2020年, 第27卷, 第5期　
刊出日期：2020-05-20

  

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  基于多速率传感器测量数据的剩余寿命预测

  席霄鹏, 陈茂银, 周东华

  控制工程. 2020, 27(5): 771-775.

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  针对实际工业过程，多传感器测量系统能够有效保证退化状态的监测质量，并为剩余寿命(Remaining Useful Life，RUL)预测提供充分的信息。考虑到性能和费用约束，各个传感器的采样率可能有所不同。为此，建立多速率传感器测量信息下性能退化的状态空间模型，在此基础之上预测系统的剩余寿命。首先利用序贯卡尔曼滤波进行数据融合并估计隐含的退化状态，为减少冗余数据带来的非必需计算，引入了事件触发机制，保证了运算效率；然后利用期望极大化(Expectation Maximization，EM)算法对模型的未知参数进行在线更新，并由此给出剩余寿命的概率密度函数。数值仿真结果表明，该预测方法具有较高的精度。
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  基于多尺度结构自相似性的超分辨率算法

  卢紫微, 吴成东, 陈东岳, 于晓升

  控制工程. 2020, 27(5): 776-780.

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  多尺度结构自相似性是指同一幅图像中存在相同尺度或不同尺度的相似结构，这种图像结构自相似性广泛存在于自然图像中。提出了一种基于多尺度结构自相似性的单幅图像超分辨率(Super Resolution，SR)算法，该算法不依赖于外界图像，仅在原始图像的多尺度图像中搜索低分辨率(Low Resolution，LR)图像块的最相似子块，并结合脊回归算法获得低分辨率图像块和相应高分辨率(High Resolution，HR)图像块的映射关系。此外，将原始图像进行旋转、翻转等操作，扩大内部图像块的样本空间。大量的对比实验表明，本文所提算法有效地提高了峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)和图像可视效果。
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  基于前馈和反馈的碳捕集智能控制技术研究

  孟恩隆, 贾成真, 王灵梅, 刘玉山, 韩磊, 尹少平

  控制工程. 2020, 27(5): 781-786.

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  针对现有碳捕集工艺控制中常用的PID反馈控制存在控制参数固定、系统抗扰能力弱、鲁棒性差的问题，采用RBF神经网络自适应PID反馈控制算法和烟气流量的前馈控制算法相结合的复合智能控制算法，在修正RBF网络参数时采用梯度下降法并引入了包含k时刻之前两个时刻系数变化量的动量项。利用实验数据进行辨识得到再沸器负荷、烟气流量与二氧化碳捕集率之间的传递函数，在Matlab/Simulink中建立了被控对象的动态模型和控制算法模型，经过动态仿真，验证了智能控制技术能够保证系统在变工况运行中控制的稳定，增强了系统的抗干扰能力；采用蒙特卡洛模拟实验，验证了控制策略具有良好的鲁棒性。
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  基于状态重构的输出反馈鲁棒模型预测控制

  杨世忠, 邢丽娟, 王素珍

  控制工程. 2020, 27(5): 787-792.

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  采用基于线性矩阵不等式的离线输出反馈鲁棒预测算法对系统进行控制的方式，能减少在线运算量，保证系统的鲁棒性。由于系统的状态变量不完全可测，所以传统算法在线运算时对于控制律的选择只能通过状态估计器实现，往往不能实现系统控制的快速性和稳定性。在算法设计中，离线算法优化出一系列渐近稳定的不变椭圆集；在线算法将系统输出变量和状态估计器的状态变量进行状态重构，形成新的状态变量，并以此寻求系统的控制律。给出优化离线椭圆集的状态变量的选择原则和取值公式，对在线重构状态变量的可行性和控制稳定性进行理论证明。通过和传统控制算法的仿真比较，验证本算法的有效性，仿真结果表明采用该算法使系统的控制更为快速和稳定。
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  四极磁悬浮的动力学建模及参数辨识

  刘延栋, 张文志, 王泽, 陈福民

  控制工程. 2020, 27(5): 793-798.

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  为通过多极磁悬浮技术实现悬浮体在三维空间内任意位置的悬停，针对这一具有广阔前景的应用，建立磁悬浮动力学模型对多极磁悬浮技术的实现至关重要。对一种四极电磁铁磁悬浮装置进行了理论分析，建立了四极磁悬浮系统的状态空间线性方程，使用DRNN神经网络算法对系统进行了参数辨识，获得了四极磁悬浮的精确模型，为悬浮体在多极磁悬浮空间操控奠定了基础。
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  基于高增益观测器的单球移动机器人控制

  刘飞飞, 朱杨林, 彭辉辉, 刘龙细

  控制工程. 2020, 27(5): 799-806.

