随机开放量子系统的纯态开关反馈控制EI北大核心CSCD

针对目标态为纯态的情况,本文对有限维随机开放量子系统,提出一种同时适用于本征态和叠加态的开关控制,它是由常量控制和基于李雅普诺夫方法设计的控制律组成,实现随机开放量子系统的状态转移和收敛控制,其中,李雅普诺夫函数为系统的状态距离,常量控制用来驱动系统状态从初始状态进入含有目标态的收敛域中,李雅普诺夫控制用来使进入收敛域中的状态继续收敛到期望的目标态.将所提出的控制方法,应用于2比特随机开放量子系统进行了数值仿真实验,并与本征态开关控制律方法进行了性能对比,实验结果表明了所提出的控制律的优越性.     

严格反馈系统约束迭代学习控制

针对一类含有状态约束和任意初态的严格反馈非线性系统,本文提出了基于二次分式型障碍李雅普诺夫函数的误差跟踪学习控制算法.二次分式型障碍李雅普诺夫函数保证了系统跟踪误差在迭代过程中限制于预设的界内,进而保持状态在约束区间内.引入一级数收敛序列用于处理扰动对系统跟踪性能的影响.构造期望误差轨迹解决了系统的初值问题.经迭代学习后,所设计的学习控制器能够实现系统输出在预指定作业区间上精确跟踪参考信号.最后的仿真结果验证了所提控制算法的有效性.     

航天器全状态约束输出反馈控制

针对无角速度测量的刚性航天器姿态跟踪问题,提出一种全状态约束输出反馈控制方法.建立修正罗德里格参数描述的系统模型,提出能够适用于约束与非约束情况的改进型障碍李雅普诺夫函数(MBLF),拓展传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围.构造二阶辅助系统,将控制输入和饱和输入之间的差作为构造系统的输入,进而产生信号以补偿饱和的影响.设计状态观测器估计未知状态量,并结合反步法设计输出反馈控制律,保证系统全状态约束性能和姿态跟踪精度.通过李雅普诺夫稳定性分析证明姿态观测误差和跟踪误差能够达到一致最终有界.仿真结果验证所提方法的有效性.     

基于李雅普诺夫量子系统控制方法的状态调控

从多方面对基于李雅普诺夫的量子系统控制方法进行了系统深入地研究, 包括该方法与最优控制的关系; 李雅普诺夫函数与性能指标之间的关系; 几种常用李雅普诺夫函数下的控制所能解决的问题, 适用范围和所存在的问题等. 在此基础上, 结合量子系统本身所具有的特点, 分别针对本征态, 叠加态和混合态的制备与调控目标, 总结出多种不同控制问题的改进方案. 对不同改进方案的设计思想, 所能解决的问题, 物理意义及其适用范围等进行剖析, 系统化了一套基于李雅普诺夫稳定性理论对量子系统进行状态调控的设计方法.     

带有输出约束的柔性关节机械臂预设性能自适应控制

针对带有输出约束和模型不确定的柔性关节机械臂系统,提出一种基于时变障碍李雅普诺夫函数的预设性能自适应控制方法.通过构造指数衰减的时变约束边界,提出时变正切型障碍李雅普诺夫函数,能够同时适用于约束与非约束情况,进而拓宽传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围.此外,通过预先设置时变边界函数的相关参数,使得系统输出在初始阶段具有较小的超调量和较快的跟踪速度,并能够满足系统的稳态性能要求.在此基础上,结合反演法设计反馈控制律,保证系统的输出约束性能和轨迹跟踪精度.最后,基于李雅普诺夫稳定性定理证明所有闭环信号能够达到一致最终有界,并给出数值仿真对比验证所提出方法的有效性.     

基于李雅普诺夫指数的四旋翼无人飞行器结构参数优化稳定性分析

为了提高四旋翼无人飞行器的运动稳定性,通过改变机械结构参数,研究了变结构参数对系统稳定性的影响.本文以四旋翼无人飞行器的偏航阶段为对象,根据基于动力学模型的李雅普诺夫指数计算过程,得到了影响系统稳定性的主要机械结构参数,并采用李雅普诺夫指数法建立其主要机械结构参数与系统运动稳定性之间的量化关系,以期指导系统的机械结构设计及控制系统优化,提高系统的可靠性和稳定性,最后,通过实验验证理论仿真分析过程中的结论.该方法与李雅普诺夫的第二法相比,其主要优势是计算指数方法的可构建性,并可以使复杂非线性系统的稳定性分析成为可能.     

