2022年, 第29卷, 第12期 
刊出日期:2022-12-20
  

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  • 杨旭红, 陈阳, 方剑峰, 罗新
    控制工程. 2022, 29(12): 2177-2183.
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    为了适应核电厂汽轮机转速控制系统中时变的不确定性和非线性,提出了一种基于改进粒子群优化(PSO)算法的 PID 控制器。以大亚湾核电站 900 MW 汽轮机模拟机组在某一时期的转速实测数据为基础,首先利用遗忘因子递推最小二乘算法对汽轮机转速控制传递函数模型的参数进行辨识,得到汽轮机转速控制系统的传递函数模型; 然后,运用改进 PSO 算法优化 PID 控制器参数。 MATLAB/Simulink 仿真结果表明, 该方法具有较高的参数识别精度,增强了系统稳定性,在处理系统的内外干扰时,具有响应速度快、 超调小等优点,明显改善了汽轮机转速的控制品质。
  • 齐潘国, 刘政奇, 陈洪月, 王慧
    控制工程. 2022, 29(12): 2184-2193.
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    120 t 数字液压缸为研究对象,建立含有反馈机构动力学特性的数字液压缸系统框图。将数字液压缸系统分为五个结构子模块, 并深入分析五个结构子模块间的耦合关系,揭示反馈机构对数字液压缸系统的影响。在频域上对系统框图进行简化分析,给出其化简意义。搭建数字液压缸系统的仿真模型, 通过仿真从稳定性和快速性两方面研究每步简化对系统的阶跃响应影响。结果表明,电机频宽和丝杠导程变小或者阀芯转动惯量变大,对简化前后数字液压缸性能有较大影响,因此在进行优化设计时应根据实际参数选用合适的简化模型。
  • 闫秀英, 许成炎
    控制工程. 2022, 29(12): 2194-2203.
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    针对目前单一优化算法对最优冷水机组负荷(OCL)的求解过程存在收敛性能不佳的问题,提出一种改进的具有差分进化算子的粒子群优化算法(改进 DEPSO 算法) 求解夏季典型日的 OCL, 并利用 k 均值聚类算法对系统冷负荷进行分类,以最大限度降低多冷水机组系统的能耗。通过实际案例验证该方法的节能效果和有效性,结果表明,与粒子群优化算法和差分进化算法相比,所提方法能以较少的迭代次数搜索到最小系统能耗值,且获得较优的平均最小系统能耗值。
  • 郑阳, 陈启卷, 刘宛莹, 闫懂林
    控制工程. 2022, 29(12): 2204-2212.
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    针对现代电力系统的复杂约束处理问题,提出一种基于多变量约束广义预测控制(GPC)的负荷频率控制(LFC)方法。 以区域控制误差和部分待约束内部状态为输出变量,构建多变量受控自回归积分滑动平均预测模型,并根据丢番图方程的隐式解进行多变量输出轨迹预测,改善了经典 GPC 无法直接处理内部状态约束的缺点且减轻了在线计算负担。此外,以最临近历史控制序列的未来时刻控制量预测值代替实时控制律对随机输入延时进行补偿。以水火电混合多区域互联系统为例进行仿真,仿真结果表明, 所提控制策略比传统 PI 控制的控制性能和时滞鲁棒性更优, 比经典显式约束 GPC 的计算实时性更好。
  • 邵庆祝, 谢民, 王同文, 俞斌, 于洋, 李帷韬
    控制工程. 2022, 29(12): 2213-2220.
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    针对继电保护和断路器的不确定性电网故障信息,给出了一种基于集成深度随机配置网络(SCN)的电网故障智能诊断方法。首先,面对分区的小规模子网,以子网全体关联保护和相应的断路器作为输入,采用深度 SCN 建立子网神经网络诊断模块。然后,定义广义误差熵性能指标,实时评测子网络诊断模块的故障诊断结果可信度,动态调节子网络层级对故障进行闭环反馈再诊断,使得故障诊断结果具有强可信度。子网络诊断模块完成各自的诊断任务后,基于模糊积分模块融合各子网络的高可信度诊断输出,最终实现区域间故障综合诊断决策。 最后, 仿真结果表明了该方法的可行性和有效性。
  • 赵凯旋, 王树波, 李冬伍
    控制工程. 2022, 29(12): 2221-2226.