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  为针对单球移动机器人状态不完全可测及抗干扰能力弱的问题，提出一种基于高增益观测器分离定理的欠驱动滑模控制。首先，将单球移动机器人简化为二维倒立摆系统，并建立了拉格朗日动力学模型；然后，设计了欠驱动滑模控制器在机器人自平衡的同时，进行轨迹跟踪，实现机器人位姿的实时控制，并验证了系统的稳定及收敛性；再者，针对机器人运动过程角速度、位移速度等不可测量的问题，设计了高增益观测器来估计其状态，并对其观测误差进行了有界判定；最后，通过仿真和实验对控制方法进行了验证，结果显示：相比与传统控制方法，机器人在自平衡和轨迹跟踪时，动态品质更优，且无异常抖动，具有良好的应用前景。
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  基于伪微分反馈改进的虚拟同步发电机策略

  张赟宁, 向芳洲, 周小萌

  控制工程. 2020, 27(5): 807-811.

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  传统的虚拟同步发电机并网控制系统，当负荷发生阶跃扰动时，将导致系统频率偏离额定频率，产生稳态功率偏差。针对上述问题，文章提出了一种基于伪微分反馈(Pseudo Derivative Feedback，PDF)改进的虚拟同步发电机控制策略。该控制策略在前向通路采用积分环节来消除稳态功率偏差；在反馈回路采用伪微分反馈环节，能够降低系统的超调量，缩短系统的调节时间。最后通过仿真结果对比，证明了文章提出的基于PDF改进结构的优越性。
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  基于可变比特率编码无环图的图像无损压缩

  陈达, 余曼, 戴美权, 谭安祖

  控制工程. 2020, 27(5): 812-818.

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  为提高图像数据压缩算法性能，提出一种基于可变比特率块编码无环图模型的图像无损压缩。首先，从零初始化索引开始，沿着从根到叶的路径遍历时，使用遍历过程中体素计数的运行和计算完整树遍历中特定节点之前的体素数量，获得连续表示的基于稀疏体素八叉树DAG体素索引模型；其次，在离线图像压缩格式和固定比特块编码之间的中间位置，引入一个二进制搜索来定位所含的块，使用比实际要求的请求错误阈值所需比特来描述图像数据块，实现更好的数据压缩性能；最后，通过仿真实验验证了所提算法在图像以及矢量图像数据压缩上的性能优势。
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  简化矢量选择永磁同步电机预测电流控制

  邓金, 李涛, 章栎, 沈绍博

  控制工程. 2020, 27(5): 819-823.

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  预测电流控制可减小逆变器开关频率，提高电机快速响应能力。基于最小化目标函数的原则，传统的预测电流控制采用枚举法选择最优电压矢量，由于枚举法需要对所有基本电压矢量作用下的系统动态行为进行预测，因此算法计算量较大，限制了该方法在实际工程中的应用。针对这一问题，提出一种基于简化矢量选择的模型预测控制算法，该算法利用预测电流与参考电流的误差，只需要进行一次预测即可选出最优电压矢量，因此可显著降低算法的复杂度和计算量。在Matlab仿真平台进行实验，结果表明该算法能有效地实现对永磁同步电机的控制。
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  全阶无抖振非奇异终端滑模控制方法

  刘壮, 郑雪梅, 冯勇, 李杨曼

  控制工程. 2020, 27(5): 824-829.

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  针对传统线性滑模和终端滑模中存在的抖振问题以及终端滑模难以克服的奇异问题，提出了全阶无抖振非奇异滑模控制方案。由于在滑模的控制过程中只用到了符号函数而非滑模本身，利用这个特性，设计了一种特殊的滑模。此种滑模利用连续的控制，实现理想的滑动运动；并且控制律避免了控制系统的奇异性；当系统状态到达滑模并处于理想的滑动运动时，系统表现为一个全阶动态系统而非降阶系统。仿真结果验证了提出的全阶终端滑模的无抖振及非奇异特性。
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  多轴运动控制系统的非线性PID交叉耦合控制

  吴言穗, 王瑶为, 俞立, 王军晓

  控制工程. 2020, 27(5): 830-834.

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  为了提高多轴运动控制系统的轮廓跟踪精度，首先针对多轴运动控制系统的交叉耦合控制(CCC)，比较了两种CCC结构的优缺点；进而在分析并建立典型曲线轨迹轮廓误差模型的基础上，设计了一种适用于位置闭环反馈控制和轮廓误差补偿控制器的新型非线性PID控制器(NLPID)；最后在双轴雕刻机实验平台进行该方法的有效性验证，实验结果表明，与传统PID交叉耦合控制相比，该方法不仅能够明显减少多轴运动控制系统的轮廓误差，而且能有效提高系统的抗干扰能力以及鲁棒性。
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  并联机器人运动路径算法和控制方法研究

  刘志海, 杜树坚, 崔鑫龙, 柏海龙

  控制工程. 2020, 27(5): 835-841.