李雅普诺夫函数优化:正交矩阵构造方案EI北大核心CSCD

本文研究了李雅普诺夫函数的优化问题.提出了一种正交矩阵构造方案,用于求解黎卡提不等式中的最优李雅普诺夫函数.通过分析系统H_(∞)范数的几何特征,本文将黎卡提不等式转换为近似等式,进而给出了最优李雅普诺夫函数的存在条件.基于所给最优李雅普诺夫函数存在条件,所提正交矩阵构造方案利用旋转变换,将非线性方程组的求解问题转换为幅值和角度的线性优化问题,进而实现李雅普诺夫函数参数的优化.研究结果弥补了目前的研究无法求解最优李雅普诺夫函数的不足,对系统性能分析和非保守控制的设计具有建设性.算例验证了所提正交矩阵构造方案的有效性.     

欠驱动刚体航天器奇异避免的反步姿态控制

为了完成欠驱动刚体航天器(UCRS)姿态系统的稳定控制,使得UCRS全程稳定飞行,本文提出了一种奇异避免的反步控制(SABSC)方法.首先,对于已知的UCRS系统的动力学模型和利用(w, z)参数表述的运动学模型,本文通过构造合适的李雅普诺夫函数,推导得到了两个驱动轴角速度理想的函数表达式,确保了姿态系统参数的一致收敛;其次,在理想姿态角速度的基础上,借助于重构期望的李雅普诺夫函数,设计得到了奇异避免的反步控制器;最终,为了检验本文提出的SABSC的性能,进行了数值仿真实验,实验结果表明本文提出的控制器具有较好的控制性能.     

基于积分反步法的轧机速度系统控制器设计

本文给出了基于积分反步法的控制器设计方法，该方法通过逐步修正算法设计镇定控制器，实现系统的全局调节或跟踪。每一步把状态坐标变换、一个给定的李雅普诺夫函数和虚拟控制联系起来，最终得到一个控制李雅普诺夫函数(clf)。基于上述方法，对直流电机驱动的轧机速度系统进行了反馈控制器设计。仿真研究结果表明，本文所设计的反馈控制器使闭环系统稳定，系统具有良好的跟踪性能。     

具有未建模动态的互联大系统事件触发自适应模糊控制

针对一类具有未建模动态及执行器故障的非严格反馈非线性互联大系统, 提出一种基于事件触发机制的模糊分散自适应输出反馈控制算法. 首先, 通过设计模糊状态观测器估计系统中不可测的状态, 并引入李雅普诺夫函数约束未建模动态. 然后, 提出一种基于事件触发机制的自适应容错控制器补偿多个执行器故障产生的影响. 最后, 利用障碍李雅普诺夫函数实现对系统输出的约束, 并证明闭环系统中所有信号均是半全局一致最终有界的, 且设计的事件触发机制可以避免Zeno行为. 数值仿真结果验证所提出设计方案的可行性及有效性.     

Preparation of Hadamard Gate for Open Quantum Systems by the Lyapunov Control Method

In this paper, the control laws based on the Lyapunov stability theorem are designed for a two-level open quantum system to prepare the Hadamard gate, which is an important basic gate for the quantum computers. First, the density matrix interested in quantum system is transferred to vector formation. Then, in order to obtain a controller with higher accuracy and faster convergence rate, a Lyapunov function based on the matrix logarithm function is designed. After that, a procedure for the controller design is derived based on the Lyapunov stability theorem. Finally, the numerical simulation experiments for an amplitude damping Markovian open quantum system are performed to prepare the desired quantum gate. The simulation results show that the preparation of Hadamard gate based on the proposed control laws can achieve the fidelity up to 0.9985 for the different coupling strengths.      

量子系统动态函数的跟踪控制

以随时间变化的二次函数为目标函数,对采用薛定谔方程的量子系统进行轨迹跟踪研究。根据Lyapunov稳定性定理,选择误差的平方作为Lyapunov函数设计控制律,实现系统从任意初始状态到目标函数的跟踪。在Matlab环境下对不同初始状态进行了系统仿真及性能对比研究,分析了系统初始值以及控制中观测量对跟踪性能的影响,验证了控制律在跟踪目标函数上的优越性。     

Decoherence control for high-temperature reservoirs

We investigate the decoherence control coupled to a rather general environment, i.e., without using the Markov approximation. Markovian errors generally require high-energy excitations (of the reservoir) and tend to destroy the scalability of the adiabatic quantum computation. Especially, we find that deriving optimal control using the Pontryagin maximum principle, the decoherence can be suppressed even in high-temperature reservoirs. The influences of Ohmic reservoir with Lorentz-Drude regularization are numerically studied in a two-level system under ω _c ≪ ω ₀ condition, here ω ₀ is the characteristic frequency of the quantum system of interest, and ω _c the cut-off frequency of Ohmic reservoir. It implies that designing some engineered reservoirs with the controlled coupling and state of the environment can slow down the decoherence rate and delay the decoherence time. Moreover, we compared the non-Markovian optimal decoherence control with the Markovian one and find that with non-Markovian the engineered artificial reservoirs are better than the Markovian approximate in controlling the decoherence of open, dissipative quantum systems.     

