控制工程

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宋雪, 罗浩, 尹珅, 丁先春

控制工程. 2020, 27(4): 587-592.

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为保障工业系统高效安全地运行，主要研究对于一般工业系统基于数据驱动的过程监测系统设计方法。首先，借助互质分解技术学习故障诊断观测器的参数化形式，在已有数据驱动设计方法的基础上，将单维的基于观测器的残差产生器扩展至多维，研究基于多维残差产生器的过程监测系统设计。其次，针对工业系统中普遍存在的非线性、系统不确定性和工作点变化等问题，基于自适应观测技术还为多维残差产生器设计了自适应更新策略。最后通过在三水箱仿真系统中的案例学习验证了所提出的数据驱动设计方法。

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分布式有限缓冲区流水车间混合EDA调度

王垒, 摆亮, 钱斌, 胡蓉, 祝晓红

控制工程. 2020, 27(4): 593-598.

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在实际工业生产背景下，针对具有NP难特性的分布式有限缓冲区流水车间调度问题，提出了一种混合分布估计算法，用于最小化最大完成时间。首先，由于已有算法无法保证局部搜索后概率模型对优质个体分布统计的准确性，提出了反最小完成工厂映射规则；然后，引入基于Swap邻域和基于Insert邻域的局部搜索，进一步加强算法的局部搜索能力，从而对HEDA全局搜索得到的优质解区域进行细致搜索；最后，通过仿真实验和算法的比较验证HEDA的有效性。

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模型预测控制快速梯度优化算法评估

夏浩, 夏康

控制工程. 2020, 27(4): 599-605.

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基于快速梯度法的一类在线优化算法因其可预估给定求解精度下的计算量上界而被用于实时模型预测控制的在线求解。由于各算法针对的控制问题形式不同及算法设计的差别，对于非线性模型预测控制问题，难以有效快速地选择合适的算法。首先，对各个算法的特性及适用范围进行了简要描述；然后，针对解决具有状态约束和输入约束的非线性模型预测控制问题，给出了各个算法在求解过程中的计算复杂度，通过非线性实例验证和比较了各算法的性能。研究结果可为选择合适的模型预测控制算法提供参考。

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一类输入量化非线性系统的MMSLA控制器设计

陈勇, 王昕, 王振雷

控制工程. 2020, 27(4): 606-612.

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多模型二阶段自适应(Multiple Model Second Level Adaptive, MMSLA)控制器，可以提高控制系统的暂态性能，快速收敛到系统未知参数的真值等优良特性，在线性系统与非线性系统上已取得了部分成果，但是在带有量化输入的非线性系统上没有应用。为此，针对一类带有输入量化的参数严格反馈非线性连续时间系统，设计了一类基于多模型二阶段自适应思想的量化控制器。该控制器首先在系统未知参数集合上建立n+1个并行的辨识模型，基于此设计二阶段虚拟模型，根据Lyapunov理论分析建立了量化控制器。经过理论论证分析，该控制器可以保证系统的量化输入稳定性。最后通过数值仿真实例，验证了该控制器的优良特性，可以显著的提供控制系统的暂态性能。

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基于3D-NDT的移动机器人定位算法研究

杨奇峰, 曲道奎, 徐方

控制工程. 2020, 27(4): 613-619.

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移动机器人定位是移动机器人自主导航的基本问题，在室外环境，GPS作为成熟方案被广泛使用，但在存在遮挡、有强电磁干扰等环境下，GPS定位的精度、稳定性及可靠性受到很大影响。本文详细阐述了三维激光点云3D-NDT匹配方法，在此基础上提出了融合里程计与3D-NDT点云匹配方法的移动机器人实时定位方法，解决了移动机器人在室外弱GPS环境下定位精度无法保证的问题。利用自主研发的移动机器人平台，在大范围室外环境中进行了测试，实验结果验证了本文所提算法的有效性。

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基于竞赛驱动的项目式教学模式探索与实践

周猛飞, 蔡亦军, 刘华彦, 薛继龙, 潘海天

控制工程. 2020, 27(4): 620-623.

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工程实践能力与创新能力的培养是高等工程教育质量的关键。针对学生竞赛需求，结合项目式教学理念，将传授知识为主的传统教学转化为以完成项目、竞赛体验、解决问题为主的多维互动式教学。首先，以《化工自动化及仪表》课程为教学载体，根据课程教学现状和化工设计竞赛的特点，做好课程综合化和教学内容优化；同时，基于项目式教学理念，构建知识传授与项目同步的教学时空模型，将化工设计竞赛的要素融入到项目式教学过程中。最终使学生能够积极、主动的参与到课程教学中，完成以学生为主体的教学方式方法改革，从而提升学生工程实践能力和创新能力。

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基于微分平坦理论的桥式起重机轨迹规划

侯建国, 陈志梅

控制工程. 2020, 27(4): 624-628.

