控制工程

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王印松, 郑天瑞

控制工程. 2021, 28(8): 1505-1509.

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针对一些工业运行过程受到的随机性负载扰动情况，研究并运用了负载扰动 R 指标进行系统性能评价及控制器参数优化，提高控制系统性能。首先，给出 R 指标的定义与具体的计算原理，利用 MATLAB/Simulink 确定 R 指标的取值范围并给出控制器参数优化建议表。然后，与其他常用性能评价指标进行对比分析，对比结果说明 R 指标可以正确衡量系统性能。最后，基于 GenSystem 平台进行 R 指标在线计算并给出回路优化建议。R 指标在应用时无须知道回路的模型信息，仅通过在线采集、存储和分析控制回路的运行数据，就可以实时地对控制回路的性能进行监测和评价，从而指导和帮助操作人员维护系统的正常运行。

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考虑深度利润成本的拆卸线平衡优化

戎诗佳, 胡雨霞

控制工程. 2021, 28(8): 1510-1518.

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随着产品更新越来越快，废弃的设备也越来越多，每年都会产生百万吨的电子垃圾。改进废旧产品的拆卸方式有助于减少资源浪费，节省的资源可反馈到供应链中，从而促进再利用和再循环。对此，提出了一种考虑深度利润成本的拆卸线平衡优化，使用所提基于帕累托的二进制多目标差分进化算法，与基于极值优化的模块相混合，并结合特定变异算子和连续松弛接种技术，实现工作站的数量最小化，利润和拆卸深度最大化。最后，锤钻拆卸过程的仿真实验结果表明，所提算法可获得更快的收敛速度，其解更接近帕累托峰值。

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基于因果逻辑关系的耦合系统预测云控制

杨洪玖, 鞠爽, 张金会, 袁源

控制工程. 2021, 28(8): 1519-1525.

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针对一类存在复杂耦合关系的线性系统，提出一种基于解耦观测器的模型预测云控制方案。首先，给出云控制框架下的线性系统因果逻辑关系模型，针对系统内部存在未知量以及系统之间存在复杂耦合关系的问题，设计解耦观测器对其进行解耦观测，给出观测器误差系统输入状态稳定条件，并证明单个闭环系统是输入状态稳定。然后，利用设计的解耦观测器，提出分布式模型预测控制方法，给出耦合系统的整体优化控制方案，并证明该系统的闭环稳定性。最后，通过仿真验证所提方法的有效性。

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纯电动汽车热泵空调系统模糊控制策略优化

叶立, 胡林, 张梦伢, 谢小辉, 万滕飞

控制工程. 2021, 28(8): 1526-1533.

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为了提高新能源汽车乘客舱的热舒适性，综合考虑汽车空调控制系统的复杂性，对纯电动汽车热泵空调系统的模糊控制策略进行优化。利用 AMESim 建立纯电动汽车热泵空调系统模型，采用 MATLAB\Simulink 建立系统直流电动机的模糊控制器模型，并将两种模型进行耦合，在不同环境工况下对车舱温度变化进行联合仿真。研究表明，传统模糊控制器采用固定的 Ke , Kec , Ku ，在各个工况下都有明显的稳态误差，误差为−0.5~0.5 ℃；采用在线自调整模糊控制器进行控制后，车舱温度在趋近于目标温度时存在微小波动而无法稳定；优化后的在线自调整模糊积分控制器可基本消除稳态误差，控制精度高，各工况下的稳态车舱温度均只高于目标温度约 0.01 ℃。

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变速风力发电机最大风能捕获非线性控制

曹临熙, 王良勇, 赵磊

控制工程. 2021, 28(8): 1534-1539.

