2020年, 第27卷, 第10期 
刊出日期:2020-10-20
  

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  • 柴慧敏, 陈奋增, 方敏, 赵昀瑶
    控制工程. 2020, 27(10): 1657-1664.
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    针对未知环境下的移动机器人避障问题,提出了贝叶斯网络模型和模糊理论相结合的避障方法。首先根据机器人避障的基本情况分类,建立了避障贝叶斯网络模型;在避障过程中,机器人行进的前方[10 °, 170 °]范围划分为 5 个区域,依据传感器数据提取不同区域的障碍物目标要素;分别建立障碍物目标的距离和角度属性的模糊隶属函数,将障碍物目标要素的距离和角度信息映射到避障贝叶斯网络模型征兆节点的取值状态上,以获得推理的输入证据;采用贝叶斯网络消息传播的推理方法,计算结果节点的后验概率值,选择后验概率值最大的取值状态,作为移动机器人避障的动作处理结果。通过对避障贝叶斯网络模型的实验测试,及在 4 种典型仿真场景下的避障测试,结果表明:避障贝叶斯网络模型的推理结果与预期相符,机器人能够安全通过障碍区。
  • 杨辉, 夏贤隆, 陆荣秀
    控制工程. 2020, 27(10): 1665-1671.
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    针对管廊环境影响指标的多样性、测量数据的波动性以及传感器可信度带来的不确定性,提出一种基于多传感器数据融合的管廊环境评估方法。首先,构建了以舒适性和安全性 2 个综合指标及 6 个环境指标为主体的管廊环境评估指标体系;其次,考虑到传感器测量数据的波动性和不确定性,将测量数据用区间数表示,经箱线图将异常值剔除后,与评估等级特征值比较,得出各环境指标的等级置信度;然后利用证据推理方法将指标等级置信度转化为 mass 函数并按组合规则融合成综合指标等级置信度,根据决策准则,判断得到管廊环境等级状态。最后对某市地下综合管廊两分区环境进行评估,与模糊综合评价法相比,所提方法的评估结果更符合现场实际情况。

  • 刘业峰, 李康举, 赵元, 田林琳, 陶林
    控制工程. 2020, 27(10): 1672-1678.
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    以数字化工厂平台的软、硬件构建为基础,针对产品制造过程中加工单元、仓储物流系统和车间信息化管控系统的分布式协同与优化。提出基于分布式并行协同的智能数字化工厂架构;给出基于分布式并行协同的工作流程和 5 种匹配模式;给出以尽量减少总生产和运输成本为目标的优化模型;提出基于上述 3 个维度的数字化工厂的智能制造过程是一个基于分布式多加工单元、多任务、多时间跨度、多智力资源环境的整体的三维并行协同过程。最后,对沈阳工学院数字化工厂进行了架构构建,通过给出的层次结构模型、组件和搭建的硬件网络,证明了所搭建的分布式协同系统是有效的和可行的。
  • 宋大雷, 臧文川, 郭亭亭, 孙伟成, 孙玉桢
    控制工程. 2020, 27(10): 1679-1685.
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    研究了以航程及精度为准则的水下滑翔机全局多目标路径规划。首先结合 OUC-Ⅲ滑翔机执行机构能耗及运动规律建立了系统能耗计算表格;然后通过对运动纵平面内的滑翔形式对比,以及水平面内的定航运动控制参数选取的分析,建立了滑翔机全局路径规划模型;为解决路径规划过程中面临的带约束混合非凸多目标优化问题,应用改进的人工蜂群算法对综合航行指标最均衡的控制参数进行了求解;最后将获得的结果与海试数据对比判定解的质量。仿真结果显示算法可有效提升滑翔机长航程航行的综合性能。
  • 唐非, 张瑞友, 刘树安
    控制工程. 2020, 27(10): 1686-1692.
