控制工程

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王印松, 刘勇, 孙天舒

控制工程. 2021, 28(12): 2293-2298.

摘要 ( )

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电动调节阀在流程工业自动化领域应用较为广泛，其劣化度会影响设备的性能和运行水平。基于改进的协整系数矩阵理论，提出了一种针对工业过程反馈控制回路中电动调节阀劣化度的研究方法。采用统计学 Kendall 相关系数理论，确定非平稳数据的相关强度和协整变量个数，利用协整系数矩阵提取非平稳数据中的劣化信息。通过指标计算，评价阀门的运行状态。最后，使用 Simulink 仿真平台搭建仿真模型进行验证，实验结果证明了所提方法的有效性。

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急滚过程自抗扰控制律设计

江飞鸿, 刘贞报, 张超, 王博

控制工程. 2021, 28(12): 2299-2304.

摘要 ( )

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为抑制战斗机急滚过程中的惯性交感力矩和迎角、侧滑角运动耦合，减小滚转过程中各运动的变化范围，在传统比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制律设计的基础上，引入自抗扰控制律设计方法，将滚转过程中的惯性交感力矩和运动耦合视为扰动项，进行实时估计并动态补偿。仿真结果显示，飞行品质有效提升，迎角、侧滑角、过载等运动参量变化范围大幅缩小，机动包线大幅扩宽。该方法不改变传统控制律整体架构，具有良好的工程应用价值，对自抗扰控制技术在其他领域的应用具有借鉴意义。

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带线性恶化工件的零等待流水车间调度

轩华, 赵凤娟, 李冰

控制工程. 2021, 28(12): 2305-2311.

摘要 ( )

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研究了以最小化总加权完成时间为目标的带线性恶化工件的零等待流水车间调度，其中工件的加工时间表示为开始时间的线性恶化函数，每个工件在不同机器有各自的恶化率。为了对该问题进行求解，提出了一种融合 CDS 启发式算法、局部搜索和自适应遗传算法的混合启发式算法。引入 CDS 启发式算法改善初始工件加工序列群，设计遗传参数自适应更新策略以执行交叉和变异算子。为扩展遗传算法解的搜索空间，基于交换和插入操作提出四种邻域结构，以完成局部搜索二次优化过程。最后，通过仿真实验测试不同规模的实例。实验结果表明，所提出的混合启发式算法在求解质量和运行时间方面均有良好表现。

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基于最优蠕滑率的列车防滑控制研究

李中奇, 孟凡晖, 杨辉

控制工程. 2021, 28(12): 2312-2317.

摘要 ( )

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由于轨面环境的时变，传统列车防滑算法不能使列车很好地利用轮轨间的黏着力，导致制动距离过大。针对这种现象，提出基于最优蠕滑率的自适应滑模控制算法。该算法首先利用一阶低通滤波器得到轮轨间的黏着力；接着设计一种动态遗忘因子递归最小二乘算法，来对轨面环境的最优蠕滑率进行实时估计；最后在传统滑模算法基础上引入自适应算法，在解决外部干扰的同时，抑制了滑模控制抖动。实验结果表明，该算法可以使蠕滑率快速收敛于参考值，使列车能更好地适应轨面变化，减少了制动距离，保证了良好的防滑效果。

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改进 LR 算法的汉语层次化句法分析器设计

皮乾东, 邵玉斌, 龙华, 杨陈菊

控制工程. 2021, 28(12): 2318-2322.

摘要 ( )

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为改进传统的汉语句法分析算法，采用自顶向下、逆向扫描的分析方法，结合汉语语序的重要特性，提出了一种改进自左向右(left to right, LR)分析算法的汉语层次化句法分析器设计方法。该分析器仅基于当前经验得出十几条汉语语序特征，不断逆向扫描语句，结合上下文无关文法和汉语语序规则进行“移进-归约”处理，进而得到汉语层次化分析结果。采用北京大学标记的 1998 年 1~6 月份《人民日报》语料进行实验。实验结果显示，能够正确分解的语料达到 49.98%，表明改进的分析算法对句法分析具有一定的成效，提高了分析的准确率。

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肝脏磁共振图像分割方法的研究

马静, 张苏元, 吴顺义, 徐军

控制工程. 2021, 28(12): 2323-2328.

