控制工程

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陆荣秀, 刘淑丽, 杨辉, 朱建勇

控制工程. 2021, 28(1): 1-7.

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考虑稀土萃取过程具有多变量、强耦合特性，提出一种基于广义预测解耦控制(GPDC)的稀土萃取过程控制方法。首先针对模型未知的强非线性稀土萃取过程，构建基于极限学习机的组分含量系统模型，并依据模型特点设计多个稀土萃取过程 GPDC 控制器；然后为降低各控制回路间的耦合性，在控制器的性能指标中引入校正策略，通过回路中模型预测值与参考值的偏差自适应调整偏差权重；最后基于 CePr/Nd 萃取过程中采集的数据进行 GPDC 与常规广义预测控制器进行对比仿真实验。仿真结果显示本文采用的 GPDC 算法能大幅度降低控制量的超调量，控制效果显著，这为解决稀土萃取过程中多变量强耦合的优化控制问题提供了借鉴。

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变风量空调系统房间温度的串级自抗扰控制

杨世忠, 衡丽帆

控制工程. 2021, 28(1): 8-13.

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变风量空调系统房间温度控制中，由于控制对象存在非线性、大滞后、模型参数不确定性等问题，导致温度调节困难。采用一种新型二阶离散最速控制函数设计自抗扰控制器，结合串级控制，以变风量空调末端装置风阀开度为中间被调量，将自抗扰引入到串级控制的温度环，设计了串级自抗扰控制器。建立了空调房间和末端装置的仿真模型，并进行仿真控制器和实验控制器的参数整定。仿真和实验结果表明，与经典串级PID 温度控制器相比，该控制器响应快、超调小、控制精度高，能有效地克服房间对象中的不确定性和热扰动，保证室内的舒适性。

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用直接综合法设计的微分先行鲁棒 PID 控制器

崔悦, 张伟, 王亚刚

控制工程. 2021, 28(1): 14-22.

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针对积分时滞系统应用直接综合方法设计了一种微分先行鲁棒 PID 控制器。这种方法基于比较积分时滞系统与后置超前滞后滤波器的微分先行 PID 控制器组成的闭环系统的特征方程和期望特征方程。期望特征方程由多个位于同一期望位置的极点组成。所设计的控制器的参数以实现期望鲁棒性的方式获得。通过选择不同的调优参数获取相应的Ms 值，进而在参数具有标称性的限定条件下拟合出关于 Ms 和调优参数的关系曲线。整定规则以解析表达式的形式给出。仿真结果表明该方法在阶跃响应中具有较好的追踪性能和扰动抑制性能以及鲁棒性能，在方波响应中具有很好的跟随性能以及较小的 TV 值，在给定值频繁变化的系统中响应效果最佳。

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统计过程控制方法在费托合成中试运转中的应用

赵用明, 李初福, 卜亿峰, 杜冰, 门卓武, 李永龙

控制工程. 2021, 28(1): 23-28.

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统计过程控制是一种采用统计技术对过程数据进行分析和控制的方法，为了提高费托合成过程关键技术指标的稳定性和过程能力，将这一方法应用到了该过程当中。以产油量 100 t/a 规模的费托合成中试过程为应用场景，对已经完成的试验过程参数进行控制图分析，发现并消除过程中引起参数异常波动的特殊原因。过程参数达到统计受控状态后，过程的关键技术指标稳定性和过程能力都会提高，消除异常波动后的试验结果也更加准确可信。同时，分析获得的过程参数统计受控范围也可以作为相同条件后续试验过程的参数控制限。该方法的应用对于费托中试过程异常波动的发现、消除和过程稳定性、能力的提高具有一定的指导作用。

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基于优化型 K-means 聚类算法的锅炉热效率研究

查琳琳, 牛培峰, 常玲芳, 张先臣

控制工程. 2021, 28(1): 29-34.