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    针对滑模控制的机械臂轨迹跟踪中存在收敛速度慢和系统抖振问题, 为进一步提高机械臂控制的动态性能,通过分析两种类型趋近律的优缺点,设计了一种能够在提升收敛速度的同时对系统抖振进行有效控制并提高系统鲁棒性的改进型滑模趋近律。 以二关节串联机械臂为控制对象, 使用仿真工具 Simulink 进行仿真实验。仿真结果表明, 该改进型趋近律可以缩短收敛时间,能够对系统抖振进行有效控制,验证了该改进型趋近律的可行性与有效性。
  • 王铎, 李绍勇
    控制工程. 2022, 29(12): 2227-2234.
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    为提升定风量空调空气处理机组(CAVAHU)送风温度的调节性能, 针对 CAVAHU送风温度被控对象存在大时滞、非线性、多干扰等特性,提出送风温度二自由度内模 PID控制策略和用于控制器参数整定的改进粒子群优化(PSO)算法。首先,对送风温度控制系统中的各个对象及二自由度内模 PID 控制器分别建模。其次,采用改进 PSO 算法对控制器参数进行整定,获取相应的最佳值。最后, 对控制系统与整定算法进行组态与仿真。 仿真结果表明,基于改进 PSO 算法的送风温度控制器参数整定及其调节系统是可行且有效的, 对送风温度的控制性能能够满足空调工艺要求, 并且跟踪与抗干扰能力良好。
  • 刘志强, 朱大奇
    控制工程. 2022, 29(12): 2235-2243.
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    针对水下图像存在色偏、清晰度低和边缘细节不足的问题, 提出了一种新的水下图像增强算法。首先,以颜色校正的方式改进了一种基于暗通道先验(DCP)的水上图像增强方法,使其可以更好地用于水下图像,并将增强后的图像作为图像融合的一个输入。然后, 利用非锐化掩蔽(USM)增强图像的纹理特征,并将再次增强的图像作为图像融合的另一个输入。最后,采用小波融合的方式对以上两个输入图像进行融合,进一步提升图像质量。与其他方法的比较结果表明, 利用所提方法增强的图像具有更自然的外观、 更高的清晰度、 更多的细节和边缘信息,所提方法对水下图像有良好的增强效果。
  • 周焕银, 郝以阁
    控制工程. 2022, 29(12): 2244-2249.
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    针对自主水下机器人(AUV)航向运动易受纵向速度影响的问题,提出了基于纵向速度的动态状态反馈控制法。动态状态反馈控制是指系统控制器的反馈控制参数随着纵向速度与系统模型的变化而变化。该控制方法可削弱纵向速度对航向运动的影响。根据所研究的 AUV 系统的航向运动特点,将航向运动控制模型转化为二阶控制模型,依据此模型控制特点构建动态状态反馈控制法。湖泊实验的结果表明, 所提动态状态反馈控制法不仅设计简单, 且具有较强的抗外界干扰能力,可消除耦合项纵向速度对航向运动的影响。该方法在两套 AUV 系统的湖泊实验中均取得了良好的控制效果。
  • 黎毅锋, 刘智, 刘俊, 陈廷艳, 欧幸福
    控制工程. 2022, 29(12): 2250-2256.