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针对桥式起重机工作过程中小车的精确定位和负载摆动抑制的问题，文章提出了一种新颖的轨迹规划方法。具体而言，基于微分平坦技术，首先定义了系统的平坦输出，以处理有效载荷摆动和小车运动之间的耦合关系，其次，考虑到连续性和平滑性的要求，将平坦输出信号参数化为多项式曲线。这时各种约束条件均可以转化为对平坦输出的约束，问题得以简化。随后，利用粒子群优化算法求得最佳参数，以实现期望的轨迹。仿真结果表明，本文提出的针对桥式起重机的轨迹规划方法取得了满意的控制性能。

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融合MeanShift和改进SURF算法的目标定位策略

张毅, 张瀚, 韩晓园

控制工程. 2020, 27(4): 629-634.

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在工业环境中，针对工业机器人进行抓取物品操作时定位耗时长，精度低的问题，提出一种融合MeanShift算法和改进SURF算法的分层式定位策略，快速精确地定位物体。首先根据双目视觉系统采集的目标物体图片信息，采用MeanShift算法进行初步处理，切割出目标图片信息；然后利用改进后SURF算法对目标区域进行特征点对的匹配以及筛选；最后将匹配好的特征点对根据三角形测量原理，实现物体三维坐标的精确定位。实验验证了在工业机器人抓取物品时，本文所提方法对物体定位速度与精度上有所提升。

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基于HLADRC的汽包水位控制

蒲翠萍, 任杰, 苏剑波

控制工程. 2020, 27(4): 635-640.

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高阶扩张状态观测器自抗扰控制(High-order Linear Active Disturbance Rejection Control, HLADRC)与传统线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC)相比，在干扰抑制方面具有很大的优势，目前有少量应用在强干扰系统中来进行干扰抑制。汽包水位系统具有强干扰、非线性、强耦合、多变量的特性，是锅炉控制的难点。以汽包水位为对象，构造汽包水位高阶扩张状态观测器自抗扰控制系统。通过与线性自抗扰控制系统对比，在外界扰动作用下和模型参数失配情况下的性能，仿真结果表明：HLADRC系统，在动态响应、干扰抑制能力方面均优于LADRC系统，且对系统模型参数变化有一定的鲁棒性。

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基于金字塔权重的QR二维码重构

刘亚文, 余孝源, 周飞舟, 谢巍, 柳贵东, 林景春

控制工程. 2020, 27(4): 641-647.

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在QR二维码的识别过程中，会遇到运动模糊等问题，因此获得的QR二维码难以识别。因此，本文提出了一种基于金字塔权重的QR二维码重构方法。首先，对输入的QR二维码图像使用仿射变换进行校正，并将校正后的QR二维码图像按模块分区；然后，对分割后的QR二维码的每一个模块利用分层加权求灰度值，并利用大津算法对改图像进行重构；最后，使用去模糊处理的QR二维码图像进行重构试验。试验结果表明，对比去模糊处理后的二维码和重构的二维码的识别正确率，基于金字塔权重的QR二维码重构具有很高的正确率，并能够在一定程度上提升了QR二维码图像正确识别率。

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活络模具结构设计分析及优化

赵永瑞, 刘迎, 潘川

控制工程. 2020, 27(4): 648-655.

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本文以63.5#硫化机用于硫化12R22.5规格轮胎的活络模具为例，首先进行活络模具的结构设计，然后使用ANSYS有限元仿真软件，分析活络模具的热特性与力特性，根据生产要求设定优化目标，优化模具结构，最后分析结构优化前后的结果数据，验证模具优化效果，结构优化后模具的温模时间缩短了1.3 h，最大应力值减小了4.9 MPa，花纹块内轮廓的平均温度提高了1.8 °C，温度均匀性与对称性均有所改善。

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基于三支决策的KNN增量算法

裴晓鹏, 尚奥, 刘美红, 刘帆, 陈泽华

控制工程. 2020, 27(4): 656-661.