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    为提高机场地面服务质量,在考虑不同服务的基础上,以特种车辆运营成本最小化为目标建立数学模型。由于问题为大规模组合优化问题,目前的优化方法很难获得最优解。根据问题归约法,利用不同服务之间的并行和时序服务关系,将协调调度问题降阶为存在服务时间关联的并行服务子问题和时序服务子问题。进而在原问题的基础上分离并修正了两个子问题的数学模型,并提出了解决两个子问题的启发式算法,通过整合其求解结果获得了问题的解。实验及分析表明,该算法能够仿真机场地面服务中多服务协调调度过程,降低了地面服务公司的运营成本。
  • 苏析超, 张勇, 俞胜平, 杨戈
    控制工程. 2020, 27(10): 1693-1699.
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    舰载机机群维护保障任务规划问题是制约作战能力的重要瓶颈。以保障完工时间最小化为优化目标,构建机群维护保障任务规划的数学模型,并提出了改进的交叉熵算法。首先,采用截断高斯分布函数作为采样分布模型,确保搜索空间的有效性;其次,引入全局精英样本概念,增强算法的全局搜索能力和收敛速度;此外,引入双向对齐局部搜索,进一步提升算法的探索能力。基于机群出动保障的案例仿真结果表明,所提出的改进交叉熵算法具备更强的优化性能和更快的收敛速度,且鲁棒性更强,具备工程应用价值。
  • 冯慧娟, 苗青, 苗双, 王军伟, 张艳蕊
    控制工程. 2020, 27(10): 1700-1704.
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    新工科建设对智能机器人课程教学改革提出新的要求,而在全面深化智能机器人教学改革过程中,教学模式的改革至关重要。在课程培养目标指导下,提出智能机器人课程“1+N”教学模式改革方式,建立教学阶段、教学目的、教学模式、教学内容的分层对应关系,并将“1+N”教学模式引入“智能搬运机器人创新设计与实践”课程教学中,在此基础上,组建“匠心训练营”及“竞赛备战班”的课程延伸活动,及时反馈和修正教学内容和方式。实践表明,该教学模式在培养学生创新实践能力及解决复杂工程问题方面发挥很好的作用。
  • 杨泽鑫, 肖健梅, 王锡淮, 高迪驹
    控制工程. 2020, 27(10): 1705-1713.
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    为了提高船舶电力系统运行的经济性和环保性,提出一种基于改进差分进化算法的能量管理优化策略。建立含有轴带发电机的船舶电力系统能量管理数学模型,在考虑船舶电力系统运行限制以及温室气体排放(Greenhouse Gas, GHG)限制的条件下,以最小运行消耗为目标,采用改进差分进化算法,使用实数编码,对船舶航行速度和运行机组启停状态、功率分配进行优化调度。以某客渡船的航行数据为例,实验结果证明了该方法的有效性。与已有方案相比,应用所提出方法的船舶电力系统运行成本更低,温室气体排放量得到了有效的控制,船舶电力系统的工作效率和船舶燃油经济性得到显著改善。
  • 康宁宁, 李梓欣, 李川, 李英娜, 王昕
    控制工程. 2020, 27(10): 1714-1719.
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    日最大负荷是表征日用电负荷的重要特征之一,对日最大负荷的预测可为合理安排日发电计划提供重要的支持。为提高预测的准确性,文中提出用最大相关最小冗余特征选择算法(mRMR 特征选择)分析负荷与其影响因素之间的关系,筛选出影响负荷变化的主要因素;并运用小波分析的原理对日最大负荷进行频域分解,得出低频分量和高频分量,针对不同分量的特点构建相应的预测模型进行预测,最后把各分量的预测结果进行重构作为最终的预测结果,实验证明,与其他预测方法相比,文中所用方法能取得较好的预测结果。
  • 穆建文, 綦智硕, 王林
    控制工程. 2020, 27(10): 1720-1725.