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针对 K-means 聚类算法存在初始聚类中心影响聚类精度的问题，提出采用生物地理学算法优化 K-means 聚类中心，使其能提高聚类算法的准确率。在基准数据集中对本算法进行实验，其结果表明改进算法具有良好的性能。其次，采用改进的 K-means 聚类算法对不同工况下的锅炉燃烧工艺参数进行聚类，并挖掘出每一类中热效率最高时的燃烧工艺参数作为最佳工艺参数，使锅炉在最佳工艺参数下进行燃烧，达到提高热效率的目的。为了验证最佳工艺参数的有效性，采用贝叶斯最小二乘支持向量机辨识锅炉热效率模型，结果显示热效率明显提高，说明经过优化型 K-means 聚类算法挖掘的最佳工艺参数是有效的。

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基于强化学习的大时延过程控制策略研究

邓颢楠, 刘树波, 李丹, 曹辉

控制工程. 2021, 28(1): 35-41.

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具有长时延的过程控制被公认为是较难的系统过程控制。模型预测控制(MPC)是一种适用于大时延过程的新的过程控制方法。相比于 PID 等传统的控制方法，MPC 基于模型对未来状态的预测进行决策，能够兼顾及时反馈与长期规划。但 MPC 对于过程的预测步数依然是有限的。强化学习作为机器学习的重要部分，原则上能够预测策略在无限长时间内的收益。作者基于强化学习方法改进混凝剂添加过程中的控制算法，利用大量仿真数据训练模型，成功提升了该过程的控制效果。通过对该方法进行仿真模拟，并与传统的MPC 方法进行对比，证明了使用强化学习改进过的控制方法在大时延过程控制中的总体表现优于传统 MPC 方法。

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基于模糊规则与 CBR 的磨矿专家控制方法

杨佳伟, 余刚, 刘道喜

控制工程. 2021, 28(1): 42-48.

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为了解决磨矿过程这一典型的复杂工业过程的优化控制问题，基于某选矿厂的两段全闭路磨矿流程展开研究，提出了基于模糊规则和案例推理相结合的磨矿专家系统控制方法，解决了实际应用中案例检索相似度较低，无法求解的问题。同时，为了进一步提高模型的准确性，解决由于检索到的案例与当前工况之间的差异导致的案例解之间存在差别的问题，采用 RBF 神经网络方法建立了增量补偿模型对检索到的案例解进行补偿。并最终将这一方法应用到实际生产中，实现了实际磨矿过程中生产关键控制参数的实时优化。

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基于灰色神经网络的绕丝参数回归分析设计

蒋文萍, 闵军, 吴其鑫, 沈伟龙

控制工程. 2021, 28(1): 49-54.

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现阶段工业生产中绕丝加工存在一定的报废率，对原材料造成一定的浪费，尤其在贵重金属加工行业。以铂丝绕丝加工为例，首先对绕丝工艺中的 5 个关键参数，即拉力强度、延展值、断裂负载、灌注孔径、阻力进行回归分析，证明合格率与各参数之间不存在线性关系；其次利用灰色神经网络对来自工厂的加工数据进行预测分析，找出绕丝生产过程中的最大影响参数，最后使用 MATLAB 软件进行编程并进行计算和仿真之后，对产品进行纳米压痕测试对比，经过优化后所生产出来的产品，硬度高且分布均匀。

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基于多粒度决策粗糙集的云计算产品分类方法

袁静珍, 田祥宏, 马晓

控制工程. 2021, 28(1): 55-61.

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粗糙集理论中一个重要的研究课题是残缺区间决策系统。针对现有决策系统存在分类精度和质量较低的问题，结合可能性相似度容差关系的优良特性，并运用粗糙集理论，设计出一种新的多粒度决策模型。基于属性的视角，重新定义容差关系，并基于此方法，借鉴多粒度决策粗糙集具有一定容错能力和能够多层次处理数据的优势，结合粗糙集的优良特征，提出一种新的多粒度决策模型，然后着重讨论了多粒度决策粗糙集模型的基本性质和度量参数。最后通过云计算产品分类实例，验证了改进的多粒度决策粗糙集模型可有效提高对象的分类精度和分类质量。

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Vienna 整流器模型预测直接功率控制研究

黄辉先, 肖泽广, 陈思溢, 李一奇

控制工程. 2021, 28(1): 62-67.