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k-近邻(k-Nearest Neighbour, KNN)算法是一种有效的多分类算法，他具有简单、稳定的特点，在数据挖掘领域得到了广泛的应用。但是有2个主要缺点，一是算法的准确度与k值有很大关系，不同的k值会导致准确率有很大的不同；二是他属于非增量式算法，随着数据量的增加，算法的分类速度会越来越慢，影响他在海量数据分析中的应用。三支决策的主要思想是将整体分成3个独立的部分，引入了不承诺的决策选项，规避了错误接受或者错误拒绝的损失。把三支决策思想引入KNN算法，对边界域样本特殊处理，会减小分类代价，提高海量数据处理的正确性，同时对KNN算法进行改进，提出了一种基于三枝决策的KNN增量式算法，提高了原有算法的快速性。

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数字液压缸反馈螺杆库伦摩擦仿真研究

王慧, 姜守岭

控制工程. 2020, 27(4): 662-668.

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反馈螺杆与活塞之间螺旋副的的库伦摩擦对数字液压缸性能有很大影响。基于库伦摩擦和等价粘性阻尼之间的能量等效原理，推导出数字液压缸的等效阻尼比公式，建立含有螺旋副库伦摩擦因素的数字液压缸AMESim仿真模型。针对不同的输入信号幅值、供油压力及面积梯度，对反馈螺杆的螺旋升角和摩擦系数对数字液压缸稳定性、快速性及准确性的影响规律进行深入地理论分析和仿真研究。研究结果表明，减小螺旋升角和增大摩擦系数，会使螺旋副库伦摩擦力增加，可以提高系统的稳定性，但是使系统的响应特性降低，对系统的准确性也有一定影响，在研制数字液压缸时，要综合考虑螺旋升角和摩擦系数的影响，把库伦摩擦力控制在合理的范围内。

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电梯再生电能的储能回收控制策略研究

宋文吉, 林仕立, 陈永珍, 冯自平

控制工程. 2020, 27(4): 669-674.

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电池储能是电梯再生能量回收利用的有效方式，针对应用中储能系统容量优化问题，基于回馈电能功率/能量以及变换器电压等约束条件确定电池组边界条件。在此基础上，通过引入制动电阻辅助分流以及电压动态调整的方法，研究了吸收释放再生电能过程的控制策略，并在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。仿真结果表明该控制方法可在稳定直流供电网电压的前提下实现再生能量的高效利用，同时有效减少电池系统容量和成本。

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基于Bool矩阵的DC/DC变换器建模分析方法

徐杰, 伍家驹, 冯上贤, 徐光井

控制工程. 2020, 27(4): 675-682.

摘要 ( )

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带耦合电感器的功率变换器用途广泛，但因其磁件兼有变压器和电感器的双重功能，在建模和仿真等方面的研究尚不充分，该文提出了一种用Bool矩阵表达出耦合电感器周边各支路通断状态的方法，能够对电路进行严谨的分析。列出Bool矩阵后，首先通过归纳出诸无效开关状态的向量判据，得到有效开关矩阵，然后导入二进制逻辑变量建立了间断常系数微分方程组和状态方程组，并在电流连续和电流断续状态下对耦合电感器的工作过程进行了描述，最后通过仿真和实验验证了其有效性。所提方法可为其它带储能及耦合单元的功率变换器的简化、建模、特征参数提取、控制系统设计和改善电力电子器件开关环境提供参考。

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基于节点重要度的复杂网络脆弱性分析方法

段佳勇, 郑宏达

控制工程. 2020, 27(4): 692-696.

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为了更精准的预测复杂网络中的薄弱环节并针对其采取预防措施，结合节点度数和节点介数的分析方法设计一种基于节点重要度的复杂网络脆弱性分析方法，将网络效率作为衡量网络性能的指标，并以某地区城区铁路网络为案例进行单节点攻击和多节点攻击仿真实验来验证所提方法的性能。仿真实验表明，所提方法所得的结果比高度数节点法和高介数方法所得预测结果更好，可以更加准确的预测网络中的薄弱环节。

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基于因素分析和三角模糊数的状态分析模型

刘颖

控制工程. 2020, 27(4): 697-701.

摘要 ( )

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为将操作者的实践经验转化为相应的决策准则，利用因素分析法对事物内涵进行描述，通过对影响装备状态主要因素的选取，建立条件属性为域值分布的装备状态分析模型。在模型的建立过程中，运用三角模糊数解决域值分布与实际分布不符的问题，消除对象集和决策模式之间的不精确映射关系，并通过案例分析验证模型的有效性，为装备状态的精确分析和决策提供依据，对于装备的操作使用和维护保养计划的制定都有指导意义。

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基于栅格环境搜索树的配送路径局部规划

王文学, 庞超, 许小媛

控制工程. 2020, 27(4): 702-707.