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    并行微反应器系统是微化工在工业生产中得以应用的有效手段,并行系统中如果存在阻塞故障,将影响产品质量和产量。首先建立了一个并行微通道的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD) 仿真模型,在确保每个微反应器流量一致性的前提下,针对单管全阻塞条件,利用温度检测模型,研究了最优传感器位置和传感器数量配置的优化问题。然后,以 4 通道并行微反应器为研究对象,对在模型中配置 2~4 个温度传感器分别进行研究,以在模型中进行等间距配置时的方案为优化初始解,最后求得最优的配置方案。通过在目标函数中定义的控制传感器个数控制函数,分析了配置不同个数传感器时优化目标的变化趋势,最后确定了传感器的最佳配置个数,以此来对系统中阻塞故障进行有效地诊断。
  • 兰文宝, 车畅
    控制工程. 2020, 27(10): 1726-1735.
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    针对非均匀光照图像分割精度不高等问题,提出了一种融合灰度相对变换和非局部均值的模糊熵分割算法。首先利用非局部均值滤波对图像进行去噪,将像素与局部极值的相对值代替像素本身灰度值,根据灰度相对变换求取局部隶属度,引入 Sobel 算子修正隶属度,降低灰度跳变对分割的影响;借助非局部空间信息整合水平-垂直两个方向建立隶属度矩阵,继而进行直觉模糊化形成直觉模糊熵;最后利用最小熵值法分割图像。仿真实验表明,本文提出的分割算法取得了较好的分割效果,并在错分率、过分割和欠分割等评价指标上至少提高 13.59 %、3.18 %和 2.48 %。
  • 徐礼金
    控制工程. 2020, 27(10): 1736-1742.
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    针对专家在突发公共事件发生之后的应急控制系统选择评价问题,构建了基于直觉模糊语言偏好关系(Intuitionistic Fuzzy Linguistic Preference Relation, IFLPR)一致性改进算法的决策模型。首先,引入了 IFLPR 的乘性一致性和一致性指数的概念,并探究了完全乘性一致 IFLPR 与直觉模糊排序权重向量之间的转化关系;其次,以偏差最小化为目标函数建立线性规划模型确定最优偏差值,从而构造完全乘性一致 IFLPR;最后,提出了基于IFLPR 一致性改进算法的决策模型,并验证其收敛性。通过应急控制系统的选择评估实验,说明了模型的可靠性。
  • 郑国贤, 张磊, 张华希
    控制工程. 2020, 27(10): 1743-1750.
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    提出了一种基于多传感器融合的移动机器人自主探索与地图构建方法。首先,提出了一种基于激光、RGB-D 相机和惯性测量单元的实时 2D 栅格地图和 3D 点云地图构建方法,采用 RGB-D 相机和惯性测量单元融合的方法,提升了位姿输出的频率,保证了采用激光数据和 RGB-D 数据进行建图的稳定性。其次,提出一种基于可通行区域的探索目标点快速提取方法,以补充原有的方法在复杂室内环境下提取探索目标点失效的问题。最后,通过改进的避障模块实现机器人的运动控制,使得机器人安全地探索目标。同时,本系统采用 ROS 的分布式架构,将整体算法合理地分配到服务端和客户端,降低了系统实现的硬件要求。不仅如此,设计了多目标导航界面,使人机交互更加方便和满足多任务部署。实验结果验证了方法的有效性。
  • 孟学斌, 齐咏生, 李永亭, 刘利强
    控制工程. 2020, 27(10): 1751-1759.
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    为了使四旋翼无人机实现自主精准的降落在地面起落平台上,以对其进行固定保护、充电续航以及移动运载,设计了一个由正三角形和圆环组成的视觉识别标志,并基于该识别标志提出一种基于视觉的四旋翼无人机自主降落算法。该算法根据无人机的飞行高度设计为两阶段控制,第一阶段通过识别标志的正三角形解算出无人机与识别标志中心的位置参数;第二阶段利用同心圆环及其内部的航向参考线确定无人机与识别标志中心的位置偏差和偏航角,最终完成无人机的姿态调整和自主降落。实验表明,该算法能够准确的提取出标志特征,实时计算出无人机相对于识别标志的位置信息和角度信息,实现精准降落。
  • 卢进南, 单德兴, 谢苗, 黄亚星
    控制工程. 2020, 27(10): 1760-1767.