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以实现变速风力发电机最大风能捕获为目标，结合其机械惯量大和传动轴柔性的特点，提出一种由内外环两层结构组成的非线性控制策略，在提高风能捕获效率的同时降低机械瞬态负载。内环为稳定转速控制器。外环由叶尖速比反馈补偿器、转子转速预设定模型和转速设定平滑模块组成。通过对外环到内环设定转速进行平滑处理，减小了风速剧烈变化对设定转速的扰动，降低了机械负载。最后，以风力发电机两质量模型为对象进行仿真实验。实验结果验证了所提控制策略的有效性与可行性。

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基于扰动观测器的机械臂神经网络滑模控制

张百寿, 杜亚江, 李宗刚, 陈引娟

控制工程. 2021, 28(8): 1540-1546.

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针对机械臂在实际应用中无法建立完全精确的动力学模型以及机械臂在工作环境中普遍受到各种未知外部扰动的问题，提出了一种基于扰动观测器的机械臂神经网络滑模控制方法。利用神经网络逼近建模不确定项，使用扰动观测器来消除外界扰动中的可观测部分，不可观测部分及系统建模不确定部分采用滑模控制器进行补偿。利用 Lyapunov 方法分析了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明，所提方法可以克服系统的不确定性及外部扰动，实现期望轨迹的快速跟踪。

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具有输出受限的机械臂固定时间跟踪控制

安思宇, 陈明

控制工程. 2021, 28(8): 1547-1552.

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以单链路机器人的机械臂系统为研究对象，基于反演控制策略和有限时间Lyapunov 稳定性理论，研究其固定时间跟踪控制问题。考虑实际生产中的物理因素、安全问题等，需要对机械臂的转动角度进行约束。固定时间控制加快系统的收敛速度，且收敛时间与系统初始状态无关。所提控制策略的主要控制目标是保持系统输出变量在固定时间跟踪期望信号，且系统的跟踪误差收敛于原点的一个任意小的邻域内。最后，利用MATLAB 仿真软件验证了所提设计方案的有效性。

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双容水箱基于 QPSO 算法的 PID 控制研究

李磊, 李俊红, 顾菊平, 华亮

控制工程. 2021, 28(8): 1553-1558.

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双容水箱液位系统是典型的非线性、时延系统，以 CS4000 装置为研究对象，通过机理法和测试法建立其数学模型。粒子群优化算法是模拟鸟类群体行为的智能算法，参数设置较少，收敛性较好，但寻优过程易陷入局部最优解。为此，提出了量子行为粒子群优化算法。针对常规比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器在处理时延、非线性对象方面的不足，提出了基于量子行为粒子群优化算法的 PID 控制器，并将该控制器用于双容水箱液位系统。结果表明，相比于常规 PID 控制器和粒子群优化算法，基于量子行为粒子群优化算法的 PID 控制器具有更好的控制效果。

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不稳定一阶加时滞系统的两自由度控制

朱景秀, 张伟, 王亚刚

控制工程. 2021, 28(8): 1559-1566.

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针对一阶加时滞不稳定系统提出两自由度控制改进方案，该方案的控制结构由两个控制器组成，分别作用于设定值追踪和抑制负载干扰，并且设定值追踪响应与负载干扰响应完全解耦。采用直接综合法对控制器进行参数整定，并根据最大灵敏度函数、设定值追踪响应以及负载干扰响应来选择参数 λ_d 和 λ_s 。仿真例子证明了所提结构在系统性能和鲁棒稳定性方面具有明显的优越性。

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基于切换系统的微电网逆变器双模式控制设计

孙丽颖, 张鹏飞, 吕晶剑

控制工程. 2021, 28(8): 1567-1579.

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针对微电网并网运行与孤岛运行两种模式的切换稳定性问题，提出将非线性切换系统理论应用到微电网运行模式切换问题上。将并网运行模式和孤岛运行模式看作两个子系统，通过对并网运行模式模型和孤岛运行模式模型增广，来建立微电网切换系统模型。考虑模型存在不确定参数问题，应用自适应 Backstepping 法分别设计了切换子系统的非线性控制器。同时，构造子系统的共同 Lyapunov 函数，通过设计合理的切换律，从而保证微电网运行模式切换的稳定性。与传统 P/Q 控制和 V/F 控制切换相比，该控制策略有效减小了两种运行模式切换过程中出现的振荡。MATLAB/Simulink 仿真结果验证了设计的控制器和切换策略的有效性。

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基于 OCSVM 的燃气 SCADA 系统入侵检测

张文安, 程蒋旭, 吴麒, 史秀纺

控制工程. 2021, 28(8): 1580-1587.