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    研发的单丝双连杆应力槽线切割机床是新一代免穿丝型电火花线切割机床。 该机床采用一根电极丝同时对两根连杆的大头孔内表面双侧应力槽进行切割加工, 所以伺服控制方法的研究非常关键。在分析双连杆应力槽线切割加工过程的基础上,提出了分时模糊控制法,确保机床能够对两根连杆的应力槽同时加工, 提高生产效率。 实验表明,该机床能够在 20 s 内同时完成两根连杆的大头孔内表面双侧应力槽切割加工。与连杆应力槽双向同步电火花线切割机床相比,使用分时模糊控制法后该机床的加工时间更短, 槽宽与槽深的控制更精确,实现了预期目标。
  • 张会林, 毕珂珂, 杨海马, 孟威
    控制工程. 2022, 29(12): 2257-2264.
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    针对永磁同步电机(PMSM)运行过程中负载扰动影响其控制性能的问题, 提出了一种分数阶滑模控制器(FOSMC)和负载转矩分数阶滑模观测器(LT-FOSMO)相结合的抗负载扰动控制方法。 首先, 将分数阶微积分理论应用于负载转矩滑模观测器中, 设计出新型负载转矩分数阶滑模观测器,以更高的精度和更快的响应速度对负载转矩进行辨识, 增强系统的抗负载扰动能力。然后,转速环采用分数阶滑模控制器代替传统的整数阶滑模控制器, 提升整体系统的速度控制性能。最后, 仿真实验验证了该控制方法的有效性。
  • 石瑞琦, 牛弼陛, 徐子豪, 刘腾飞
    控制工程. 2022, 29(12): 2265-2276.
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    针对具有负载不确定性的四旋翼配平与控制问题, 提出了一种基于高增益观测器的配平与控制方法, 在质心位置无法测量的情况下将四旋翼的质心调节至几何中心处, 并保证配平过程中姿态控制误差的收敛性。首先, 将四旋翼的质心位置看作一个不可测的状态,建立具有负载不确定性的四旋翼数学模型; 然后, 设计高增益观测器对负载不确定性进行实时估计,提出了一种基于高增益观测器的配平控制器与姿态控制器; 最后, 采用李雅普诺夫方法证明了整个闭环系统的稳定性。仿真实验和物理实验的结果表明,该方法可以同时保证配平控制与姿态控制的收敛性,四旋翼配平后可提高飞行的安全性并降低能耗。
  • 张俊根
    控制工程. 2022, 29(12): 2277-2283.
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    针对纯方位区间量测下机动目标跟踪问题,提出了一种交互式多模型箱粒子滤波(IMMBPF)算法。 该算法通过交互式多模型算法估计每个箱粒子的状态,利用多传感器交叉定位构建用于非线性测角区间分析的包含函数。 在滤波更新阶段,引入二次压缩算法,使得更新的箱粒子具有更大的新息区间和存活概率,从而达到提高箱粒子多样性和目标状态估计性能的目的。利用等效浮点运算测度,从理论上推导分析了算法的复杂度。通过仿真实验对比了 IMMBPF、交互式多模型粒子滤波(IMMPF)和匀速运动模型箱粒子滤波(CV-BPF)三种算法的目标跟踪性能,仿真结果证明了所提算法的有效性。
  • 赵小强, 张妍
    控制工程. 2022, 29(12): 2284-2292.
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    由于一部分间歇过程变量与质量变量并不相关,传统的质量相关故障检测方法是基于所有的过程变量来建立统计模型, 所以会抑制或淹没某些有用的局部信息,降低过程监测的性能。 因此,针对间歇过程广泛存在的复杂程度高、关联性强和非线性特征, 提出了基于邻域保持嵌入极限学习机(NPE-ELM)的质量相关故障检测算法。 首先, 通过最大信息系数(MIC)将间歇过程变量划分为质量相关和无关变量; 然后,基于划分的质量相关和无关子空间, 分别应用 NPE-ELM 算法进行间歇过程故障检测; 最后, 数值例子和青霉素发酵过程的仿真结果, 验证了所提算法的可行性。
  • 王爱平, 粟莲, 杨海运, 王昕
    控制工程. 2022, 29(12): 2293-2299.
