微生物批式流加发酵过程中的时滞最优控制

考虑到1,3-丙二醇(1,3-PD)批式流加发酵过程中的时滞现象,提出一个非线性时滞微分方程来描述该过程.以终端时刻1,3-PD的单位时间产量作为性能指标,同时,以甘油和碱的流加速度、发酵过程的终端时刻作为控制向量,建立一个含控制和状态约束的时滞最优控制模型.为了求解该最优控制问题,首先通过时间尺度变换,将该最优控制问题转化为具有固定终端时刻的等价最优控制问题;然后,应用控制参数化方法,将等价的最优控制问题用一系列有限维优化问题来近似;最后,构造一种改进的粒子群优化方法来求解相应的近似优化问题.数值结果表明,终端时刻的1,3-PD的单位时间产量比已有结果提高了约58%.     

改进的单纯形法优化微生物间歇发酵的操作条件

建立了以微生物间歇发酵甘油生产1,3-丙二醇（1,3-PD）的两阶段非线性动力系统和终端要求为约束,以初始浓度和发酵时间为优化参数,以终端时刻1,3-PD的生产强度最大为性能指标的参数优化模型。证明了该模型中最优参数的存在性。最后构造了改进的单纯形法求解该问题,数值结果给出了微生物间歇发酵在厌氧条件下的最优的发酵时间、初始生物量和甘油浓度,从而为1,3-PD的产业化生产提供理论指导。     

甘油间歇生物歧化过程的动态优化

研究了甘油间歇生物歧化过程的动态优化。针对甘油间歇生物歧化过程的非线性过量动力学系统,首先在终端时刻是固定和可变两种情况下,分别以终端时刻产物1,3-丙二醇的浓度、终端时刻产物1,3-丙二醇的产率为目标函数,提出了三个动态优化模型;然后基于有限元配置法将甘油间歇生物歧化过程的状态方程转化为代数方程,从而得到动态优化模型的非线性规划形式。最后对提出的三个动态优化模型进行求解,并对所得优化结果进行了分析与讨论。与已有结果相比,获得了更高的1,3-丙二醇产率。     

计算机数控系统光滑时间最优轨迹规划

基于控制向量参数化(CVP)方法, 研究了计算机数控(CNC)系统光滑时间最优轨迹规划方法. 通过在规划问题中引入加加速度约束, 实现轨迹的光滑给进. 引入时间归一化因子, 将加加速度约束的时间最优轨迹规划问题转化为固定时间的一般性最优控制问题. 以路径参数对时间的三阶导数(伪加加速度)和终端时刻为优化变量, 并采用分段常数近似伪加加速度, 将最优控制问题转化为一般的非线性规划(NLP)问题进行求解. 针对加加速度、加速度等过程不等式约束, 引入约束凝聚函数, 将过程约束转化为终端时刻约束, 从而显著减少约束计算. 构造目标和约束函数的Hamiltonian函数, 利用伴随方法获得求解NLP问题所需的梯度.     

差异演化算法辨识微生物连续发酵动力学参数

在甘油连续发酵生产中提高1,3-丙二醇（1,3-PD）的产量是至关重要的,然而,3-羟基丙醛（3-HPA）的积累会引起发酵过程的停止。考虑到3-HPA对细胞生长和对酶的活性的抑制作用,提出一个新的数学模型来描述利用克雷伯氏菌连续发酵生产1,3-PD的过程。为了确定模型中的动力学参数,提出了参数辨识模型,并证明了参数的可辨识性。最后构造了改进的差异演化算法求解该参数辨识模型,数值结果表明该动力学模型能更好地描述微生物连续发酵过程,并且算法也是有效的。     

自由时间最优控制问题的一种控制向量参数化方法

针对自由时间最优控制问题,提出一种控制向量参数化（CVP）方法.通过引入时间尺度因子,将自由时间最优控制问题转化为固定时间问题,并将终端时刻作为优化参数.基于CVP方法,最优控制问题被转化为一个非线性规划（NLP）问题.建立目标和约束函数的Hamiltonian函数,通过求解伴随方程获得目标和约束函数的梯度,采用序列二次规划（SQP）方法获得问题的数值解.对于控制有切换结构的优化问题,给出了一种网格精细化策略,以提高控制质量.补料分批反应器最优控制问题的仿真实验验证了所提出方法的有效性.     

