前言

在自然界中,由于扰动、误差及各种人为、环境因素的存在,任何实际生产生活中的系统都在不同程度上具有某种非线性特性,比如飞行器系统、工业生产和电力系统等.然而,大多数关于非线性系统的分析或设计问题很难在线性系统理论的框架下得到圆满解决.因此,近几十年来,非线性系统的分析与设计问题成为控制领域的研究重点.随着科技的高速发展,控制系统变得越来越复杂,其非线性特性越来越强,对控制器的性能要求也越来越高,非线性系统理论受到相当大的挑战.同时,机器人的发展,宇宙飞行器、直升飞机、大型柔性结构的控制,都是非常复杂的非线性系统问题,这就促使非线性系统的分析与设计理论需要得到进一步研究和发展.

在非线性系统的控制研究中,稳定性是一个基本问题.混杂系统理论的研究为非线性系统的镇定和稳定性分析提供了很好的借鉴.作为一类典型的混杂系统,切换系统已经受到了广泛重视.然而,由于其内在复杂的特性,切换系统的研究仍然存在很多挑战性的科学问题尚待解决.此外,由于实际系统不确定或干扰的影响,如何保证非线性系统的稳定性变得更加困难.其中,自适应控制和鲁棒控制是应对不确定性或干扰的有效手段,己广泛应用于航空航天、工业生产、机器人等诸多领域.另外,由于设备或技术要求的内在限制,在操作空间中,大多数系统必须满足一些物理限制或约束.如果系统在运行过程中违背了限制或约束,可能会导致一系列严重后果,如系统的性能下降、系统被损坏等.因此,受限非线性系统控制问题的研究需要得到重视且具有重要实际意义.同时,随着计算机和网络技术在控制系统中的普及,系统各组件之间的通信都是通过网络进行传输,这时,如何在计算和资源受限下保证非线性系统的良好性能也是具有挑战性的问题.目前,非线性系统的控制设计结果在实际中已广泛应用,比如航空航天、工业生产、机器人和电力系统等,然而仍存在很多未解决的难题,尤其针对复杂非线性系统的分析与设计并将理论结果应用于实际系统.本专刊关注非线性系统的分析与设计理论研究进展与应用成果,共录用51篇论文,本期刊发25篇,其中基础理论与算法相关论文17篇,包括切换系统的分析与控制设计4篇,非线性系统的优化与镇定7篇,非线性系统的自适应控制与数据驱动控制6篇,此外,非线性系统理论在机器人、航空航天、电气系统等领域的应用相关论文8篇.

在切换系统的分析与控制设计方面,李占杰等针对不确定网络攻击下非线性切换多智能体的安全控制问题,提出了一套安全自适应控制方法,保证了受攻击系统在任意切换下实现渐近输出一致.孙振东等在切换系统可观测的假设下,设计了具有多线性时变增益的动态观测器,实现了有限时间状态估计,并设计了多路径动态输出反馈切换策略,实现了闭环系统指数收敛.解红珍等研究了一类具有不稳定子系统和混合时滞的切换系统的耗散性和指数镇定问题,为消除不稳定子系统给时滞系统带来的不利影响,采用了一种新颖的切换信号设计方法-将模态依赖平均驻留时间的慢切换和快切换方法相结合.李实等在任意切换信号作用下研究了非线性切换系统的输出反馈周期事件触发控制问题,所考虑的非线性系统采用非严格反馈形式且含有未知控制系数.