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    针对电力设备红外灰度图像的细节不清、边缘模糊等缺陷,提出一种基于非下采样剪切波变换(NSST)的电力设备红外图像处理方法。首先,利用 NSST 对原始的电力设备红外图像进行变换,将数据从空间域转换到频域。然后, 对高频系数使用鲸鱼自适应阈值去噪算法去噪,同时增强了高频系数中的细节和边缘部分;对低频系数采用改进的结合均值和方差的大津(MVOtsu)算法将低频分量分成前景部分和后景部分, 并分别采用伽马校正算法和直方图均衡化算法进行增强。最后, 通过 NSST 的逆变换得到增强后的图像。 所提算法与其他算法的对比结果表明, 所提算法能更好地突出电力设备红外图像的细节信息,增强了图片对比度,达到了更好的视觉效果。
  • 于军琪, 高之坤, 赵安军, 陈时羽, 赵泽华, 刘奇特
    控制工程. 2022, 29(12): 2300-2308.
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    针对现有中央空调并联冷机优化算法对分布式控制的适应性不足的问题,提出了一种适用于分布式控制系统的并联冷机负荷分配优化算法。该算法仅通过每个冷机与相邻冷机交互信息完成对并联冷机运行的优化控制。 将预处理机制与粒子群优化算法结合,在粒子初始化时对粒子间距离小的粒子进行适应度值比较,对适应度值小的个体进行惩罚并更新,以维持种群多样性;同时提出一种非线性惯性权重改进策略,加快收敛速度, 避免算法陷入局部最优。最后, 通过仿真实验测试算法的性能。实验结果表明,相对于对比算法,该算法能得到同等或更好的负荷分配控制策略,且收敛速度更快、鲁棒性更强,能够适用于分布式控制系统下并联冷机负荷优化分配。
  • 张燕, 卢宁
    控制工程. 2022, 29(12): 2309-2315.
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    针对下肢外骨骼运动中的人机共融问题, 提出了由导纳控制外环和位置控制内环组成的双环控制策略。外环采用导纳控制策略,并设计了基于 Sigmoid 函数的变导纳模型,将人体主动力矩转化为关节角度以修正期望轨迹,使人的意图得到表达。内环采用基于径向基函数(RBF)神经网络的位置控制器,利用 RBF 神经网络能逼近任意非线性函数的特性,消除建模所带来的误差和干扰; 采用改进的莱文贝格-马夸特(L-M)算法,提高 RBF神经网络的紧凑性和收敛性, 并设置合理的参数初始值,提高收敛速度。搭建 MATLAB仿真平台,仿真结果表明,所设计的控制策略使下肢外骨骼的人机交互效果良好,对人体有良好的助行效果。
  • 张海峰, 简燕红, 王宏刚, 崔琪
    控制工程. 2022, 29(12): 2316-2321.
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    针对一类非线性多智能体系统的编队控制问题,设计了基于优化强化学习的最优控制策略。首先,通过设计分布式多智能体性能指标函数获得了多智能体的分布式哈密顿-雅可比-贝尔曼(HJB)方程。利用优化强化学习的方法来求解 HJB 方程,从而获得最优控制策略,其中评价网络和执行网络分别用于逼近系统的性能指标函数和最优控制策略。与传统强化学习方法相比,所提方法避免了通过基于 HJB 方程估计误差平方的梯度下降法来获得神经网络的权重更新律的过程,从而简化了控制器设计。然后,通过李雅普诺夫理论证明了闭环控制系统的稳定性。最后,通过仿真实验验证了所提控制方法的有效性。
  • 白龙, 蒋涵元, 宋万军
    控制工程. 2022, 29(12): 2322-2328.
