爬行机器人的分层可控混成Petri网建模研究

飞机表面爬行机器人是一个复杂的离散事件和连续动态事件相结合的混成运动系统,为描述系统的静态特性和动态行为,提出一种分层可控混成Petri网模型.依据爬行运动机构定义了Petri网模型组成元素,建立了爬行机器人单轴和双轴分层可控混成Petri网,该模型可接收上层运动轨迹指令并输出爬行动作序列.实验表明,基于该模型实施的飞...     

混成系统的描述和设计与Timed RAISE项目

1 引言混成系统是包含连续部件和离散部件的实时系统。其中连续部件是满足一定微分方程的物理设备,离散部件是运行程序的计算机及受程序控制的感应器和主动器。混成系统的典型例子有:机器人控制系统、计算机辅助制造设备、飞行控制系统等。     

基于MARTE的面向混成系统的模型形式化转换

混成系统是离散逻辑跳转与实时连续行为交织的复杂状态变迁系统,形式化建模与验证是确保混成系统正确性和可靠性的重要途径。首先介绍一种混成ZIA形式规范;然后,基于建模语言MARTE建立扩展Object-Z的规范,即OZ-MARTE,该规范弥补了MARTE规范在形式化描述方面的不足,同时为了方便描述混成系统中连续动态行为属性,给出对混成系统中连续变量的描述转换规则,增强了MARTE对混成系统的描述能力;最后,给出OZ-MARTE规范到混成ZIA规范的转换方法,因此针对混成ZIA规范的验证技术同样适用于对MARTE模型进行形式化验证。     

混成系统形式化验证

混成系统是实时嵌入式系统的一种重要子类,其行为中广泛存在离散控制逻辑跳转与连续实时行为交织混杂的情况,因此行为复杂,难以掌握与控制.由于此类系统广泛出现在工控、国防、交通等与国计民生密切相关的安全攸关的领域,因此,如何对相关系统进行有效的分析与理解,从而保障系统安全运营,是一项具有重要意义的工作.常规的系统安全性分析手段,如测试、仿真等仅能在一定输入的情况下运行系统来观测系统行为,无法穷尽地检测复杂混成系统在所有可能输入下的行为,因此并不足以保证系统的安全性.区别于测试等方法,形式化方法通过求解系统模型状态取值范围等方法来确认系统模型中一定不会出现相关错误.因此,其对于保障安全攸关混成系统的安全性具有十分重要的意义.形式化方法由形式化规约与形式化验证两个方面构成.因此从以上两个角度分别对形式化规约方向上现有混成系统建模语言、关注性质以及形式化验证方向的混成系统模型检验、定理证明的现有主要技术与方法进行了综述性的回顾与总结.在此基础上,针对现阶段实时嵌入式系统复杂化、网络化的特性,对混成系统形式化验证的重要关注问题与研究方向进行了探索与讨论.     

多机器人路径规划的安全性验证

近些年来,伴随着人工智能领域的浪潮,机器人越来越多的出现在我们的日常生活中,例如足球机器人、无人机、无人车等.如何保证这些自治机器人尤其是多个机器人在移动过程中的安全成了人们一直很关心的问题.混成通信顺序进程（Hybrid Communicating Sequential Process,HCSP）是一个针对混成系统的形式化建模语言,在通信顺序进程（Communicating Sequential Process,CSP）的基础上引入了微分方程以描述混成系统中的连续行为和控制逻辑,可以方便高效地对大型控制系统尤其是在有通信事件发生时的情形进行形式化建模.本文就是用HCSP建模多机器人的路径控制算法,并用定理证明工具HProver进行形式化验证.结果证明了在满足一定初始条件下,机器人团队在整个运行途中不会发生碰撞.     

基于扩展混成Petri网的CPS无人车系统建模与分析

信息物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)是一个集计算系统、通信系统、感知系统、控制系统和物理系统于一体的复杂系统,其行为是一种由离散计算过程与连续物理过程深度融合并紧密交互的混成行为。针对这种特性,采用混成Petri网对CPS建模,并在此基础上添加时间约束,即对离散变迁关联一个延迟时间,对连续变迁关联一个激发速率函数,同时引入抑止弧和测试弧的概念以提高Petri网的表达能力,由此提出一种新的模型——扩展混成Petri网模型。然后,对CPS应用中无人驾驶车辆系统的躲避障碍物场景进行建模,将建立的模型按照一定的规则转化为与之对应的Simulink模型,并通过Matlab仿真对系统行为及属性进行分析。     

基于迁移系统分析的线性混成系统安全验证

混成自动机行为中既包含离散行为又包含连续行为,非常复杂。其安全性验证问题难以解决,即使是线性混成自动机,它的可达性问题也被证明是不可判定的。现有工具大都使用多面体计算来计算线性混成自动机的可达状态空间集,复杂度高,可处理问题规模非常有限。为了避免这类问题,实现了一种新的工具。该工具将线性混成自动机表达为等价的迁移系统,并利用迁移系统上不变式生成相关工作对混成自动机进行验证。实验数据表明,方法有效可行,工具具有良好的性能。     