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肝脏磁共振图像分割是诊断肝脏疾病的重要手段之一，偏移场是肝脏磁共振图像中通常存在的灰度不均匀现象，导致图像分割效果不理想。采用正则化相邻局部灰度聚类算法对肝脏磁共振图像进行偏移场矫正，在能量函数中加入辅助变量来解决非凸隶属函数，通过迭代计算得到最优偏移场矫正结果，并采用基于水平集的图像分割算法对矫正后图像进行分割。通过差值图像、灰度直方图、Jaccard 参数和 Dice 参数来评价算法的性能及图像分割效果，并与非参数非均匀归一化变量(N4)算法进行对比分析。实验结果表明，相邻局部灰度聚类算法引入总变分项进行偏移场矫正后，图像与原始图像差值更大，灰度分布更均匀，图像分割结果更准确，便于医生进行病理观察及诊断。

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基于改进 SSD 的航空发动机目标缺陷检测

陈为, 梁晨红

控制工程. 2021, 28(12): 2329-2335.

摘要 ( )

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针对航空发动机的维修检测存在结构复杂、难度大、目标小等问题，提出了改进的单激发多盒探测器(single short multibox detector, SSD)模型，用于检测航空发动机内部凸台缺陷。首先，介绍了实验选用的数据集以及对数据集的处理。然后，分析了 SSD 模型的基本原理和检测流程，根据凸台缺陷的特点对 SSD 模型进行了调整。一是对实验数据集采用聚类分析算法来计算模型默认框大小；二是采用模型更底层的卷积层所输出的特征图来进行凸台缺陷的特征提取。最后，通过 MATLAB 软件对数据集进行扩充。改进后的SSD 模型识别凸台缺陷的准确率从从 2%提高到了 19.6%，但是对实际应用来讲还有很大的提升空间。

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基于变量选择与组合协方差的 GPR 建模方法及其应用

孙顺远, 刘康康

控制工程. 2021, 28(12): 2336-2342.

摘要 ( )

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针对工业污水处理过程的复杂性和明显的非线性特征，关键的水质指标生化需氧量往往无法实时在线监测，提出了组合协方差的高斯过程回归(combined covariance Gaussian process regression, CGPR)建模方法来建立生化需氧量预测模型，捕捉污水数据中主导变量与辅助变量的线性和非线性关系。考虑污水处理过程中各个辅助变量之间的非线性和相关性，在模型建立之前采用随机森林(random forest, RF)算法给出辅助变量重要性评分，重要性评分高的变量作为 CGPR 模型的输入来提高模型的预测精度。最后，利用污水处理过程数据进行仿真研究。仿真结果表明，所提的 RF-CGPR 方法能够达到较好的预测效果，其中结合了线性协方差和 Matern 协方差的模型具有较高的预测精度。

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一类捕食型时滞无线传感网络蠕虫病毒传播模型

张子振, 丁健, 宋志强

控制工程. 2021, 28(12): 2343-2350.

摘要 ( )

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由于无线传感网络具有广泛的应用和易受恶意软件攻击的特点，其安全性问题受到了国内外研究学者的广泛关注。借助于 Holling-II 类捕食模型，研究一类时滞易感-感染-重度感染-恢复-易感(susceptible-infected-terminally infected-recovered-susceptible, SITRS)无线传感网络蠕虫病毒传播模型的局部渐近稳定性和 Hopf 分岔。以时滞为分岔参数，利用特征值方法，得到模型局部渐近稳定和产生 Hopf 分岔的充分条件。然后，利用中心流形定理和规范型理论研究 Hopf 分岔的方向和周期解的稳定性。最后，通过仿真分析了模型的关键参数对其动力学性质的影响，仿真结果验证了理论结果的正确性。

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冗余度机械臂初始位置误差容错研究

徐剑琴, 李克讷

控制工程. 2021, 28(12): 2351-2359.