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针对 Vienna 整流器非线性系统，提出了内环采用模型预测直接功率控制(MPDPC)，外环采用滑模变结构控制(SMVSC)的双闭环控制策略。首先建立其数学模型，求出整流器输入功率和中点电位偏差的预测值，然后通过外环求得系统有功功率和无功功率的给定值；最后输出使系统评价函数最小的开关组合，达到对系统有功功率、无功功率和中点电位的快速准确控制，实现 Vienna 整流器的单位功率因数控制、直流电压稳定输出以及中点电位平衡。仿真和实验结果表明了所提方案的有效性和可行性。

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基于 AMFOA 考虑主客观因素的配电网多目标规划

张凯越, 汤旻安, 杜涵潇, 杨尚梅, 程海鹏

控制工程. 2021, 28(1): 68-76.

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针对配电网重构的多目标优化及方案决策问题，提出一种基于自适应多种群果蝇算法(AMFOA)并考虑主客观因素的多目标两级优化方法。第一级优化采用自适应多种群果蝇算法对网络结构进行迭代优化，通过协调不同指标得到一组帕累托非支配解。第二级优化引入 AHP-CRITIC 算法完成每个非支配解的主客观综合评价，结合 TOPSIS 法确定最优解。通过对 IEEE 33 节点系统进行仿真分析，验证了所提方法的有效性与高效性。结果表明运行优化方法能够改善配电网的多个运行指标，并为电网调度人员提供切合实际的决策方案。

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基于转速反馈的动力翼伞纵向串级控制

陈赛, 孙青林, 陈增强, 马策

控制工程. 2021, 28(1): 77-83.

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为提高动力翼伞纵向跟踪效果，并针对现有模型及控制方法的局限性，着眼于实际飞行试验，提出一种基于转速反馈调节的串级自抗扰控制策略。首先在动力翼伞纵向模型的基础上，改进引入无刷直流电机模型，并利用转速测量装置实时更新电机转速信息，应用最小二乘法拟合电机转速与螺旋桨静推力的非线性关系。设计纵向轨迹控制器，内环实现对电机转速的快速调节，外环完成对参考高度的跟踪。半实物仿真结果表明，该方法提高了动力翼伞纵向通道响应速度和跟踪精度，性能优于传统的控制方法，具有一定的实际意义。

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桌面机械臂快速控制原型系统设计与开发

夏振兴, 代伟, 赵大勇, 马小平

控制工程. 2021, 28(1): 84-92.

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机械臂以其稳定、高精度等特性广泛用于机械、电焊和装配等制造工业，其控制算法已成为工业控制中的研究热点。然而传统的机械臂控制系统设计与开发费时费力，难以满足控制工程师和算法研究者的需求。首先采用快速控制原型技术(RCP)，依托高性能计算机，基于 Simulink Real-Time 组件设计快速控制原型仿真器。进而采用 C#语言设计了基于 MVVM 架构的机械臂控制软件平台，实现了控制算法的调用、实时验证与参数在线调整。详细介绍了系统的总体框架和关键技术，并通过一个典型机械臂视觉伺服控制实验，验证了系统的可行性和实用性。

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永磁同步电机的自学习滑模反步抗扰控制

刘晴, 曾喆昭, 方云熠, 王可煜

控制工程. 2021, 28(1): 93-98.

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针对永磁同步电机(PMSM)速度跟踪控制问题，设计了一种自学习滑模反步抗扰控制方法。该方法设计了基于类 Sigmoid 函数的改进型跟踪微分器(TD)用于对输入信号和虚拟控制信号进行滤波，避免了对信号反复解析求导产生的微分爆炸问题，并设计了扩张状态观测器(ESO)用于对外界负载扰动进行实时观测估计和补偿。为了削弱抖振和提高系统的自适应能力，利用非线性光滑函数设计滑模趋近律并使用最速下降法对增益参数进行自学习镇定。通过基于 Lyapunov 和 Barbalat 的理论分析验证了系统的稳定性，仿真结果证明了该控制方法的有效性，且其具有较高的控制精度和抗扰能力。

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群机器人围捕多个入侵者的人工力矩方法

徐望宝, 祝超超, 荣根熙

控制工程. 2021, 28(1): 99-105.