摘要 ( )

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为提高配送路径规划算法的有效性，提出一种基于栅格环境Morphin搜索树的配送局部路径规划算法。首先，根据配送城市路况复杂性，利用动力学轨迹模型对配送路径进行建模，模拟配送过程的车辆行驶状态，并给出车辆运行饱和时间指标判别方法；其次，引入Morphin搜索树算法对配送路径的动力学轨迹模型进行优化搜索，同时为提高模型优化精度，提出一种基于栅格环境的Morphin搜索树改进方法，有助于降低路径规划中障碍物碰撞问题；最后，通过在SUMO和OMNET平台上仿真实验，显示所提路径规划算法具有更佳的车辆滞留控制和更低的碳排放效果，验证了算法的有效性。

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自平衡小车LQR-PID平衡与路径跟踪控制器设计

高志伟, 代学武

控制工程. 2020, 27(4): 708-714.

摘要 ( )

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基于两轮自平衡小车，运用拉格朗日函数法构建了系统的动力学方程，将其非线性模型在工作点附近线性解耦为直线与转向两种运动状态。提出了一种综合考虑平衡控制和位置/方向随动控制的LQR-PID混合最优控制器，引入位置角与转向角偏差的积分项，通过LQR最优算法优化PID参数，改善了系统的动态性能，使小车具有良好的轨迹跟踪性能的同时能量消耗最少。仿真实验表明该算法能使平衡小车在保持动态平衡的前提下对指定轨迹进行的良好跟踪，具有较快的动态响应速度，对干扰具有良好的鲁棒性。

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微创手术机器人主从运动控制系统设计

桑宏强, 张文刚, 刘芬

控制工程. 2020, 27(4): 715-721.

摘要 ( )

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为满足微创手术机器人对主从控制系统的实时性、易扩展性和通用性要求，开发了基于工业计算机和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)控制器的运动控制系统。采用集中计算、分布控制结构，工业计算机作为主站完成主从臂的正逆运动学、主从映射和基于反向传播神经网络的PID控制算法，每个FPGA控制器作为从站可以控制4个有刷直流伺服电机，实现脉宽调制输出、电位器电压采集、编码器位置采集和速度反馈、数字输入和输出等功能。工业计算机和FPGA控制器采用Ethernet POWERLINK通讯。主从轨迹跟踪实验表明此控制系统是可行的，实现了控制系统的实时性、易扩展性和通用性，具有良好的稳定性和轨迹跟踪性能。

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四阶球面并联机械手指向轨迹最优动态规划

黄朝阳

控制工程. 2020, 27(4): 722-727.

摘要 ( )

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球面并联机械手可以有效地用于定位任务的执行，利用姿态优化可提高平行腕关节的动态特性，所使用的指标是基于简化到移动平台的机械手惯性矩阵，可很容易地算出腕部总动能。首先，针对每个指向方向寻找导致最佳动态操纵能力的姿态来解决冗余。然后，通过Bezier曲线在球体表面上规划一个路径；优化问题的性能函数通过球面姿态驱动平台，该球面姿态沿一个有用的方向赋予最大角加速度，实现并联机械手快速定位最优任务规划。通过在多体软件环境中进行的逆动力学分析，在机械手控制过程中，相对于选取的对比算法具有更佳的上升时间、超调量以及调节时间，体现了所提算法的控制有效性。

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一种新型自抗扰控制算法研究

潘珩

控制工程. 2020, 27(4): 728-732.

摘要 ( )

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为提高传统PI控制的抗扰动性能，提出一种新型自抗扰控制算法，将其运用于永磁同步电机自抗扰控制。首先，针对转速环的外部负载扰动问题，采用自抗扰控制器对外部负载扰动进行实时补偿，提高转速跟踪性能；其次，针对电流环的内部参数摄动问题，采用自适应观测器对电机参数摄动量进行实时估计，提高电机参数摄动下的电流环稳定性；最后，采用对比实验方法测试新型自抗扰控制算法性能。实验结果表明，相对于传统PI控制算法，新型自抗扰控制算法对于外部负载扰动和内部参数摄动具有更强的鲁棒性。

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带扩张观测器的虚拟轴并联机构滑模控制

江道根, 潘世华, 张慧, 朱蓉

控制工程. 2020, 27(4): 733-740.