摘要 ( )

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针对冗余度机械臂在执行跟踪任务时，末端执行器的实际初始位置与期望初始位置之间存在误差的情况，探讨了一种基于伪逆的控制方法。在加速度层求解机械臂冗余度解析问题，并引入关节速度/位置的反馈信息，及时调节关节加速度，以减小末端执行器的实时位置误差。通过加速度连续函数，保证关节加速度的连续。若初始位置误差较大，通过位置调整函数，使关节加速度在运动过程中合乎实际情况。平面三连杆机械臂跟踪圆形轨迹以及 PUMA560 机械臂在三维空间跟踪心形轨迹的 MATLAB 仿真实验，验证了末端执行器能在较短的时间内跟踪期望轨迹，并以较高的精度完成任务。

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基于新阈值函数的小波图像去噪算法研究

李敏

控制工程. 2021, 28(12): 2360-2365.

摘要 ( )

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阈值函数的构建是小波阈值去噪的关键问题之一。为克服软、硬阈值函数的缺陷，在分析了小波阈值去噪原理的基础上，将逻辑斯谛曲线函数作为小波系数的变尺度压缩系数，构建出了一种新阈值函数。新阈值函数不仅具有连续、高阶可导的特性，而且在阈值处能够平滑过渡，避免了对阈值附近小波系数的过度扼杀。借助 MATLAB 软件，在全局阈值的情况下，从噪声方差、小波分解层数的角度分别对基于新阈值函数的小波图像去噪算法和其他几种去噪方法进行对比测试。测试结果表明，基于新阈值函数的小波图像去噪算法的性能较为理想。

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车载锂电池生热模型建模与分析

卞一鸣, 庄玲华, 李柠

控制工程. 2021, 28(12): 2366-2370.

摘要 ( )

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当前新能源汽车已经成为汽车制造业的一大发展趋势，制约其发展的主要因素之一在于电池的性能。对汽车电池来说，除了电池能量密度之外，电池的安全性也是一个重要的性能指标。首先，介绍了当前具有代表性的一些电池热模型的建模方案，并深入分析基于电池机理建模的代表方案 Sato 模型。然后，使用 MATLAB 进行建模仿真，得到了电池温度随时间变化的仿真数据，并对结果进行了分析。最后，针对模型中电池内阻的设定进行了分析与改进，得到了更符合真实情况的结果。

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控制力矩陀螺框架伺服系统神经网络控制

吴琛浩, 岳继光, 何洪志, 苏永清, 张激扬, 鲁明, 赵雷

控制工程. 2021, 28(12): 2371-2378.

摘要 ( )

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控制力矩陀螺(control moment gyroscope, CMG)框架伺服系统对柔性机座抑制能力的不足，限制了其控制精度和鲁棒性的进一步提高。通过结合工程实践，基于 CMG 框架伺服系统的强耦合、非线性特性，推导了传递函数，实现了解耦和降阶。在此基础上提出了一种基于反向传播(back propagation, BP)神经网络的比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制方法，将其应用于 CMG 框架伺服系统的控制方案，该方案引入了柔性基座的影响。最后，将所提控制系统与传统 PID 控制器构成的 CMG 框架伺服控制系统进行仿真实验对比。对比结果表明，BP 神经网络 PID 控制系统可以显著提高系统的各项性能，并且有效抑制扰动力矩的影响，保持较高输出精度，具有强鲁棒性。

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基于集成多模型的煤制乙炔浓度软测量

黄锦, 郭瑞昌, 冯毅萍

控制工程. 2021, 28(12): 2379-2385.

摘要 ( )

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目前，工业大量制取乙炔的方法主要是水解电石法，该方法成本高，污染严重。等离子体裂解煤制乙炔的技术具有高效清洁的特点。但该工艺中煤裂解过程机理未知且反应快速，乙炔浓度需要离线化验检测，时间滞后严重。针对上述问题，提出了一种集成多模型的乙炔浓度软测量算法。该算法采用两阶段级联策略，第一阶段采用自适应高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)对样本聚类，第二阶段采用多个支持向量回归模型对每个簇建模。最终软测量结果基于后验概率权重得到。现场案例的仿真验证表明，所提方法在准确度和稳定性方面均能满足工业现场的需求。

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调度变量数据缺失下的多向线性变参数建模

吴宏亮, 赵忠盖, 刘飞, 黄彪

控制工程. 2021, 28(12): 2386-2392.