时变时滞非线性系统的间歇控制

时变时滞广泛存在于各种非线性系统中,研究了时变时滞非线性系统的间歇控制及其在保密通信中的应用问题,提出了一种间歇控制策略,理论上分析了其正确性,并且给出一个定理来确定控制器的相关参数。根据提出的定理,设计出间歇控制器使得两个含有时变时滞的Chua电路指数达到同步。将该方法应用到混沌保密通信中,在两个系统达到同步的基础上,发送端的信号能够在接收端很好地恢复出来,表明了该方法的可行性。     

求解含复杂约束非线性最优控制问题的改进Gauss伪谱法

针对含有复杂约束条件的非线性最优控制问题,提出了一种改进的Gauss伪谱法 (Improved Gauss pseudospectral method, IGPM). 这类问题难以得到解析解,特别是有些问题不存在解析的模型, 一些参数只能通过查表得到,使得传统方法难以求解. 在传统的Gauss伪谱法的基础上,将非线性的终端状态积分约束等价地转化为线性形式,提出了IGPM, 通过协态映射定理可以计算出协态变量,检验最优性,使得IGPM具有间接法一样的精度. 并且给出了初始时刻协态变量和端点时刻控制变量的计算方法. 为了提高解的精度,基于IGPM提出了迭代算法, 最后将该算法应用于求解高超声速飞行器上升段轨迹优化问题,结果表明最优轨迹基本满足路径约束条件和最优性条件.     

具有时变时滞的线性离散随机系统的间歇故障检测

针对一类具有时变时滞和外部未知扰动的线性离散随机系统,研究了其间歇故障检测问题.考虑一类具有周期性的时变时滞,利用提升技术和叠加原理将线性时变时滞系统转化为线性时不变系统.基于等价空间法设计对外部未知扰动解耦的结构化标量残差,在此基础上,通过残差统计特性分析和给定的显著性水平设定检测阈值.利用两个假设检验分别检测间歇故...     

甘油连续生物歧化过程的多目标优化

研究了甘油连续生物歧化过程的多目标优化。针对甘油连续生物歧化为1,3-丙二醇过程的还原途径酶催化非线性动力系统,首先考虑目的产物1,3-丙二醇的产率、甘油转化为1,3-丙二醇的转化率、甘油的转化率以及3-羟基丙醛浓度等四个目标函数,构建了六个多目标非线性优化模型,其次应用NBI（Normal Boundary Intersection）方法对其进行求解。为了解决NBI方法可能获得非全局Pareto最优解这一问题,设计了一种过滤算法以去除NBI方法产生的非全局Pareto点。最后对获得的所有多目标优化问题的Pareto最优解集及Pareto前沿进行了分析与讨论,为实现甘油生物歧化为1,3-丙二醇过程的操作优化提供指导。     

编队构成中基于增量次梯度的分布式能量最优控制

针对自由终端约束下自主平台编队构成中的能量最优控制问题展开研究.在单个平台能量最优控制二次规划模型的基础上,建立了自由终端约束的多平台能量最优控制模型,目的是通过选择合理的终端状态来减小编队构成过程中的能量消耗.提出了基于增量次梯度算法的分布式优化方法,其中各平台独立规划自身轨迹,并基于次梯度信息更新期望的终端状态,进而经过平台间相互协商以确定可最小化编队总能量消耗的终端状态.仿真结果表明了方法的有效性.     

多时滞线性系统的控制参数优化方法

采用控制参数化方法研究具有连续状态不等式约束和多重状态及控制时滞的线性系统优化控制问题．通过把时滞系统动态模型中的控制量表示成关于时间的分段常数函数,把每个控制参数看作决策变量,将多时滞系统的控制问题转化为数学规划问题．推导出在连续状态不等式约束条件下的目标函数和约束函数对于待求参数的梯度公式,并用序列二次规划算法求出其最优控制量．最后,将该优化算法应用于湿法炼锌净化过程中．仿真结果表明,锌粉的添加量可以有效地减少,从而避免了资源的浪费．     

基于DCNLP法的重复使用运载器再入轨迹设计

介绍了DCNLP法在可重复使用运载器再人段轨迹优化中的应用.首先以可重复使用运载器为对象,以攻角和倾侧角为控制变量,并考虑严格的终端约束和过程约束,建立了以航程最远作为优化目标的最优控制问题模型.然后采用DCNLP法将最优控制问题转化为一般的非线性规划问题,选取各节点上的状态量和控制量作为优化参数.最后应用matlab...     