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群机器人协作围捕多个入侵者的问题是一个富有理论和工程应用价值的问题。针对这一问题提出了一种基于人工力矩的自组织围捕方法。首先基于同盟、围捕曲线等概念给出了围捕机器人基于局部信息计算与调整吸引点的方法，来引导围捕机器人在向入侵者的运动过程中快速地形成理想的围捕队形。然后分别针对围捕机器人和入侵者设计了人工力矩运动控制器，以驱动围捕机器人向着各自吸引点的方向运动并最终完成围捕任务，入侵者则能向着远离围捕者的方向快速逃逸。最后对所提方法进行了仿真验证，以证明所提方法的可行性和有效性。

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基于 VMD-SVD 的单向阀微弱故障诊断方法

吴漫, 冯早, 黄国勇, 熊鹏博

控制工程. 2021, 28(1): 106-113.

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针对大型往复式机械高压隔膜泵单向阀振动信号中的微弱故障特征难以提取，且磨损击穿故障、卡阀故障及正常状态振动信号难以识别的问题，提出一种基于变分模态分解和奇异值分解的单向阀微弱故障特征提取及诊断方法。首先对振动信号进行 VMD分解，再借助能量百分比和方差贡献率筛选出包含丰富故障信息的模态 IMF 分量，其次对筛选后的 IMF 分量构建初始特征矩阵，然后利用 SVD 对特征矩阵进行分解，得到特征矩阵的奇异值作为表征微弱故障信号的特征向量，最后应用多变量预测模型对单向阀微弱故障进行诊断。工程实验结果表明，该方法能有效地提取出单向阀微弱故障信号特征并能对单向阀状态类型进行有效识别。

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基于距离和密度聚类的 RBF 网络结构设计

郭鑫, 李文静, 乔俊飞

控制工程. 2021, 28(1): 114-119.

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为确定径向基函数 RBF(radial basis function)神经网络隐含层结构，并针对基于距离或密度聚类的 RBF 神经网络的限制，提出一种基于距离和密度聚类(GDD)算法的 RBF 神经网络。GDD 算法通过计算每个样本的密度，各样本间的距离及相似条件（密度标准、距离标准），相似条件是根据样本分布而改变的，进行样本空间划分，实现无需先验知识及参数，就可以精确识别任意形状的聚类。采用 GDD 算法聚类，RBF 神经网络能确定合适的隐含层节点个数及径向基函数中心。对典型非线性函数逼近及 UCI 机器学习库实例样本进行实验，结果表明基于 GDD 算法设计的 RBF 神经网络具有良好的逼近能力和分类效果，且网络结构更加紧凑。

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一种 Sage-Husa 和可观测度的滤波算法研究

何美光, 葛泉波, 赵嘉懿

控制工程. 2021, 28(1): 120-126.

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针对目标跟踪中过程噪声统计特性未知和状态分量可观测度差而导致滤波精度不高甚至滤波发散的问题，提出了一种复合自适应滤波算法。我该算法在滤波过程中，利用Sage-Husa 噪声估计器在线估计过程噪声，用可观测度分析方法抑制状态分量可观测度差对滤波器的不良影响。在滤波过程中实时估计和修正过程噪声的统计特性，同时对观测度差的分量通道进行滤波增益衰减，以减小状态估计误差，提高滤波算法的估计精度。解决了一类过程噪声统计特性未知且系统状态分量可观测度差的状态估计问题。仿真结果显示，提出的复合自适应滤波算法对比传统 Sage-Husa 滤波和可观测度分析方法能够抑制过程噪声时变和状态分量可观测度差对滤波器的不良影响，具有更高的估计精度。

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基于智能优化的模糊 Petri 网的电网故障诊断

孙铁军, 曲丽萍, 关海爽, 刘冲杰, 张杰

控制工程. 2021, 28(1): 127-134.