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针对工控燃气监控与数据采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)系统中间人攻击，提出了一种基于单分类支持向量机(one-class support vector machine,OCSVM)的入侵检测方法。首先，该方法根据燃气 SCADA 系统中各门站的重要性程度进行等级划分，以实现入侵检测的定位，即确定攻击发生于哪一层。其次，该方法引入时间戳作为扩张的特征，解决了实际中燃气 SCADA 系统日常检修和维护等行为对入侵检测系统的影响。为了验证该方法的实际效果，依托燃气 SCADA 仿真平台，设计了多组对比实验。实验结果验证了该方法的有效性和优越性。

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阀控变量泵系统动态特性及抗干扰特性分析

王慧, 符鹏, 王超, 张长帅

控制工程. 2021, 28(8): 1588-1597.

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为了对比分析不同变量机构在控制数字变量泵时的动态响应及抗干扰特性，分别建立电液比例换向阀、电液伺服阀及高速开关阀控制变量泵系统的 AMESim 模型，并进行仿真研究。仿真结果表明，在相同输出条件下，电液伺服阀控制变量泵系统的超调量最低，稳态性能最好，动态波动最小；高速开关阀控制变量泵系统的响应速度较快，但系统波动较大；电液比例换向阀控制变量泵系统的响应时间最长。研究结果为选择变量泵系统控制用阀提供一定参考。

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考虑电池性能的独立光储系统能量管理策略

李鑫, 王娟, 陈薇, 张里, 侯杨成

控制工程. 2021, 28(8): 1598-1607.

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为满足含混合储能的独立光伏发电系统的安全、稳定运行要求，延长光储系统的使用寿命，提出一种能量管理策略。该策略对光储系统的工作模式进行分类，并对不同的工作模式采用不同的控制电路，在维持母线电压稳定的基础上，增加了并联电池组的功率分配控制；通过引入虚拟下垂电阻实现多并联 DC/DC 变换器的控制；综合考虑电池的荷电状态、容量以及运行效率等性能因素，使电池单元自行调节充放电功率，实现电池功率的自适应分配。该策略可以使性能好的电池单元承担更多的功率，减轻了性能较差的电池单元的运行压力。最后，在 MATLAB/Simulink 上进行仿真和分析。结果表明，该策略能够在维持光储系统稳定运行的基础上，合理分配电池的充放电功率，有效提高系统的运行效率。

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基于残差生成器的直流微电网动态补偿控制

关丛荣, 陆珩, 胡长斌, 罗珊娜

控制工程. 2021, 28(8): 1608-1614.

摘要 ( )

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为了克服负载投切与分布式电源功率变化对直流微电网母线电压的影响，提出一种基于残差生成器的动态补偿控制策略，对母线电压进行动态补偿，保证直流微电网的稳定运行。首先，针对 Buck 电路建立以输入电流为扰动的状态空间模型。其次，针对传统双闭环控制的 Buck 电路，设计基于残差生成器的动态补偿控制结构。然后，基于模型匹配结构，利用线性矩阵不等式得到电压动态补偿控制器，从而实现母线电压补偿，并且设计电流环二次补偿控制器，抑制电压补偿信号产生的二次扰动。最后，使用 PXI Target 半实物仿真实验平台验证此控制策略的有效性。

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多轴强健式交叉耦合同步控制设计

王玉爽, 苏闯

控制工程. 2021, 28(8): 1615-1620.