随机混成系统稀有属性的统计模型检测方法

统计模型检测,已成为随机混成系统安全性验证的重要方法.但对安全性要求较高的系统,其不安全事件和系统失效都是稀有事件.在这种情况下,统计模型检测很难采样到满足稀有属性的样本而变得不可行.针对该问题,提出了交叉熵迭代学习的统计模型检测方法:首先,使用连续时间马尔可夫链表示随机混成系统的路径概率空间,推导出路径空间上的参数化概率分布函数族;然后构造了随机混成系统路径空间上的交叉熵优化模型,提出了在路径空间上迭代学习最优重要性采样分布的算法;最后给出了基于重要性采样的稀有属性验证算法.实验结果表明:该方法能够有效地对随机混成系统的稀有属性进行验证;且在相同样本数量下,与一些启发式重要性采样方法相比,该方法的估计值能够更好地分布在均值附近,标准方差和相对误差减少超过了一个数量级.     

穿刺机器人运动安全性的形式化分析与建模

混成系统是实时嵌入式系统的重要子类,其行为中存在连续变化和离散跳转混杂的情况,使得混成系统行为复杂,安全性难以掌握。近年来,混成系统在医疗环境中得到越来越广泛的应用。其中,医疗机器人的穿刺运动控制系统呈现高度复杂的混成性,如果机器人在穿刺过程中失控将导致不可挽回的严重后果。因此穿刺机器人运动行为的安全性设计成为了亟需解决的问题。首先根据穿刺机器人的运动学设计,将机器人的复杂运动分解。然后基于微分动态逻辑理论从混成系统的角度出发对穿刺机器人的运动控制系统进行了形式化建模与分析,并使用证明工具KeYmaera归纳出微分不变式,获得了控制模型的参数约束。最后提出了针对机器人运动到某一靶目标区域这类运动学问题的一般性验证模型。     

基于微分动态逻辑的铁路道口控制分析

利用微分动态逻辑对铁路道口控制进行形式化分析与建模.在火车从发送接近信号到进入道口的运动过程中,根据火车到达道口时间上的要求,将火车速度控制问题抽象成一个混成系统的安全性性质,用微分动态逻辑来描述,并使用混成系统证明工具KeYmaera对系统的安全性进行验证,以实现对火车进入道口前速度的正确控制.     

HAVC系统变电站多目标优化控制策略

变电站电压无功控制是电网混成自动电压控制(hybrid automatic voltage control,HAVC)系统的重要组成部分,其控制措施一般包括变电站有载调压变压器(OLTC)的调节和站内电容电抗器的投切等.变电站电压无功控制器设计是一个典型的多目标优化问题.即在调控过程中,既要控制无功及电压尽量接近设定值,又必须使OLTC的调节次数和电容电抗器的投切次数尽量少.因此,本文首先建立了HAVC系统变电站电压无功控制的多目标优化模型,然后求解该多目标优化问题得到变电站电压无功优化控制策略.对东北电网沙岭变电站的仿真分析证明了所提出的控制策略的有效性和正确性.     

基于边缘计算的混合储能多微电网功率自适应控制

在微电网中,将多个双向接口变换器并联可提高微电网两侧的功率交换能力,但并联变换器的微电网难以有效控制。研究发现,微电网接入储能系统可以缓冲功率波动、降低功率控制难度。为保证微电网稳定运行,提高功率控制精度,本文提出了基于边缘计算的混合储能多微电网功率自适应控制方法。研究基于边缘计算技术,分析了混合储能多微电网结构,并构建了一个用于混合储能多微电网的自动管理平台。在此基础上,通过对母线实时电压的控制实现频率的调节,增强接口变换器的稳定性,以完成混合储能多微电网功率交互的调度与控制。在混合微电网中,我们接入储能系统,通过功率交换控制、自主功率分频自适应控制实现了混合储能多微电网的功率自适应控制。实验结果表明,所提方法在混合储能多微电网功率控制方面效果较好,有功功率控制误差较小,能够有效保证混合储能多微电网稳定运行,并提高功率自适应控制准确度。     

Multi-level multi-area hybrid automatic voltage control system and its trial operation in Northeast China Grid

In order to coordinate automatic voltage control(AVC)systems of a large interconnected system,a multi-level multi-area hybrid automatic voltage control(MLMA-HAVC)system was constructed.This system began its trial operation in the Northeast China Grid in January 2010,and for the first time in China and abroad it realized automatic close-loop control of multi-area and multi-level interconnected power grid and multi-objective self-approaching optimization in aspects of security,high quality and economic operat...     