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    准确性和重复性是水流量检测试验器最重要的性能指标。为提高试验器的检测精度,以某航空叶片水流量检测试验器为研究对象,在分析其工作原理和电动调压阀性能的基础上,采用模糊PID控制器,配合遗传算法对控制器参数进行优化。提高水流量试验器压力和流量的双稳定性,并确保叶片流量检测结果准确性和系统重复性满足测量要求。经与常规控制算法仿真结果比较以及大量实验结果对比表明,叶片流量测量准确性误差小于± 0.2 %,系统重复性误差小于± 0.5 %,远高于实际测量要求精度。
  • 郑鹏飞, 郭崇滨, 陈宏宇
    控制工程. 2020, 27(10): 1768-1775.
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    在含有纯滞后环节的二阶被控对象工业过程控制系统中,为解决传统的控制系统调节时间过长、有超调量、抗干扰能力差等问题,根据双容水箱的数学模型,结合模糊控制和预测控制的优势,提出一种模糊预测 PI 控制器,并设计相应的串级智能控制系统。控制系统内回路采用预测 PI 控制器,外回路采用模糊预测 PI 控制器,在 Matlab/Simulink中进行了仿真实验,并与其他常见的控制方案进行了对比分析。实验结果表明,提出的串级智能控制系统针对二阶加纯滞后环节对象调节时间短、无超调量、鲁棒性强,控制品质较高。
  • 云善起, 徐世许, 王伟, 王鹏, 张建新
    控制工程. 2020, 27(10): 1776-1780.
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    大部分枕式包装机的控制系统基于 PLC 和伺服驱动装置开发,存在精度低、响应慢、设计复杂和调试繁琐等缺点。利用欧姆龙 NJ 运动控制器,设计了基于电子凸轮飞剪的枕式包装机控制系统。研究电子凸轮运动规律,建立数学模型,设计电子凸轮飞剪算法并进行三次方优化,解决了拉膜轴、输料轴、端封轴三轴协调同步问题。利用 NJ 编程软件 Sysmac Studio 编程实现控制功能。仿真和实验结果表明,三次方优化的凸轮与一次方的凸轮相比,明显减小了端封过程中冲击导致的设备抖动,使端封切割过程的精度更高、速度更快、冲击更小。所述控制方法和系统可以提高枕式包装机的效率和精度,已成功应用于实际生产。
  • 吴宗礼, 李绍勇, 魏先宏, 李海林, 韩喜莲
    控制工程. 2020, 27(10): 1781-1787.
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    汽—水型热交换器作为热力站当中的重要设备之一,具有非线性、参数时变和时滞等动态特性。首先,综合分析集中供热工艺和自动控制的相关要求,对汽—水型热交换器的各个组成单元分别进行建模,确定主控制器为供水温度PIλ Dμ控制器(Water Supply Temperature Fractional Order Proportional Integral Derivative Controller, WST-FOPIDC)和副控制器为蒸汽流量PIλ 控制器(Steam Flow Fractional Order Proportional Integral Controller, SF-FOPIC)的串级控制策略。其次,应用修正的粒子群优化算法(Modified Particle Swarm Optimization Algorithm, MPSOA),分别整定出 WST-FOPIDC 和 SF-FOPIC 的 8 个控制器参数最佳值。最后,基于MATLAB 工具,对该串级系统进行组态和数值仿真相应地控制效果。结果表明,该串级系统在理论上是可行的,可以获得更为满意的控制效果,且供水温度的控制效果明显优于基于 Ziegler-Nichols(Z-N)整定法的供水温度 PID-蒸汽流量 PI 串级调节系统。
  • 白涛, 张军, 叶敏, 李义斌
    控制工程. 2020, 27(10): 1788-1794.
