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工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

给复杂的流动系统装上“自动驾驶”

2026-08-17
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日常生活中,我们对“控制”这个词并不陌生。比如,设定好空调的温度,房间就会慢慢达到并保持在这个温度;高速公路上开启汽车的“定速巡航”,车辆就能稳定在一个速度行驶,哪怕遇到上下坡(外界干扰)也能自动调节油门。


上述这些系统主要是在“时间”上发生变化。在工业生产和自然界中,很多事物不仅随时间变化,还随“空间”变化。比如在一条长长的化工管道里,流体在不同位置、不同时刻的温度和浓度都是不一样的。科学家们用 “偏微分方程(PDE)”这一数学工具来描述这类复杂的系统。这篇研究正是解决了一类特殊偏微分方程(一阶双曲系统)的“定速巡航”问题。在控制理论中被称为“输出调节问题”(Output Regulation Problem)。


想象自己是一条流体管道的总工程师。你的任务有两个:第一,让管道出口的流体温度(系统输出),精准跟随一个预设的周期性变化曲线(参考信号);第二,无论外界环境温度怎么干扰管道(外部扰动),都要保证温度控制不受影响。在控制理论中,不断发出“参考信号”和“扰动信号”的源头被称为“外系统”(Exosystem)。


困难在于,一阶双曲系统内部的变量是互相耦合的,就像管道里的压力和温度会互相影响,而且它们像波浪一样在空间中传递。如果在管道的一端(边界)进行操作,如何确保整个长管子里的流体最终在另一端达到精准的理想状态呢?为了解决这个问题,研究人员使用了两套核心工具和方法:


1. 寻找理想状态:Sylvester 方程

要让系统按要求工作,首先得知道系统内部各个位置到底应该保持在什么样的一种“理想状态”。研究人员通过建立和求解一组复杂的数学方程(偏微分 Sylvester 方程),找到了这个理想状态的“地图”。就像是给自动驾驶系统输入了精确的导航路线。


2. 核心控制策略:反步法(Backstepping)

找到了路线,还得有可靠的方向盘。这里用到了偏微分方程控制领域非常经典的方法——反步法。

直接控制一个混乱复杂的系统很难,但可以通过一系列的数学空间变换,把复杂的真实系统映射成一个已知、稳定、听话的“目标系统”。在这个映射过程中,研究人员能计算出需要的“控制增益”。这就好比给原本难以驾驭的烈马,量身定做了一套最合适的缰绳。


3.观测器与误差反馈

最理想的情况下(状态反馈),管道上密密麻麻装满了传感器,能知道每一个点的状态。在现实工程中,传感器很贵,且通常只能安装在边界处。只能测量到“当前输出与目标输出的误差”。


为此,科学家设计了一个“观测器(Observer)”。相当于在电脑里建立了一个管道的“数字孪生”。通过边界测量数据,观测器能够实时推算、估计出管道内部各个位置的真实状态。基于这种估计做出的控制称为“误差反馈控制”。

 

为了验证这套理论是否有效,研究人员在论文中进行了数值模拟实验。他们设定了“2×2 线性一阶双曲系统”(内部包含两个互相影响的状态变量,比如我们可以具象化为流体的温度和浓度)。外系统发出的指令是一个类似波浪线的正弦周期信号。通过计算机模拟,可以直观地看到系统的变化过程:


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在没有加入控制之前,系统状态可能是发散或无序震荡的。但是,一旦加入了作者设计的控制策略,从三维图(图1和图2)中清晰地看到,随着时间的推移(时间轴向前),两个状态变量在整个空间(空间轴从0到1)上,原本杂乱无章的波动被迅速“抚平”,开始按照外系统给定的规律进行有节奏、稳定的周期性波动。


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图3展示了安装在边界上的“执行器”(比如调节阀门)是如何工作的。曲线显示,一开始阀门有较大幅度的调整,为了快速纠正系统的偏差;随着系统逐渐步入正轨,控制输入变成了一个平稳的周期性动作,刚好抵消干扰并维持系统的运行。


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这张图记录了“实际输出”与“目标输出”之间的跟踪误差。在图4中可以发现,在误差反馈控制下,代表误差的曲线在最初的短暂波动后,迅速且平滑地趋近于“0”,并一直保持在“0”这条水平线上。证明系统不仅追上了目标,而且完美地排除了干扰。


学者介绍:徐晓东,中南大学自动化学院特聘教授、博士生导师,国家级青年人才(海外优青)。主要从事智能制造技术及工业应用研究,研究方向包括人工智能驱动的分布参数系统感知与控制、工业过程状态估计及故障诊断、数据驱动与强化学习先进控制、工业系统智能建模,以及智能车和机器人巡检与路径优化等,聚焦人工智能、机器学习与先进控制技术在流程工业及有色金属智能制造中的应用。


ORCID:0000-0003-4795-9967


DOI:10.1080/00207179.2015.1060363

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