液压混合动力履带车辆联合制动模糊控制

针对液压混合动力履带车辆联合制动系统,为了实现制动过程平稳性,提出了基于制动力分配原则的模糊控制策略.首先在MATLAB中建立了能量再生制动系统和机械制动系统以及车辆动力学仿真模型,然后设计了以制动力分配系数为控制变量的联合制动模糊控制器,给出了模糊控制规则,建立了控制系统仿真模型,并在不同制动强度条件下对车辆制动过程进行仿真.仿真结果表明,联合制动模糊控制系统能够有效回收制动能量,同时与PID控制相比明显改善和提高了履带车辆制动过程稳定性.     

混合式双级矩阵变换器闭环控制

混合式双级矩阵变换器(混合式TSMC)是一种非常有发展潜力的矩阵变换器,在实际应用中,混合式双级矩阵变换器常会遇到输入电压不平衡和输出负载变化等扰动,其输出电压会在扰动下产生不平衡。为了提高混合式双级矩阵变换器在输入电压不平衡及负载扰动情况下的输出电压的稳定,提出了基于由坐标系混合式双级矩阵变换器输出电的闭环控制方法,通过前馈闭环控制,H桥变换器控制和逆变级的闭环控制三个环节,能有效地抑制了输入电压不平衡和输出负载不平衡,保证了混合式效级矩阵变换器有效的、稳定的输出。仿真结果验证了所提方法的合理性和有效性。     

基于混杂系统理论的制造系统仿真

根据制造系统连续事件与离散事件并存的特点,提出一种制造系统半实物仿真方法,设计连续事件和离散事件并存时仿真系统的时间推进机制。在Arena环境中实现对离散事件系统的建模,在Labview环境中实现特定连续变量事件的半实物仿真。设计并实现离散事件系统与连续事件的接口连接。仿真实验结果表明,该系统能较好地反映出整个制造系统的混杂特性,为混杂制造系统的仿真提供一种新的思路。     

Hybrid control for wide-area power systems based on hybrid system theory

The article focuses on a new two-level hierarchical hybrid control which contains an upper layer discrete supervisory strategy and lower layer continuous decentralised coordinated control based on hybrid system theory for wide-area power system overall stability enhancement. The discrete supervisory strategies are constituted based on an information fusion technique by using wide-area measurements (WAMs) in order to supervise and switch the control actions into apposite operation mode following a large disturbance. The continuous control is designed in the form of a local state feedback decentralised controller for each generator helped by a coordinated controller, and the coordinated controller is proposed to apply the remote signals from the WAM systems for improving dynamic performance. However, unavoidable communication time delays are involved before the remote signals are received at the coordinated controller. Taking account of the multiply delays, the authors develop a delay-dependent H _∞ robust control technique based on multiple Lyapunov stability theory. Some new stability criteria for hybrid control are derived in terms of linear matrix inequality. The so-called hybrid control is demonstrated through simulation examples to achieve the best overall performance following a large disturbance.     

Hybrid Control Scheme for Robust Tracking of Two-Link Flexible Manipulator

The hybrid control scheme is proposed to stabilize the vibration of a two-link flexible manipulator while the robustness of Variable Structure Control (VSC) developed for rigid manipulators is maintained for controlling the joint angles. The VSC law alone, which is designed to accomplish only the asymptotic decoupled joint angle trajectory tracking, does not guarantee the stability of the flexible mode dynamics of the links. In order to actively suppress the flexible link vibrations, hybrid trajectories for the VSC are generated using the virtual control force concept, so that robust tracking control of the flexible-link manipulator can also be accomplished. Simulation results confirm that the proposed hybrid control scheme can achieve more robust tracking control of two-link flexible manipulator than the conventional control scheme in the presence of payload uncertainty.     

Observer‐based control of a photovoltaic DC–DC buck converter: HDS approach

In this paper, a new observer‐based controller is proposed for a photovoltaic DC – DC buck converter; both photovoltaic (PV) voltage and current regulation are considered. In order to deal with the complex and nonlinear PV mathematical model and adapt it to the control purpose, a hybrid PV current observer model is proposed; three modes are defined and the stability of the observer is discussed using the hybrid dynamical system approach (HDS). The observer‐based controller is designed for both voltage and current regulation of the PV system; the closed loop of the full system stability is demonstrated through Lyapunov analysis. Experimental results are also presented showing the feasibility of the proposed observer‐based controller.     

Hybrid Control Scheme for Robust Tracking of Two-Link Flexible Manipulator

A hybrid control scheme is proposed to stabilize the vibration of a two-link flexible manipulator while robustness of Variable Structure Control (VSC) developed for rigid manipulators is maintained for controlling the joint angles. The VSC law alone, which is designed to accomplish only the asymptotic decoupled joint angle trajectory tracking, does not guarantee the stability of the flexible mode dynamics of the links. In order to actively suppress the flexible link vibrations, hybrid trajectories for the VSC are generated using the virtual control force concept, so that robust tracking control of the flexible-link manipulator can also be accomplished. Simulation results confirm that the proposed hybrid control scheme can achieve more robust tracking control of two-link flexible manipulator than the conventional control scheme in the presence of payload uncertainty.