Generalized control of quantum systems in the frame of vector treatment

For the state control problem in finite-dimensional quantum systems with any initial state and a goal eigenstate, this paper studies the design method of control laws via the Lyapunov technology and in the vector frame, which ensures the convergence of any initial state toward the goal state. The stability of the closed-loop system in the goal eigenstate is analyzed and proven via the invariance principle. The simulation experiment on a spin-1/2 system shows the effectiveness of the designed control laws.     

容错控制系统鲁棒H∞和自适应补偿设计

通过设计动态输出反馈控制策略研究线性时不变系统执行器故障下的鲁棒自适应容错H∞控制问题. 结合自适应技术和线性矩阵不等式(Linear matrix inequalities, LMI)技术, 设计一个控制策略同时实现系统的故障补偿控制和性能优化控制. 在设计中, 提出由自适应律在线调节控制增益方程补偿未知执行器故障和摄动; 并设计一个基于模式依赖李亚普诺夫方程的LMI条件解出控制参数及次优H∞性能. 所设计的动态输出反馈控制器可以处理一般执行器卡死故障, 并得到更少保守性的H∞性能指标. 此外, 一个更具挑战性的问题, 即通过自适应机构补偿故障致使系统多少性能退化得到论证. 所提方法的有效性由一个解耦线性化动态飞行器系统仿真验证.     

Lyapunov-based States Transfer for Open System with Superconducting Qubits

We design control fields to realize states transfer for open quantum system by Lyapunov stability theory, and investigate the states transfer of superconducting qubits in Markovian channels with phase relaxation and energy dissipative relaxation. The numerical simulations indicate that arbitrary state (eigenstate, superposition state or mixed state) transfer and maintenance for Markovian system can be realized under Lyapunov control function by an external steady control field of proper amplitude. Moreover, proper increase of proportional coefficients can accelerate the qubits flip and reduce the vibration frequency of control function.     

一类非线性系统的H2容错控制器的设计及其在空间飞行器的应用

针对存在执行器故障的不确定系统,本文研究了一种H2鲁棒容错控制的设计.控制器包括三个功能: 1)利用径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络估计得到的近似非线性函数构成闭环控制,抵消系统的非线性特征; 2)能实现H2性能指标的最优控制; 3)利用滑模控制抑制模型估计误差以提高控制精度, 并且控制器具有指定稳定裕度的设计功能.文中提出了用于执行器故障估计的调整规则, 故障估计信息用于控制律的设计.基于Lyapunov函数,推导了满足H2最优性能的充分条件:非线性二次矩阵不等式. 为了降低计算成本,给出了不等式求解的简化算法,避免了在线求解非线性矩阵不等式.通过一个空间飞行器模型的仿真, 验证了本文提出方法的有效性.     

三态纠缠的可控的量子秘密共享协议

提出由3个节点组成的星型量子网络中,基于三态纠缠的可控的量子秘密共享协议。在协议中,3个节点S₁、S₂、S₃共享2N个GHZ-like states,发送编码序列,利用可控制的状态参量α,将测量结果的联合计算共享密钥。理论分析证明,该协议对于外在的窃听者Eve和内在的窃听者都具有很高的安全性。如果存在窃听者,则必然发现,从而保证了共享量子密钥的安全性。     

Theoretical approach to characterize the non-Markovianity and diffusion through the influx of the information

In this paper, we study the Fisher information for a quantum system consisting of two identical qubits, each of them locally interacting with a bosonic reservoir in the same environment for non-Markovian open, dissipative quantum system. Based on the influx of the information, we propose an information-theoretical approach for characterizing the time-dependent memory effect of environment and diffusion function under the effect of the physical parameters. More precisely, an interesting monotonic relation between the time derivative of quantum Fisher information (QFI) and diffusion function behavior is observed during the time evolution. The phenomenon is that the QFI, namely the precision of estimation, changes dramatically with the environment structure. The dependence of the physical parameters shows that the increasing in the temperature will damage the amount of the QFI with respect of the ratio between the reservoir cutoff frequency and the system oscillation frequency.