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    提出了一种新的鲁棒自适应分段隐逆补偿状态反馈控制方案,以缓解智能材料驱动器中的双环回滞现象。其中, 分段隐逆补偿方案不是真正意义上的回滞逆补偿器,而是一种在线解耦机制,从设计的临时控制信号寻找近似实际的控制信号。此外,提出了一种新的双环 relay 算子,从而建立了一种新的双环回滞模型。最后,在介电弹性体驱动器运动控制平台上进行实验,实验结果证明了所提出的输出-反馈控制方案的有效性。
  • 李会军, 毛影, 叶宾
    控制工程. 2022, 29(12): 2329-2335.
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    为了提高餐厅、商场、医院等半结构化室内环境中移动机器人定位的实时性与准确度,提出了一种基于神经网络融合编码器、激光雷达的定位方法。利用采集到的编码器数据通过航迹推算得到机器人的里程计数据,然后通过卡尔曼预测和拉格朗日插值的方式对里程计数据、激光雷达的数据进行数据增强,将增强后的数据作为一个三层神经网络的输入特征。最后, 在 Turtlebot 机器人实验平台上进行实验。 实验结果表明,所提定位方法提高了定位精度,具有良好的实时性,并且能有效应对环境干扰。
  • 陈行军, 张晓盼, 山梦杰
    控制工程. 2022, 29(12): 2336-2342.
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    在不断收集累积海战场信息的过程中,由于缺乏统一的战场事件模型支持,所得到的部分信息只以文字形式表达,无法快速直观地把握战场信息,也无法研究事件内部及事件之间的关系。 针对上述问题, 研究了海战场时空事件的与或图(AOG)模型,基于反向传播过程建立了事件整体亲和度计算规则,并利用仿射传播(AP)聚类算法实现了非对称亲和度下的事件聚类。研究结果表明, AOG 模型可直观地表示海战场时空事件,清晰地把握事件涉及的实体、时空以及事件内部各要素之间的关系。在 AOG 模型的基础上, 使用AP 聚类算法能够根据事件之间的亲和度对事件进行有效聚类。
  • 那勇, 王明华
    控制工程. 2022, 29(12): 2343-2348.
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    为解决雾计算网络中不同延迟期限的任务卸载问题,合理分配计算资源,提出一种考虑截止资源公平调度的雾计算任务感知卸载算法。首先,提出考虑计算资源公平的调度策略,确保在各自截止时间内完成的任务数量实现最大化,同时使网络具有很强的稳定性;然后,利用李雅普诺夫漂移加惩罚函数对任务队列长度进行调度,并设计调度策略决定要卸载到欠负载雾节点的任务数量,以充分利用网络中所有雾节点提供的计算资源;最后,仿真实验结果表明,该雾计算任务调度策略要优于选取的对比任务调度策略。
  • 葛俏, 梁桥康, 邹坤霖, 孙炜, 李珊红, 王耀南
    控制工程. 2022, 29(12): 2349-2356.
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    针对食品饮料等复杂包装上喷码质量检测的准确率不高与速度慢等问题,提出了一种基于 Ghost-YOLO 轻量化网络与嵌入式平台的喷码质量检测方法。网络以 YOLOv5为基础, 采用了幻影模块(GM)对卷积层进行降维,模型参数减少 25%。多分类目标检测任务的后处理采用位置重复抑制(PDS)方法,通过对所有类别同时采用非极大值抑制(NMS), 进一步提高检测精度。最后, 利用所提出的改进自训练方法对模型进行训练,并将所提检测方法部署于嵌入式设备中,实现了对喷码质量的实时检测。实验结果表明,所提检测方法在满足实时性的要求下,对喷码字符检测的精确度和召回率分别达到了 100%99.99%
  • 谢劲, 胡光元, 闫明, 李丹阳
    控制工程. 2022, 29(12): 2357-2364.