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针对多轴同步运动系统易产生同步误差，从而造成加工精度下降的问题，提出了一种基于位置控制回路模式的强健式交叉耦合同步控制算法。该算法利用位置命令与响应的关系，进而修正位置控制命令，将交叉耦合同步控制器架构应用于位置控制回路中。首先，推导了同步误差模型，获得系统多轴同步误差；然后，结合 H_∞原理，设计了强健式交叉耦合同步控制器，根据各轴位置同步误差，修正各轴命令，改善多轴同步误差；最后，将此算法应用于四自由度伺服同动平台。研究结果表明，使用所提算法后，最大位置同步误差减少 44%以上，平均位置同步误差减少 75%以上，均方根位置同步误差减少 74%以上，同步性能明显改善。

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基于背景感知的异常节点定位检测算法

唐卫斌

控制工程. 2021, 28(8): 1621-1627.

摘要 ( )

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针对现有室内节点异常定位不精确等问题，提出一种基于背景感知的异常节点定位检测算法。根据节点所处环境，将节点运动过程模拟为有限状态的转换，以检测无线网络环境中的异常节点，并以周围轨迹的感知背景来衡量节点的异常度。同时在节点状态转换间插入丢失状态，重建节点轨迹过程，利用迭代策略估计转换概率，有效降低节点状态转换序列中的不确定性，从而提高异常节点位置估计的准确性和可恢复性。仿真结果表明，所提算法能在复杂的现实环境中准确定位室内异常节点位置。与两种不同的基准算法相比，所提算法不仅定位精度高，还有较高的召回率。

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微电网逆变器自适应阻尼系数 VSG 控制策略研究

朱作滨, 黄绍平, 李振兴

控制工程. 2021, 28(8): 1628-1633.

摘要 ( )

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针对常规的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)控制策略采用固定的参数，在受到外界扰动时可能导致系统输出频率超调振荡，提出一种基于自适应阻尼系数的 VSG 控制策略。首先，建立 VSG 的数学模型，分析了阻尼系数对系统输出频率的影响。然后，建立 VSG 动态小信号模型，并给出阻尼系数变化情况下的稳定性分析。最后，建立自适应阻尼系数 VSG 控制系统仿真模型。仿真结果表明，该方法在负荷扰动时，能够快速调节并有效抑制系统输出频率超调振荡。

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基于延时的 APF 有源阻尼系统稳定性优化

张得君, 王浩哲, 徐金榜

控制工程. 2021, 28(8): 1634-1640.

摘要 ( )

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延时是数字控制系统中不可避免的环节，但延时环节的加入会改变系统的相频特性，减小系统的相角裕度，从而影响系统稳定性。随着技术的不断进步，低延时控制逐渐成为主流，然而不当延时的加入易使系统不稳定。以采用有源阻尼的电感-电容-电感型有源电力滤波器(active power filter, APF)为例，建立了其离散域下的电流环控制模型，并使用等效方法得到连续域下的等效控制模型，从而系统地分析了控制延时对系统稳定性的影响，进一步提出了一种计算保持系统稳定的控制延时时间范围的方法。另外，给出了一种优化固定延时系统稳定性的思路。APF 有源阻尼系统的实验结果验证了理论分析和所提方法的正确性。

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基于 MESCM 算法的电网异常状态检测改进方法

张娟, 黄海波, 吴定会, 王波

控制工程. 2021, 28(8): 1641-1647.

摘要 ( )

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为了提高现有电网异常状态检测方法的计算效率，扩大其应用范围，基于样本协方差矩阵最大特征值(maximum eigenvalue of sample covariance matrix, MESCM)算法，提出一种改进算法。该算法基于随机矩阵理论，以标准 M-P 律的上确值作为样本协方差矩阵特征值的阈值，并引进动态的异常状态检测阈值，实现对不同信噪比环境下电网异常状态的检测分析。案例分析以 IEEE 39 节点网络和一个实际的高压直流输电系统为模型，通过设置短路故障，将改进 MESCM 算法与平均谱半径(mean spectral radius, MSR)算法和传统MESCM 算法进行对比分析。结果表明，相较于 MSR 和 MESCM 算法，改进 MESCM 算法具有计算速度快、抗干扰能力强和普适性高的优势。

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基于卷积神经网络的微电网保护方法研究

黄棋悦

控制工程. 2021, 28(8): 1648-1653.