摘要 ( )

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多向线性变参数(multi-way linear parameter-varying, MLPV)建模方法既利用一般线性变参数建模方法来描述非线性，又考虑了间歇过程的多批次特性，将输入、输出和变量沿着时间维度的动态特性扩展到沿着时间维度和批次维度。在 MLPV 建模方法的基础上，考虑调度变量方程中含有未知参数，且观测到的调度变量中含有部分遗失数据的问题，采用状态空间方程描述真实调度变量的动态特性，然后将期望最大化(expectation maximization, EM)算法应用到对模型参数的辨识中。最后，以青霉素发酵过程为例进行仿真实验，实验结果验证了所提方法的有效性。

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基于多维度 SCADA 参数的风电机组异常辨识

齐咏生, 景彤梅, 高学金, 马然, 李永亭

控制工程. 2021, 28(12): 2393-2401.

摘要 ( )

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风电机组所处环境恶劣，导致风电机组易出现故障。利用数据采集与监控(supervisory control and data acquisition, SCADA)数据预测与评估风电机组整体性能，对风电机组维修与维护具有重要意义。因此，通过分析风电场 SCADA 系统的海量数据，提取表征机组退化信息的特征参数，通过自适应核主元分析(kernel principal component analysis, KPCA)算法建立基于多维度 SCADA 参数的风电机组状态监测与异常辨识模型。为了避免复杂工况对评估结果的影响，该模型引入一种工况划分方法。最后，通过某风电场 SCADA 数据对该模型进行实验验证，并与未进行工况划分的 KPCA 模型、进行工况划分的 PCA 模型进行对比。实验结果表明，该模型不但能够准确辨识风电机组的异常状态，且辨识结果更具可靠性。

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一种基于 AKF 的 MEMS 惯性导航系统姿态初始化方法

陈光武, 李文元, 程鉴皓, 张琳婧

控制工程. 2021, 28(12): 2402-2409.

摘要 ( )

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为了实现微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性导航系统的初始对准，即姿态初始化，提出一种基于加速度计与磁强计的姿态初始化方法。首先，推导了该方法计算姿态角的公式，对该方法计算的姿态角进行误差分析。然后，为提高对准精度，对惯性导航系统建立模型，将自适应卡尔曼滤波(adaptive Kalman filter, AKF)算法引入对准过程，在线实时估计量测噪声。最后，在双轴实验转台与 MEMS 实验板卡上开展实验。实验结果表明，使用所提方法不仅能够获得更高的对准精度，而且可以使系统的抗干扰能力得到提高。这为后续系统进行姿态解算与惯性导航提供了有力支撑。

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位置伺服转台系统双回路控制方法研究

王欢, 赵蔚, 崔家明, 谢铖, 陈松林

控制工程. 2021, 28(12): 2410-2419.

摘要 ( )

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以提升位置伺服转台的性能为目标，分析了分别基于速度和加速度内回路的两种双回路控制下位置伺服转台系统抗干扰性能的差异，得到了两种控制方法在外回路性能相同时抗干扰性能等价的结论。在此基础上，结合经典频域控制和现代滑模控制方法设计了基于速度和位置的双回路控制器，并最终在位置伺服转台系统中进行了实验。与单位置回路滑模控制器和传统频域双回路控制器的对比结果，验证了所设计的双回路控制器在抗扰性能和鲁棒性方面的优越性。

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轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制

孙忠廷, 柏建军, 陈炳旭, 陈云

控制工程. 2021, 28(12): 2420-2425.

摘要 ( )

可视化

针对轮式移动机器人质心和驱动轮轴线中心不重合的情况，基于运动学模型研究了轮式移动机器人的轨迹跟踪控制问题。首先，提出了一种新的 Lyapunov 函数，并利用该函数设计了一种运动学控制器，避免了初始误差较大时，跟踪误差收敛不到零的情况。其次，考虑轮式移动机器人质心和驱动轮轴线中心之间距离不确定的情况，给出了一种自适应控制算法，用以补偿不确定参数导致的系统误差。最后，仿真实验结果验证了所提控制器的有效性。

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基于强跟踪滤波的半自磨流程运行自抗扰控制

谢七月, 钟蔡丰尧, 周俊阳

控制工程. 2021, 28(12): 2426-2431.