摘要 ( )

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为了提高电网复杂故障时的应对能力，提出了基于信息优化的动态建模模糊 Petri网的电网故障诊断方法。首先，基于层次建模的思想，在建立常规故障诊断模型的基础上，引入动态库所、动态弧、动态变迁的概念来合理地拟合各种保护与断路器之间的逻辑关系，动态建立综合性故障的诊断模型；其次，依据故障信息源的特性对其进行了优化和预处理，以确定故障性质并动态建立相应故障诊断模型；再次，利用智能优化算法对模型进行了训练、学习；最后，分析了该模型在故障信息缺失时的容错性和在系统架构改变时的通用性。对算例系统仿真的结果表明：该算法显著地增加了故障诊断过程的层次性、诊断模型的透明性、可理解性和易维护性，在故障信息缺失的情况下诊断结果具有较高的可信度。

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列车自适应交互多模型 H∞滤波定位算法

王鹏飞, 李卫东, 王新屏, 初宪武, 刘杨

控制工程. 2021, 28(1): 135-141.

摘要 ( )

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针对在列车运行的复杂工况下噪声特性难以准确获知和状态模型与实际运行不匹配的问题，提出了列车自适应交互多模型 H_∞滤波算法。首先，依据列车运动状态自适应调整系统状态噪声特性和模型。其次，通过自适应补偿误差协方差增强 H_∞滤波的鲁棒性。最后，以哈尔滨到大庆的部分实测数据对算法的有效性进行了仿真验证。结果表明：所提算法具有自适应调整噪声特性及模型的能力，在复杂运动适应性和鲁棒性方面具有优势，曲线轨道段优势明显，对于列车定位具有一定的理论指导意义。

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基于回声状态网络的回转窑工况识别方法

张茜, 马文科, 周晓杰

控制工程. 2021, 28(1): 142-148.

摘要 ( )

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回转窑烧成带图像蕴含了丰富的温度场和熟料烧结信息，是回转窑烧结工况识别的重要依据。现有的基于静态图像的识别方法易受各种噪声影响，工况识别准确率较低。而视频图像序列蕴含了更多的烧结工况，具有区分性和不变性时空特征，在反映烧结工况变化方面信息更全面，更鲁棒。鉴于循环神经网络(RNN)和回声状态网络(ESN)适合处理时间序列方面的问题，分别根据两种神经网络构造动态分类器模型，提出了基于烧成带视频图像的回转窑熟料烧结工况识别方法，并且采用基准数据集时间序列做预测实验，通过设计实验考查两种神经网络处理分类和回归问题的能力。实验结果表明，针对回转窑工况识别问题，在不同数量样本条件下，ESN 模型的识别率均略优于 RNN-GRU，在 MIMO 时间序列预测问题上，ESN 模型预测效果较好。

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鼠笼式异步电机转子故障程度诊断方法

盛玉霞, 肖翔, 柴利

控制工程. 2021, 28(1): 149-154.

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针对异步电机启动阶段转子断条故障检测问题，提出了一种基于同步压缩小波变换 SWT 的瞬态电流特征分析方法，通过时频分布图来判断转子是否存在故障。在此基础上，通过曲线拟合的方法给出了导条电阻与 SWT 系数能量谱之间的关系，进一步给出了确定故障预警值和报警值的方法。最后提出了一种判断故障程度的指标。采用Ansoft Maxwell 软件建立笼型异步电机故障仿真模型，仿真实验结果表明，该方法能有效地诊断转子不对称故障并评估出故障程度。

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四轮独立驱动电动汽车单轮失效稳定性控制

李庆望, 张缓缓, 严帅, 高超

控制工程. 2021, 28(1): 155-163.

摘要 ( )

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为了解决四轮独立驱动电动汽车驱动系统失效时的转矩分配问题，提出了一种基于规则的驱动力控制分配策略以保证车辆在出现单轮失效情况下的稳定性和动力性。控制器采用双层控制，包括上层控制和下层控制。在上层控制中，根据驾驶员的输入与车辆状态，采用滑模控制理论计算出控制横摆角速度和质心侧偏角的附加横摆力矩。在下层控制中，根据驱动电机失效程度，考虑各约束条件，将计算出的附加横摆力矩合理地分配给各个驱动轮。利用 Carsim 和 MATLAB/Simulink 的联合仿真，选择直线、转弯以及 Sine wave 等工况对提出的转矩分配控制策略进行仿真分析，仿真结果表明所提控制策略能够在提高驱动系统利用率和消除前轮左右输出转矩不同对方向影响的基础上保证车辆的稳定性。

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时变网络下 4PL 协同路径定制问题研究

崔妍, 黄敏, 李波

控制工程. 2021, 28(1): 164-169.