摘要 ( )

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针对多自由度虚拟轴并联机构动力学方程高度非线性、强耦合及运动过程中各种干扰而难以精密控制的障碍，在基于运动学名义模型基础上，运用扩张观测器光滑滑模控制算法，在关节空间中运用PVT轨迹插补策略，实现机构未建模动态与扰动信号补偿控制。为抑制滑模控制所固有的抖振缺陷，将一种非线性幂函数fal(s,α,δ)用于滑模趋近律的设计中，并将传统滑模切换面(s)改造成高增益连续滑模面s/(|s|+δ)。机构轨迹跟踪实验表明，该控制策略增强了系统鲁棒性，并且具有良好的稳态性能和动态品质。

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基于中位值的自适应最小二乘非视距定位

黄越洋, 井元伟, 石元博

控制工程. 2020, 27(4): 741-745.

摘要 ( )

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针对室内LOS/NLOS混合环境下RSS测量造成节点定位精度下降的问题，提出自适应加权最小二乘估计的定位算法。采用假设检验的方法确定测量通道中是否有NLOS的存在。并分别在LOS和NLOS环境下构造最小化基于样本均值和样本中位值的自适应加权平方误差代价函数进行定位。仿真结果表明，所提出的算法定位精度优于基于样本均值和中位值的最小二乘算法、基于样本中位值的最小二乘算法、一般的最小二乘算法。仿真结果验证了算法的有效性。

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利用隐语义生成对抗网络的恶意软件检测

王玉洁, 赵丽

控制工程. 2020, 27(4): 746-750.

摘要 ( )

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随着恶意软件数量的增多，传统人工分析方法已无法胜任。针对这一问题，本文提出一种支持向量机分类器与隐语义生成对抗网络(Latent Factor Generative Adversarial Networks, LF-GAN)相结合的恶意软件检测新方法，其通过提取具有i个服从特定高斯分布的特征量用以自动区分恶意软件和正常软件。具体方法为利用变分自动编码器(Variational Autoencoder, VAE)将数据投影至隐空间以便于特征提取，并作为训练集传递至所设计的LF-GAN，以进一步优化网络中关键特征参数。算例结果表明，本文所提LF-GAN对恶意软件检测精度达到96.97 %，且高于其他传统检测方法，即本文所提方法具备良好的对恶意软件的检测和识别能力。

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轻量级RFID群组标签生成协议

段艳萍

控制工程. 2020, 27(4): 751-757.

摘要 ( )

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标签在使用过程中，其所有者会经常发生变化，为确保标签中隐私信息的安全，当标签所有者发生变化时，其所有权归属者也该相对应的变更。针对现有的大多数所有权转移协议一次仅能变更单个标签的所有权，无法满足一次通信变更多个标签所有权的需求，给出一种适用于标签组的转移协议。协议采用单向伪随机函数作为信息加密算法，可有效降低系统整体计算量；引入Mark标识，根据该标识的数据进行不同类型的操作，以增加攻击者破解难度。将协议与其他协议进行安全及性能两方面比较，协议满足用户所需的安全要求，同时具备系统整体计算量较低的特征；基于GNY对协议进行形式化推理分析，协议具备完整的推导证明过程。

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基于改进多重极限学习机的槽电压优化方法

徐辰华, 平嘉鸣, 林小峰, 黄清宝, 李智

控制工程. 2020, 27(4): 758-764.

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为了降低电解铝生产的电能消耗，提出了一种基于遗传算法的多重极限学习机(Genetic Algorithm-Multiple Extreme Learning Machine, GA-MELM)的电解铝生产过程槽电压优化方法，以寻找最优的生产槽电压和对应的生产条件。首先采用核主元分析法确定影响电解槽槽电压的关键参数，建立槽电压的多重极限学习机软测量模型。然后利用遗传算法对电解铝槽电压模型进行寻优，获得槽电压优化值和对应的优化操作参数。通过实际的生产数据进行仿真实验，结果表明，采用GA-MELM方法能够较准确的对电解铝槽电压进行预测和优化，从而为实际电解铝生产降低能耗提供有效的理论指导。

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基于改进PCA空调系统传感器故障检测与诊断

单彪, 堵俊, 商亮亮

控制工程. 2020, 27(4): 765-770.

摘要 ( )

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为了解决传统PCA方法应用于含有噪声干扰数据时产生较高误报率和漏报率的问题，提出一种基于函数型数据分析的暖通空调系统故障检测与诊断方法。首先，将离散的测量数据看作一个完整的函数对象，通过基函数的线性组合给出函数估计，消除异常值补全缺失值；其次，将估计的函数离散化作为训练和测试数据矩阵；最后，针对传感器偏差和漂移两种故障进行仿真研究。结果表明，与传统PCA和中值滤波方法相比，改进的PCA方法不仅可以滤除噪声和剔除异常值，而且降低了故障误报率和漏报率。

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2020年, 第27卷, 第4期　
刊出日期：2020-04-20

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