摘要 ( )

可视化

针对半自磨流程因非线性、多变量耦合、内部信息不可测等特征而难以控制的问题，提出了一种基于强跟踪滤波的半自磨流程运行自抗扰控制方法，以达到稳定运行、提高产量、节能降耗的控制目标。该方法首先建立半自磨流程进出口物料平衡关系的重要工作参数数学模型，提出基于强跟踪滤波的扩张状态观测器，实时观测跟踪系统状态和扰动作用并加以补偿；然后构建了基于自抗扰控制器的半自磨流程控制策略。MATLAB 仿真结果证明了该方法的有效性。

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执行器故障不确定非线性系统的自抗扰控制

丁健, 刘志刚, 郭琼, 杨慧中

控制工程. 2021, 28(12): 2432-2437.

摘要 ( )

可视化

针对不确定非线性系统的执行器故障问题，提出一种基于扩张状态观测器的自抗扰控制方法。首先，将系统的内部扰动、外部扰动，以及实际故障执行器和理想线性执行器之间的偏差定义为总扰动，并利用扩张状态观测器进行实时估计和补偿，消除总扰动对系统输出的影响；然后，设计误差反馈控制律，使系统获得满意的跟踪性能；最后，两个二阶控制系统的仿真结果表明了所提控制方法的有效性。

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Vantage 工艺控制系统的防火墙设计及实现

李坤杰, 刘斌斌, 池国明, 刘国平

控制工程. 2021, 28(12): 2438-2442.

摘要 ( )

可视化

介绍了 Vantage 工艺控制系统的防火墙改造及实现。Vantage 工艺控制系统用于铝板带箔材轧制过程的工艺控制，包括自动厚度控制、自动板型控制、液压油缸控制等功能，在铝加工领域得到较多应用。由于 Vantage 工艺控制系统开发年代较早，对网络安全的考虑存在限制，网络端口的全部开放，对系统的稳定性产生一定影响。因此，对其实施硬件防火墙升级，将各站点放在不同安全域中，建立域间通信服务规则，提高了系统的可靠性。最后，实际应用结果验证了所提方案的有效性。

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基于 ESMMP 算法的工业过程故障检测

周冰倩, 顾幸生

控制工程. 2021, 28(12): 2443-2450.

摘要 ( )

可视化

针对多流形投影(multi-manifold projection, MMP)算法忽略原始数据高阶统计量信息的问题，将统计量模式分析(statistic pattern analysis, SPA)算法引入 MMP 算法中，提出集成统计量多流形投影(ensemble statistic multi-manifold projection, ESMMP)算法。首先，对 SPA 算法中的窗口宽度参数设置不同的值，计算原始数据的均值、方差、偏度和峰度等低阶和高阶统计量来构建多个统计量空间，避免了单一窗口宽度参数难以适用于不同类型故障数据的局限性；然后，采用 MMP 算法在各统计量空间建立 T2 和 SPE 统计量进行监控；最后，通过贝叶斯策略融合各子模型的监控结果。数值例子和 TE 过程的仿真结果验证了所提算法在工业过程故障检测方面的有效性和优越性。

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六甲基二硅胺烷与六甲基二硅氮烷间歇生产过程监控

李智豪, 陈子豪, 郑年年, 栾小丽, 刘飞

控制工程. 2021, 28(12): 2451-2455.

摘要 ( )

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针对间歇生产过程具有的多批次、非线性和动态性特点等，基于多向主元分析，提出一种改进的过程监控和质量一致性方案，并在此基础上实现质量控制与生产优化。进一步以某化工厂的六甲基二硅胺烷(hexamethyldisilane, HMDZ)和六甲基二硅氮烷(hexa-methyldisilazane, HMDS)间歇生产过程为例，详细阐述了其数据采集及预处理、离线建模和在线监控。在 HMDZ 和 HMDS 间歇生产过程中各批次间产品质量一致的基础上，所提方法通过对生产单耗的实时监测，实现间歇生产过程的监控与优化。

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基于 TSA 的多变量模糊预测控制

吴佳, 施惠元, 苏成利

控制工程. 2021, 28(12): 2456-2461.