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    为解决在远程监控中传统数据采集传送单元无法适应摊铺机中多接口通讯的问题,设计了一种基于多总线通讯接口的数据采集与传输终端及其摊铺机远程监控系统。该系统以 STM32 和通信 MC20 模块为硬件核心,设计了 CAN、RS232 及 RS485 的多总线通讯接口的终端,利用嵌入式系统的多任务调度与管理机制,实现了多总线接口数据实时采集与异构通信网络协议的转换,并通过 MC20 上传监控中心。在远程监控中心端,采用ASP.Net 与 SQL Server 2005 设计了基于 B/S 架构的远程监控系统软件,并进行了室内数据采集传输与远程监控实验。实验结果表明,系统能够实现远端通过浏览器对设备的运行状态、位置轨迹等实时监控。该研究为其他多接口设备的远程监控提供了依据。
  • 解军帅, 徐泉, 秦泗钊, 张逢博
    控制工程. 2020, 27(10): 1795-1801.
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    高速列车速度快,传感器采集的频率高,数据更新速度快,因此采集到的数据量大,对故障诊断系统的数据存储、管理和分析能力提出了巨大的挑战。针对目前的高速列车故障诊断系统难以有效处理海量数据的情况,设计了一种基于大数据的高速列车海量数据故障分析系统。采用当前流行的大数据处理工具构建了能够处理海量高铁数据的大数据基础支撑平台,能够高效的存储、管理高铁的海量传感器数据。并且针对传统故障诊断方法在海量数据的时候建模速度很慢甚至无法建模求解的问题,在大数据基础支撑平台的基础上研究了能够对海量高铁数据进行建模的分布式算法,提高了海量高铁数据故障建模的效率。最后通过 Speedup、Sizeup、Scaleup 这 3 个性能指标对系统集成的 PCA 故障建模算法(以分布式 PCA 故障建模算法为例)的效率进行验证,验证结果表明系统中的分布式算法在 3 个性能指标上都有良好的表现,能够有效进行大数据量的故障分析,为高速列车的故障诊断提供可靠的保证。
  • 谢国民, 黄睿灵, 刘明, 屠乃威
    控制工程. 2020, 27(10): 1802-1806.
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    煤与瓦斯突出预测是一个复杂多因素的、非线性的高维问题,传统的预测方法存在预测精度不高,预测速度慢等不足。针对上述问题,提出了将地标等距特征映射(Landmarks Isometric Mapping, L-Isomap)理论与核极端学习机(Kernel Extreme Learning Machine, KELM)相结合应用到煤与瓦斯突出预测中的新方法。首先,采用 L-Isomap 进行非线性降维,完成特征提取;然后,用 KELM 来融合煤与瓦斯突出风险与致突因素组成的特征向量之间的非线性关系,建立煤与瓦斯突出预测的 L-Isomap-KELM 模型,并将其与极端学习机(ELM)预测模型相比。仿真结果表明:L-Isomap-KELM 预测模型能够达到97.31 %的准确率,并且运算速度快,还具有很好的泛化能力。
  • 黄煜栋, 沈华峰
    控制工程. 2020, 27(10): 1807-1811.
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    针对网络目标防护,提出一种基于多目标优化决策的帕雷托解的方案。构建了符合网络信息对抗需求的网络目标防护方案评价指标体系,设计了网络目标防护的数学模型,在此基础上,根据决策者偏好赋权得到优化方案的满意解。标准实例分析表明,多目标决策帕雷托解的应用能够缩小决策范围,在指挥决策领域具有很好的参考价值。
  • 许智伟, 吕聪, 雷德明
    控制工程. 2020, 27(10): 1812-1819.
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    针对可重入混合流水车间调度问题(Reentrant Hybrid Flow Shop Scheduling Problem, RHFSP),提出一种基于新型优化机理的教学优化(Teaching-Learning-Based Optimization, TLBO)算法以最小化最大完成时间,该算法将学生分成好学生和差学生,主要步骤为教师阶段和学生阶段,其中,教师阶段包括教师的自学和交互学习,学生阶段包括学生接受教师的教学、好学生相互学习和差学生的强化学习。运用多邻域搜索实现教师的自学,其他阶段都通过全局搜索来实现。取消差学生的相互学习以避免低效率搜索。大量的实验结果表明,新型 TLBO 是解决 RHFSP 的一种有效方法。
  • 陈浩浩, 樊渊
    控制工程. 2020, 27(10): 1820-1827.