摘要 ( )

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鉴于物流在运输过程中受天气、交通条件等因素影响而具有的行驶速度时变性，提出了时变网络下第四方物流(4PL)协同路径定制问题。基于第三方物流(3PL)承运商的运输时间依赖于出发时刻的假设，建立了考虑 3PL 停靠与转换成本的时变 4PL 协同路径定制问题的数学模型并设计了基于 K 短路算法的粒子群算法。通过对 4PL 是否在转运节点更换 3PL 承运商以及对出发时刻的分析，说明了 4PL 在协同路径定制过程中的作用。

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特征匹配结合自适应阈值的图像伪造检测

王芳, 陈燕

控制工程. 2021, 28(1): 170-175.

摘要 ( )

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针对现有图像复制移动伪造检测方法对图像中存在同质纹理或均匀区域检测困难、相关参数阈值选择影响检测等问题，提出一种基于特征匹配与自适应阈值的图像复制移动伪造检测方法。首先通过定义和优化成本函数来制定交互作用机制，包括匹配和变换估计步骤；然后在迭代过程中执行步骤，使相关阈值的选择和估计更合理，自动识别和定位伪造区域；最后采用检测系统的相互作用关系，检测并修正步骤中发生的错误。实验结果表明：相比传统的复制移动伪造检测方法，在对伪造图像的像素图像精度水平、旋转和缩放的鲁棒性、检测专业伪造图像以及变换矩阵的精度等不同情况，所提方法效率更高。

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基于可靠性的多核系统硬实时任务并行调度

陈莹, 黄永彪, 谢瑾

控制工程. 2021, 28(1): 176-182.

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提出了一种新的基于可靠性的多核系统硬实时任务调度方法，并给出定量可靠性模型。首先，每个应用程序都由任务组成，并采用有向无环图建模，显示任务执行周期、任务依赖性及其通信量。其次，提出聚类多数投票方法，在纯大多数投票并行性和纯再执行序列化间进行权衡。聚类多数投票方法是具有确定性定时行为的半并行方法，同时也减少了通信量。然后，提出用于硬实时应用的任务映射策略，试图最小化通信开销和任务图的副本实例，同时保留预定义的可靠性阈值，实现更高的算法性能。仿真结果表明，该方法具有较大的片上网络尺寸、较高的可靠性阈值和接受率，提高了算法的效率。

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车联网中 beacon 消息传输频率研究

黄祎

控制工程. 2021, 28(1): 183-186.

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车联网(VANETs)提供车与车之间的车间通信(V2V)和车与路旁设施(V2I)间的通信。VANETs中存在两类消息：beacon消息和安全消息。车辆周期地交互车辆的beacon消息，仅在紧急情况下才广播安全消息；而beacon消息的传输频率受多个因素影响。为此，提出基于模糊逻辑的自适应beacon传输频率方案，利用模糊逻辑系统处理多输入决策系统的优势，将信道忙碌因子、车辆移动因子和数据包传递率作为系统输入，通过模糊逻辑系统决策算出最优的beacon传输频率。使用NS-3仿真软件分析VAB方案的平均等待时间，总体传输时延和平均邻居数等参数。仿真实验表明，VAB方案的性能明显优于JSRC和BRAIN-F方案。

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基于开环状态的标签所有权转移改进协议

董涛

控制工程. 2021, 28(1): 187-192.

摘要 ( )

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电子标签生命周期中，电子标签的拥有者常发生变更，为确保变更前后拥有者存放在电子标签内部隐私信息的安全性，设计了一种所有权转移协议。协议适用于开环状态下的 RFID 系统中；为保障发送消息的安全性，采用二次剩余定理加密，同时为尽可能降低通信整体计算量，结合创新型的置换交叉合成运算对部分信息加密。协议与近年其他此类型协议做安全和性能对比，协议具备拥有者所需求的安全标准，以及具备现有低成本电子标签计算的要求特征。

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2021年, 第28卷, 第1期　
刊出日期：2021-01-20

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