摘要 ( )

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针对多输入多输出的非线性系统，提出了一种基于树和种子算法(tree and seed algorithm, TSA)的多变量模糊预测控制算法。该算法首先将非线性系统的过程模型建模为Takagi-Sugeno(T-S)模型，并将其作为预测模型。在此基础上，利用该模型和反馈校正方法，递推得到校正的输出预测值。然后，给定相应的二次性能指标及输入输出约束条件，利用TSA 在线搜索多变量非线性预测控制系统的最优控制律，避免了直接递推控制律时复杂多项式难以求解的问题。最后，以中和反应过程为例进行仿真对比实验。实验结果验证了所提算法的有效性和可行性。

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基于 DGLPP-SVDD 算法的化工过程故障检测

徐静, 王振雷, 王昕

控制工程. 2021, 28(12): 2462-2468.

摘要 ( )

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针对实际工业生产中数据间存在动态关系，以及高斯和非高斯混合分布特性，提出动态全局局部保留投影-支持向量数据描述(dynamic global-local preserving projection-support vector data description, DGLPP-SVDD)的故障检测算法。构建动态扩展矩阵代替原始数据集，提高动态过程的监测能力。支持向量数据描述(support vector data description,SVDD)算法能高效地处理具有非高斯特性的过程数据，故面对高斯和非高斯混合分布的过程时具有较优异的表现，且只需少量数据就能检测出系统处于非正常运行状态，提高了算法的故障检测率。通过田纳西-伊斯曼(Tennessee Eastman, TE)过程仿真研究对全局局部保留投影(global-local preserving projection, GLPP)算法和 DGLPP-SVDD 算法进行对比。结果表明，在故障误报率均控制在合理范围且相差不大的情况下，DGLPP-SVDD 算法的平均故障检测率更高。

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一种迭代机制改进基于卷积神经网络的目标检测

高捷

控制工程. 2021, 28(12): 2469-2477.

摘要 ( )

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为提升目标检测模型的检测精度，提出一种迭代机制改进基于卷积神经网络的目标检测方法。首先采用与标准更快速区域卷积神经网络(Faster RCNN)一致的设定，在提取了区域候选框后，引入迭代机制来改进 Faster RCNN。通过多次迭代优化候选框，使检测框近似于真实框。为发挥迭代机制优点，实现目标精确检测，改进了迭代版 Faster RCNN的训练方式，一种改进是所有迭代步骤都定义了损失函数，另一种改进是使用 ε-greedy 策略。最后，在 Pascal VOC 数据集和自制飞机数据集上进行的测试表明，改进后的迭代版Faster RCNN 的检测精度高于标准 Faster RCNN 约 8 个百分比。

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基于多粒度 LSTM 网络模型的换流站设备分析研究

顾天雄, 章鑫锋, 富银芳, 胡宪, 潘戈, 魏华兵, 冯毅萍

控制工程. 2021, 28(12): 2478-2484.

摘要 ( )

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换流站的设备状态分析对日常工作的展开具有重要意义。提出了一种基于多粒度长短期记忆(long short-term memory, LSTM)网络模型的时间序列预测方法，从采样粒度、时粒度和天粒度对设备的各个监测参量展开分析。对典型的设备数据趋势进行分类，针对不同类别的数据进行数据预处理，包括离群点处理、缺失值处理和标准化处理；根据相关系数大小进行特征选择，并通过滑动窗口法构建样本集；对每类数据设计多粒度 LSTM 网络模型进行预测，得到不同时间粒度的状态预测值。实验结果表明，多粒度 LSTM 网络模型的预测误差小于 ARIMA 和 Xgboost 模型，该模型具有较好的预测效果。

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2021年, 第28卷, 第12期　
刊出日期：2021-12-20

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