摘要 ( )

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微电网是一种小型的配电网系统，可有效消纳可再生能源，具有较高的可靠性和灵活性。然而，其复杂的网络结构、多变的潮流方向、不同的故障特性给传统继电保护的速动性和可靠性带来了挑战。因此，提出一种基于卷积神经网络的微电网智能保护方法。该方法通过小波变换对电流信号进行处理，提取特征值，再结合仿真数据和历史数据，建立不同状况下的微电网特征集合，并将其作为卷积神经网络的输入，在大量的离线训练后可实现故障位置和故障类型的智能判断。最后，使用 PSCAD 对典型的微电网进行建模与仿真。实验结果表明，该办法具有较高的可靠性。

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基于生成对抗网络的电能质量信号压缩重构方法

简献忠, 王绪涛, 王如志

控制工程. 2021, 28(8): 1654-1661.

摘要 ( )

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针对压缩感知在电能质量信号压缩重构方面存在前期稀疏处理过程繁琐、观测矩阵设计困难、压缩重构速度慢等缺点，首次提出一种基于生成对抗网络模型的电能质量信号压缩重构方法。该网络模型由生成器和鉴别器组成。生成器学习样本分布的特性，经过训练后应用到电能质量信号的压缩和重构过程中。鉴别器与生成器相互对抗以提高彼此性能。此外，该方法在原损失函数中加入重构损失和频域损失，进一步提升重构效果。实验结果表明，提出的压缩重构方法不仅避免了前期对信号进行稀疏处理，而且具有重构效果好、重构速度快、稳定性更强的优势。

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基于表面肌电信号的步态切换意图识别及控制研究

尚长沛, 程志

控制工程. 2021, 28(8): 1662-1668.

摘要 ( )

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为了帮助老年人、残疾人及康复中后期的下肢功能损伤患者进行自我康复训练和日常活动，提出了基于表面肌电信号的关节角度预测方法和主动控制外骨骼触发步态切换策略。采用基于 BP 神经网络的控制器预测关节角度，采集腿部 6 块肌肉的表面肌电信号，利用均方根对其进行特征提取。然后将信号数字归一化后定向到 BP 神经网络模型作为输入，关节角度作为输出。根据输出角度识别人体步态切换意图并主动控制外骨骼触发相应的步态。受试者穿戴外骨骼进行在线实验。实验结果表明，所提方法具有较好的实时性和准确性，在自我康复训练和辅助行走等方面具有广阔的应用前景。

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基于 HFLAOWA 算子的云计算系统优选

陈雪娟

控制工程. 2021, 28(8): 1669-1675.

摘要 ( )

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考虑犹豫模糊语言信息描述专家评价数据的全面性和便捷性，构建了基于犹豫模糊语言 Archimedean 有序加权平均(hesitant fuzzy linguistic Archimedean ordered weighted averaging, HFLAOWA)算子的多属性群决策模型。首先，基于严格 Archimedean t-模运算和

严格 Archimedean t-余模运算定义新的犹豫模糊语言基本运算法则；其次，提出 HFLAOWA算子用于对多个犹豫模糊语言元的综合集成，并探究 HFLAOWA 算子的优良特征，分析了 HFLAOWA 算子的几类常见形式；最后，建立基于 HFLAOWA 算子的多属性群决策模型，并将其用于处理云计算系统优选问题。实验结果表明，构建的群决策模型不仅使用范围更广，还能够让专家依据自身偏好进行决策。

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基于极限学习机的密度聚类离群点检测研究

邱华, 乔涵哲, 虞董平, 葛泉波, 李小凯, 姜淏予

控制工程. 2021, 28(8): 1676-1682.