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    为寻求最优泊车路径,提高路径规划质量,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法和人工鱼群算法(AFSA)相结合的混合式泊车路径规划模型。该模型利用改进后的惯性权重和学习因子对 PSO 算法进行优化,并将改进后的 PSO 算法与 AFSA 相结合,综合利用PSO 算法的局部收敛性和 AFSA 的全局收敛性,提高混合算法的收敛速度和收敛精度,使得路径规划最优。最后,仿真实验结果表明,相较于单独使用 AFSA,混合算法的收敛性更强,规划的泊车路径更优,且道路越复杂,混合算法的优势越明显。
  • 董理, 杨东, 鹿建森
    控制工程. 2022, 29(12): 2365-2374.
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    轨迹规划是工业机器人运动控制的基础,对工业机器人的工作效率和稳定性有重大影响。为掌握工业机器人轨迹规划方法的研究现状,根据工业机器人规划空间和优化目标的不同对轨迹规划方法进行分类,介绍了直线、圆弧等基本轨迹的优缺点和适用场合,分析了基于约束和智能算法的各种最优轨迹规划算法的思路和性能特点。指出了基于强化学习的轨迹规划、 轨迹误差预测和补偿、动态避障、多机器人运动规划等是工业机器人轨迹规划的关键问题和重要研究方向。
  • 傅迎华, 陆鑫, 赵奇, 陆庆
    控制工程. 2022, 29(12): 2375-2382.
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    中央凹定位是计算机辅助眼底疾病诊断的关键步骤。为提高中央凹定位的准确性,提出双向扫描定位方法。在检测出血管和视盘的基础上, 以视盘中心为起点的纵向扫描线从上向下扫描,根据扫描线穿过血管像素最少估计中央凹的纵坐标;根据所估计的纵坐标确定一条带状区域,并作通过垂直于带状区域的从左向右扫描的横向扫描线确定横坐标。该方法利用中央凹低亮度、 无血管的区域特征来降低计算复杂度,并通过增强对比度来避免不均匀光照产生的干扰。在 MESSIDOR 数据集和 KAGGLE 数据集上的实验结果表明,该方法具有较好的定位效果,平均高斯相似度分别为 0.980 0.997
  • 张威
    控制工程. 2022, 29(12): 2383-2387.
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    一流师资队伍是一流学科建设的重要着眼点和有利支撑,也是自动化学科建设的关键所在。分析了一流学科建设背景下自动化学科师资队伍建设的难点,提出了一流学科建设背景下自动化学科师资队伍建设的思路。 最后, 以东北大学信息科学与工程学院为例,阐述了一流学科建设背景下自动化学科师资队伍建设的实践。
  • 万玉良, 徐国强, 王松, 李原, 赵雪楠, 尚国政
    控制工程. 2022, 29(12): 2388-2394.
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    针对孤岛微网二次调频控制需求,提出了一种基于一致性协议的多代理控制方法。该方法不但能够通过稀疏通信和分布式控制实现频率同步、频率无差和功率共享目标,而且当分布式电源(DG)的输出功率达到临界值时,通过在控制器前增加逻辑判断环节,有效解决了 DG 的功率约束问题和饱和器控制所引发的控制目标冲突问题,在临界约束状态下也能实现一致性频率控制。通过李雅普诺夫直接法对该控制方法在系统中的稳定性进行了详细分析,结果表明控制系统是渐进稳定的。最后,在 DIgSILENT/PowerFactory 平台上,通过 5 节点孤岛微网模型,验证了所提控制策略的有效性。
  • 徐文娟, 王琨, 李赞华, 井元伟
    控制工程. 2022, 29(12): 2395-2400.
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    研究了双路由 TCP/AQM 网络系统的拥塞控制问题。基于单路由 TCP/AQM 网络系统窗口模型,构建了遵循“优先选择,随机转移”数据包传输规则的双路由 TCP/AQM网络系统模型。经过一类状态变换,得到了具有下三角形式的非线性系统状态空间模型。采用逆推设计方法,提出了针对双路由网络系统的主动队列管理拥塞控制算法。设计了使TCP/AQM 网络系统渐近稳定的状态反馈控制器。仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。