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  首先，以台达运动控制器为核心配合台达伺服系统搭建并联机器人控制系统；其次，结合系统中距离传感器的位置反馈，设计了并联机器人对传送带上非固定位置物体抓取的运动路径算法；再次，应用Delta并联机器人的运动学逆解模型，规划出控制并联机器人动作的伺服电机的运动状态；最后，利用台达运动控制器内置的电子凸轮模块控制伺服电机的相关运动。该运动算法应用灵活，控制方法简单有效，适用于机器人动平台终端对转送带上非固定位置物体的精确定位和抓取。
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  六自由度无人直升机位置和偏航角跟踪控制

  黄鑫, 吉月辉

  控制工程. 2020, 27(5): 842-847.

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  针对六自由度直升机的结构复杂、非线性和多变量等问题，提出一种基于指令滤波反步法的位置和偏航角稳定跟踪控制的方法。首先，为便于控制系统设计，将六自由度直升机动力学模型分为高度、偏航、水平3个子系统，并采用指令滤波反步法对直升机位置/偏航角控制系统进行设计。其次，引入非线性反正切滤波器逼近虚拟控制输入，解决直升机控制系统中采用传统反步法所产生的“计算膨胀”问题，并采用奇异扰动定理证明闭环系统的稳定性。最后，通过仿真验证了该滤波反步法控制器对直升机位置和偏航角跟踪参考轨迹信号的良好控制性能。
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  基于混合光流的非刚体目标追踪系统

  谭继安, 林德丰, 梁建胜

  控制工程. 2020, 27(5): 848-854.

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  针对非刚体目标追踪算法追踪精度与计算效率较低的问题，提出了一种基于混合光流的非刚体目标追踪算法。首先，采用Lucas-Kanade方法计算局部区域的光流，采用Horn-Schunck方法计算全局区域的光流，局部光流与全局光流具有互补的特点，因此结合两种方法可获得理想的结果，并且设计了基于混合光流法与Gabor特征的非刚体目标轮廓模型；然后，基于光流的特征计算光流的流域，采用高斯混合模型分析光流的流域，从而实现运动目标的检测；最终，采用分类器对感兴趣区域进行快速地分类，动态地更新每个视频帧的目标轮廓。基于多个公开的视频数据集进行了实验分析，结果显示本算法能够有效地完成对非刚体目标的追踪，并且具有较高的追踪准确性。
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  基于输出反馈的四旋翼飞行器分布式编队控制

  丁磊, 孙智孝, 苗亚囡, 秦正雁, 刘腾飞

  控制工程. 2020, 27(5): 855-861.

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  研究了具有有向通讯拓扑的多四旋翼飞行器的分布式编队控制问题。首先建立四旋翼动力学模型，并利用非线性变换将建立的动力学模型转化为双积分器模型。然后将四旋翼飞行器编队看作是由多个子系统构成的关联系统，并通过关联系统的镇定实现编队控制。针对四旋翼飞行速度难以准确实时测量的问题，设计了降维状态观测器实现速度估计，并在此基础上设计了分布式编队控制器。当通讯拓扑满足基本的生成树条件时，通过保证每个子系统的稳定性进而保证整个关联系统的稳定性，从而实现编队控制目标。最后，利用物理实验平台验证了控制算法的有效性。
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  轨道交通用感应电机的低速发电稳定性分析

  黄科元, 李鑫, 黄守道

  控制工程. 2020, 27(5): 862-867.

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  基于轨道交通用感应电机在低速发电状态的不稳定运行问题，提出了一种新的反馈增益矩阵的设计方法，将多变量的设计问题转化为单变量的设计问题，并针对劳斯-赫尔维茨稳定性判据在系统动态性能设计方面的不足，对原始虚轴进行平移以重新配置转速估计传递函数零极点，得到性能更好的参数，此举对简化参数的调试工作，提高系统的鲁棒性，具有重要的工程价值。仿真和实验均验证了该分析以及提出的改进措施的正确性和有效性。
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  基于改进扰动观测器的时滞过程控制方法

  郑恩让, 阮士涛, 陈蓓

  控制工程. 2020, 27(5): 868-877.

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  针对非最小相位时滞过程，本文提出了一种改进的扰动观测器。通过使用相位超前补偿器，可以有效地补偿时间延迟对系统的不利影响，使系统能够更有效地抑制由模型失配引起的外部干扰和内部干扰。通过设计滤波器可以有效地抑制阶跃和斜坡干扰，并给出了严格的性能分析和鲁棒性分析。所提出的方法同样适用于高阶时滞过程和最小相位时滞过程，并且其结构简单实用。仿真结果表明，该方法在模型不匹配的情况下，在设定值跟踪、抗干扰性和鲁棒性方面均具有优异的性能。