基于粒子群算法和控制参数化的多无人机编队重构控制方法

针对多无人机(UAV)编队重构最优控制问题,提出一种基于粒子群算法(PSO)和控制参数化的方法。综合考虑无人机飞行动力学模型和编队重构的终端状态等式约束、安全防撞距离与通信保障距离的连续状态不等式约束。使用一种改进的粒子群算法求出该编队重构问题的最优控制输入;利用控制参数化方法将编队重构问题转化为一个最优参数选择问题,同时应用约束转录方法结合局部光滑技术处理连续状态不等式约束,并在改进粒子群算法获得的最优解下寻找更加精确的最优解。通过对比仿真,验证了所提重构方法的有效性。     

甘油间歇发酵酶催化非线性动力系统的强稳定性

以甘油生物转化生产1,3-丙二醇(简记为1,3-PD)的间歇发酵酶催化过程为背景,研究一类既无法求得解析解、又没有平衡点的非线性动力系统.论述了该类系统关于初始状态的解集的紧性以及对应的线性变分系统基本矩阵解的性质,并证明了非线性动力系统的强稳定性.所做的研究可以为进一步的数值计算提供理论依据.     

直接radau配置的多阶非线性模型预测聚合反应控制

针对半间歇聚合反应强非线性,模型参数的不确定性以及过程存在路径约束和终端约束等特点,将多阶非线性模型预测控制方法应用于半间歇聚合反应控制器的设计。该方法使用离散的场景树表示不确定量对系统的影响,使得未来的控制输入取决于先前的不确定量实现,从而构成闭环的鲁棒性控制方法。为了提高求解效率,使用基于有限元正交配置的联立法对问题求解,通过选取合适的radau配置点对控制变量和状态变量同时离散化,将动态优化问题转化为NLP问题,并使用内点法求解器IPOPT求解。在BASF SE公司提供的半间歇聚合反应模型上验证了提出方法的有效性。     

时变时滞不确定系统的鲁棒输出反馈控制

研究了时变时滞不确定系统基于状态观测器的动态输出反馈实现鲁棒镇定的分 析和综合问题.所研究的系统不仅同时包含时变状态时滞和时变控制时滞,而且包含时变未 知且有界不确定参数.提出了确保该系统可通过输出反馈鲁棒镇定的充分条件,并将该充分 条件转化为线性矩阵不等式(LMI)问题,最终通过求解两个LMI来构造输出反馈控制律.     

基于自适应最优控制的有限时间微分对策制导律

针对固定末端时刻拦截机动目标的制导系统,本文首先构建了非线性有限时间微分对策框架,将导弹拦截非线性系统的最优问题转化为一般非线性系统的最优控制问题,并通过自适应动态规划算法(adaptive dynamic programming, ADP)获得近似最优值函数与最优控制策略.为了有效实现该算法,本文利用一个具有时变权值和激活函数的评价网络来逼近Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)方程的解,并在线更新.通过李雅普诺夫法来证明本文提出的控制策略可保证闭环微分对策系统稳定性和评价网络权值近似误差的有界性.最后给出一个非线性导弹拦截目标系统的仿真例子验证了该方法的可行性和有效性.     

多约束下基于能量耗散的再入轨迹优化设计

研究了多约束条件下的再入轨迹优化设计.引入了能量的概念,以它替代时间作为积分变量,解决了再入过程的时间不确定问题.在此摹础上,依据再入段特性确定出控制变量的大致模型,从而将对最优控制变量的寻找转化为对控制模型参数的优化,使得优化控制易f实现;对过程约束和终端状态约束进行处理,构成性能指标函数的辅助部分,从而将有约束优化问题转化为无约束优化问题,然后用单纯形替换法来求解.仿真结果表明方法能够比较快速地获得一条满足再入约束条件的优化轨迹,且优化算法简单,容易实现,具有较好的工程应用前景.     

基于最优控制的仿人机器人行走振动抑制

针对仿人机器人行走过程中由腿部非刚性特性引起的振动,提出了一种基于最优控制的行走振动抑制方法．首先对振动进行建模,并将这一模型加入到原有机器人动力学模型中去．然后基于拓展的动力学模型,使用预观控制方法求取一条符合质心加速度约束的控制轨迹,作为求解最优控制问题的初始解．进而由此初始解出发,迭代求解此带约束的最优控制问题,利用得到的最优控制轨迹即能以前馈方式抑制行走过程中的振动．最后,使用预观控制方法和本文方法在仿人机器人“空”上进行行走对比实验．实验结果表明提出的方法显著减小了机器人行走过程中零力矩点（ZMP）的振荡和躯干的晃动．该方法对行走振动抑制的有效性得到了验证．