状态.针对航行体纵向运动数学模型可以描述为无滑行力的线性模型和存在滑行力的非线性模型,设计了基于状态的切换控制策略并设计了双模态控制器,对于线性模型采用状态反馈控制,对于非线性模型采用基于微分几何的反馈线性化方法.仿真结果表明,基于状态切换的双模态控制器减小了滑行力,对于初始状态扰动具有鲁棒性.     

State transfer control of quantum systems on the Bloch sphere

The state transfer under control fields is analyzed based on the Bloch sphere representation of a single qubit. In order to achieve the target from an arbitrary initial state to a target state, the conditions that parameters should satisfy are deduced separately in two different requirements: One is in the case of the rotation angle around the x-axis being fixed and another is in the situation with a given evolution time. Several typical states trajectories are demonstrated by numerical simulations on the Bloch sphere. The relations between parameters and the trajectories are analyzed.     

大气层外动能拦截器末制导律与能量优化方法

针对大气层外动能拦截器的末制导问题,建立了包含发动机误差源的六自由度模型。在考虑目标机动加速度和拦截器状态估计误差的情况下,基于预测控制理论,提出了一种形式简单的增广预测制导律,并且采用李雅普诺夫第二方法证明了制导系统的渐近稳定性。针对拦截器能量优化问题,提出了一种基于序列二次规划(sequential quadratic programming, SQP)算法的拦截器能量优化方法。仿真结果表明,所设计的制导律和能量优化方法,能够在精确命中目标的同时,满足燃料消耗最小、发动机开关频率较小的要求。     

具有性能预设的多机编队目标跟踪控制

针对无人机编队目标跟踪中性能不可控的问题, 提出了一种具有性能预设的分布式多机编队目标跟踪控制方法。首先提出一种基于运动参数组的编队队形描述与目标跟踪方法, 实现了编队的相位预设与队形控制; 其次利用误差变换方法将有性能约束的误差问题转换为无约束误差控制问题, 并给出了一致性预设性能控制律; 然后分别设计了指数型和预设时间型性能函数, 实现了同一控制律下对不同性能的控制, 保证了编队目标跟踪过程中的收敛时间以及瞬态和稳态性能。最后,仿真证实了无人机编队能够在预期设定的性能范围内实现编队队形控制, 并成功跟踪目标。     

具有侧向脉冲推力的旋转导弹建模与控制研究

针对具有气动舵和侧向脉冲推力复合控制的自旋导弹,在准弹体坐标系中建立完整的动力学模型,由于侧向脉冲推力的离散事件特性,提出运用混杂系统理论的方法设计其复合控制自动驾驶仪。根据系统的特性将自动驾驶仪划分成两种不同的工作模式,针对不同的工作模式分别设计不同的控制方法,通过两种模式之间的切换实现导弹的快速响应和能源的合理分配。最后进行仿真检验该自动驾驶仪的有效性,并将仿真结果与气动舵单独控制时的结果作了对比,表明通过复合控制显著改善了导弹的动态响应特性     

基于多卡尔曼滤波器的自适应传感器融合

准确估车前目标的位置和状态是车辆安全系统的一个重要组成部分,利用多传感器可以提高对目标测量的可靠性。给出了一种用于汽车防碰撞系统中估计车前目标位置的多传感器融合算法,根据车辆与目标之间的一步预测距离,从多个预置的卡尔曼滤波器中选择一个合适的滤波器来实时处理传感器的量测数据。该算法不仅可以有效地处理具有不同测量范围的传感器数据,同时还可以通过滤波器切换的方式,处理具不同数据速率的传感器数据。Monte Carlo数字仿真证明了该算法的有效性。     

一类切换系统的降阶输出反馈滑模控制

研究了一类含有非线性扰动切换系统的鲁棒镇定问题.基于滑模控制技术,提出了降阶输出反馈鲁棒控制策略,给出了系统的滑动模态可达条件,同时设计了该条件下各子系统的输出反馈滑模控制器,并根据李雅普诺夫函数和状态增益给出了离散切换策略,确保闭环切换系统是渐近稳定的.通过数值仿真验证了设计方法的有效性.     

面向任务的民机DIMA动态重构策略

为提高民机分布式综合模块化航空电子(distributed integrated modular avionics, DIMA)系统应对飞行任务切换和资源失效的能力, 分析了DIMA动态重构环境及动态重构机制, 形成了面向任务的动态重构策略。首先, 提出“任务-功能-资源”间的关系矩阵及动态重构有效性评价体系。然后, 引入组合优化赋权法计算不同任务模式下功能应用的优先级权重。最后, 用实例分析对比了面向任务的动态重构策略与普通重构策略在不同任务模式下系统资源对系统功能完整性的支撑程度。研究结果表明, 随着模块故障数量的增多, 面向任务的动态重构策略可以显著提高动态重构的有效性。