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    相对于传统的采样控制,事件触发控制可认为是一种非均匀的采样控制方法。结合最优控制理论,研究了线性系统基于事件触发采样机制的线性二次型(Linear Quadratic Regulator, LQR)最优控制器设计方法。首先,给定使得系统从初始状态到达平衡点的最小性能指标通过极小值原理求解系统的最优反馈控制律;其次,结合输入到状态稳定(Input-to-state Stability, ISS)给出了使得闭环系统渐近稳定的触发条件;再次,引入了动态事件触发条件以进一步减少采样次数。最后,仿真结果表明,在相同条件下,所提出的最优事件触发控制与传统的采样控制相比,能极大减少信息传输次数,从而在一些实际系统中有望节约通信和计算资源。
  • 李凯, 陈志梅, 王贞艳, 邵雪卷
    控制工程. 2020, 27(10): 1828-1833.
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    为了进一步提高电机控制系统的性能,保证全局快速收敛,提出了一种全局自适应非奇异快速终端滑模控制方法。首先,建立了异步电动机数学模型,设计了一种全局非奇异快速终端滑模面;然后,引入自适应律,设计出一种全局自适应快速终端滑模控制器,利用李雅普诺夫函数对全局自适应非奇异快速终端滑模控制进行了稳定性分析;最后,进行了仿真验证。仿真结果表明:全局自适应非奇异快速终端滑模控制能够使电机转速更快的趋于稳定,滑模抖振得到进一步的抑制,抗干扰能力更强,鲁棒性更好。
  • 李文, 杨振南
    控制工程. 2020, 27(10): 1834-1837.
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    悬臂式掘进机掘进系统为液压时滞系统,其具有结构复杂且负载突变等特性。针对悬臂式掘进机掘进液压控制系统 PID 参数经验法整定及模糊控制法整定困难、烦琐且易出现振荡和超调,从而导致控制系统动静态性能不佳等问题,提出了一种非线性变化惯性权重、随机取值学习因子、佳点并行搜索的改进 PSO 算法,并应用在掘进液压控制系统 PID 参数的优化上。结合控制系统的传递函数,采用 Matlab 进行仿真分析,其动静态参数对比表明其性能较优,验证了在复杂工况下算法的有效性,增强了掘进系统的稳定、高效和自适应性能。
  • 刘丽丽, 左继红
    控制工程. 2020, 27(10): 1838-1844.
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    针对四旋翼飞行器动态运行过程中存在的模型不确定、多变量非线性及外界干扰等问题,采用神经网络高斯径向基函数(Radial Basis Function, RBF)逼近线性自回归模型(Auto-regressive Exogenous, ARX)的方法建立该系统的RBF-ARX混合模型,并基于该RBF-ARX 混合模型设计了一种自校正轨迹跟踪多步向前预测控制器。该法首先构建四旋翼飞行器的 RBF-ARX 模型结构,辨识并优化模型参数,基于此模型多步向前预测对象输出,计算与实际飞行轨迹偏反馈补偿,有效解决耦合或干扰造成的轨迹跟踪偏移。通过实时控制实验数据分析,验证该方法的有效性和可行性。
  • 黄祎
    控制工程. 2020, 27(10): 1845-1850.
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    地理源路由(Geographical Source Routing, GSR)没有考虑车流量信息,不适用于车联网 (Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs)的城市环境。面对 VANETs 的城市环境,提出基于 GSR 的有效改进路由(Efficient GSR, EGSR)协议。EGSR 路由基于蚂蚁算法发现路由,进而优化网络连接。EGSR 路由假定每辆车拥有城市道路的数字地图。将小型控制包称为蚂蚁,位于十字路口区域的车辆就传输蚂蚁。再利用蚂蚁所携带的信息,车辆计算道路的权重,且权重正比于道路的网络连接。最后,源车辆就利用具有最大权重的路径传输数据包。与基于蚁群优化(Vehicular-ant Colony Optimization, ACO)的 VANET路由相比,EGSR 路由的数据包传递率提高了近 10 %,同时路由开销和端到端传输时延
    也得到有效控制。