在非线性系统的优化与镇定方面,龙离军等从控制输入空间和状态空间的角度分别分析了QP求解可行性以及CLF和CBF中参数对QP求解可行性和系统性能的影响,提出了一种CLF-CBF-QP新形式来提高优化问题的可解性,并在考虑动态系统本身的体积且环境中存在动态障碍物时,设计了一种CBF新形式使其仍能保证系统的安全性.张苗苗等在每个智能体只能与自身的邻居交互以更新自身状态的假设下,研究了预设时间下的分布式优化和纳什均衡点求解问题,并分别设计了预设时间分布式协议.庄乾辉等提出了信息物理融合系统中具有反应扩散效应的时滞恶意病毒传播模型,研究了恶意病毒传播的空间格局动态演化机制,为恶意病毒在信息物理融合系统中的预测和控制提供了战略指导.李枝强等针对一类具有时变扰动的非线性多智能体系统,研究其在有向拓扑下的一致性跟踪问题,提出了一种基于精确估计的复合自适应预设有限时间漏斗控制方法,通过结合智能体间的拓扑结构与权值复合更新律的设计思想,建立复合估计模型来提高逼近精度,进而增强多智能体系统的鲁棒性.王清华等通过设计输入时滞补偿动态变量,构造Funnel函数结合非线性滤波器设计了带有输入补偿动态变量的新型动态面Funnel控制方案.李文杰等建立了非线性时滞系统基于降阶观测器的反步镇定控制设计方案.孙猛等针对具有输出非对称死区的非严格反馈非线性系统,设计了一种自适应神经网络控制器,相较于输出对称死区,输出非对称死区更具一般性和广泛性,也更具实际工程研究价值.

在非线性系统的自适应控制与数据驱动控制方面,张宇等针对含不确定关联项的级联RTAC系统的镇定控制问题,提出了一种基于动态神经网络辨识的分散控制方案,通过动态神经网络辨识不确定关联项、补偿系统建模误差,建立了级联RTAC系统分层滑模控制算法,以实现级联RTAC系统的高精度分散镇定控制.林雷等针对系统输出中存在正的且有界的乘性噪声情形,研究了一类非线性系统的自适应抗测量噪声的输出反馈镇定问题,给出了闭环系统渐近稳定的充分条件.周靖峰等研究了前提不匹配的区间2型模糊系统的事件触发预测控制问题,提出了一个区间2型模糊系统模型,包括一个动态事件触发机制和一个预测控制器,得到了系统稳定的充分条件和控制器增益.邱伟文等针对执行器受Preisach类型磁滞约束的严格反馈系统的预定暂态性能跟踪控制问题,提出了自适应神经网络控制方法.李应森等针对具有传感器故障的一类严格反馈非线性系统,设计了一种有限时间自适应动态面容错控制方案.杨中林等研究了线性系统的事件触发输出反馈有限时间有界控制.

关于非线性系统理论在机器人、航空航天、电气系统等领域的应用,孙国法等针对机械臂系统存在建模误差及未知扰动问题,设计了一种基于扰动观测器的改进型非奇异快速终端滑模控制策略,在提高机械臂系统跟踪误差收敛速度的同时能够削弱控制器输出抖振,避免终端滑模存在的奇异性问题.为满足故障及扰动状态下系统的性能需求,刘舒畅等提出了一种基于自适应线性自抗扰控制的飞机防滑刹车系统重构控制设计方法.丁海旭等针对城市固废焚烧过程中因机理反应复杂等原因导致被控对象模型难以建立的问题,设计了一种基于T-S型模糊神经网络的多输入多输出模型.王兴贵等针对MMC半桥串联结构微电网并网电流控制中,采用传统PI控制方法时其动态性能较差的问题,提出了一种基于无源控制的并网电流控制策略.石尚等针对具有未知参数的不确定Chua电路系统,提出了基于Volterra积分算子的固定时间自适应参数估计算法,有效地消除系统初始值的影响,同时避免了对系统输出导数的计算.徐宝昌等针对钻井系统这类不可测状态中含有未知参数的非线性系统,提出了一种新的自适应观测器设计方法,对传统观测器匹配条件进行改进,使其能够对MPD系统中的未知参数进行解耦.盖文东等研究了基于动态事件触发的无人机非线性系统故障检测问题,提出了新的动态事件触发Hi/H∞故障检测方法,在动态事件触发条件下,实现了故障检测滤波器残差与事件传输误差完全解耦,能够避免连续通信和Zeno现象.李茂青等建立了基于多质点模型的动车组精准停车自适应控制设计方法.

由于时间关系以及控制理论与多学科交叉融合的特点,专刊发表的论文可能存在不足,代表性也不够全面,敬请谅解.感谢作者分享他们的研究成果,感谢审稿专家对投稿提出的宝贵意见,感谢《控制理论与应用》编辑部对专刊出版给予的大力支持,他们严谨、高效的工作确保了专刊能够和读者及时见面.