摘要 ( )

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针对智能电网大数据背景下传统密度聚类离群点检测方法在适应性和异常点样本获取成本上的不足，研究一种新的基于权值的密度聚类离群点检测算法，并用极限学习机来预测离群点判断的阈值。对海量历史报文数据进行数据预处理后，将其放入极限学习机进行训练，并预测得到基于权值的局部离群因子(weight-based local outlier factor, WLOF)的阈值。应用预测的 WLOF 阈值对实时数据进行密度聚类，以实现高性能的离群点检测。最后，采用某电网公司的实际数据进行实验。实验结果表明，所提算法具有较高的检测准确率，尤其适用于阈值未知情况下的离群点检测。

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基于红外图像时空特征的电力设备故障诊断

王晶, 姚邹静, 赵春晖

控制工程. 2021, 28(8): 1683-1690.

摘要 ( )

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红外热成像技术是电厂中电力设备故障检测的主要技术。针对现有方法不能有效地挖掘海量红外热图像中包含的设备运行状态信息，以及忽视了设备运行性能退化机制使得诊断效果较为粗糙这两个问题，提出了一种基于图像序列时空特征提取和沙普利加法特征归因聚类算法的精细化诊断策略，结合电力设备的时空特性并融合过程知识，建立了包括正常阶段、注意阶段、预警阶段和异常阶段的多阶段精细退化模型，为电力设备的预测性维修提供了依据。引入具有增量学习能力的宽度学习系统，有效解决了随着电厂设备类型和故障数量的增加而导致的模型适配问题，实现了模型的快速更新。

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基于二型模糊变积分 PID 控制的 BLDCM 控制研究

何青, 孟岳

控制工程. 2021, 28(8): 1691-1699.

摘要 ( )

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无刷直流电机(brushless direct current motor, BLDCM)是一种非线性的系统，传统比例积分(proportional-integral, PI)控制存在响应速度慢、动态性能差等问题。针对无刷直流电机运行过程的精准控制存在系统不确定性问题，通过将时变论域、变积分逻辑、区间二型模糊集合综合判断与模糊比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制规则相结合，提出了一种新型的二型模糊变积分 PID 控制器，解决了传统 PI 控制与一型模糊控制的转速跟踪不足、容易偏离目标转速等问题。仿真结果表明，将二型模糊变积分 PID控制算法应用在双闭环调速系统中，获得了更快的转速响应速度、更强的鲁棒性以及更小的超调量，所提方法为无刷直流电机系统提供了新的控制思路。

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状态受限下四旋翼无人机自适应跟踪控制

刘敏, 薛笑荣, 董立国, 黄敏思

控制工程. 2021, 28(8): 1700-1707.

摘要 ( )

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针对位置状态有界约束、未知有界干扰以及模型不确定下四旋翼无人机轨迹跟踪问题，设计了位置姿态双闭环自适应控制方案。通过非线性变换将四旋翼无人机位置状态变换为新的状态量，进而将四旋翼无人机位置状态有界约束问题转化为新状态量的有界性问题。设计了自适应率对干扰以及模型不确定进行估计，并设计了自适应反步控制方案。为避免欧拉角的奇异问题，采用旋转矩阵描述四旋翼无人机的姿态运动，构建其误差动力学方程，并设计了姿态自适应控制率以实现姿态轨迹跟踪以及稳定控制。仿真结果表明了所提方案的有效性。

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ICPS 入侵检测深度学习混合模型

金浩, 孙子文

控制工程. 2021, 28(8): 1708-1716.

摘要 ( )

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针对工业信息物理系统面临的网络安全问题，研究了一种基于深度学习混合模型的入侵检测方案。该方案将基于深度信念网络的无监督学习策略与基于支持向量机的有监督学习策略相结合，以实现工业信息物理系统入侵检测的半监督学习。对原始数据进行归一化处理并采用深度信念网络进行数据降维后，利用支持向量机进行入侵检测。使用MATLAB 工具进行仿真，对以 Modbus 作为通信协议的监控与数据采集系统的真实数据进行测试。结果表明，与深度信念网络、支持向量机等算法模型相比，深度学习混合模型能显著提高异常检测的准确度。

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2021年, 第28卷, 第8期　
刊出日期：2021-08-20

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