控制工程

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赵昌北, 纪文呈宇, 姜玉莲, 王申全

控制工程. 2022, 29(6): 964-970.

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针对拒绝服务(DoS)攻击下的时变多自主体系统，在有限域内研究事件触发安全一致性问题。在信息传输过程中，拒绝服务攻击同时存在于测量和控制通道中。将拒绝服务攻击看作是驻留时间切换机制，增广系统转化为包含一个稳定子系统和一个不稳定子系统的离散驻留时间切换系统。为提高通信资源利用率，采用状态依赖阈值的事件触发机制来更新控制输入信号。基于多 Lyapunov 函数方法，以线性矩阵不等式形式给出系统一致指数稳定且具有期望 H∞ 性能的两个充分条件以及可行的控制器增益。仿真实例验证了发生拒绝服务攻击时，多自主体系统仍然可以实现安全一致性。

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DoS 攻击下信息物理系统的分布式协同控制

游秀, 许俊茹, 贾新春

控制工程. 2022, 29(6): 971-976.

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针对具有复杂非线性动态的信息物理系统(CPS)在拒绝服务(DoS)攻击下的跟踪协同控制问题，提出了一种分布式间歇控制方法。首先，将 CPS 建模为一类二阶非线性多智能体系统，通过在控制器中引入间歇机制来设计分布式控制器。其次，使用驻留时间分析方法对 DoS 攻击的持续时间和频率进行了详细分析，以保证 DoS 攻击下系统可以实现跟踪协同。此外，通过构造合适的李雅普诺夫函数和利用数学归纳法，分析所得误差系统的稳定性，最终得到跟踪协同的充分条件。值得注意的是，该结果为控制增益的设计提供了更高的灵活性。最后，通过仿真验证了所提理论结果的有效性和可靠性。

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基于观测器的多智能体系统安全一致性控制

冯健, 王健安

控制工程. 2022, 29(6): 977-987.

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针对混合攻击下多智能体系统基于观测器的事件触发一致性问题，设计观测器以估计智能体不可测的状态，引入事件触发机制以减少智能体的通信频次与控制器的更新频次。首先，考虑拒绝服务(DoS)攻击和重放攻击同时存在的情况，建立数学模型，并设计基于观测器的事件触发一致性控制协议。其次，针对不同的攻击情况，建立误差切换系统模型，并且采用分段 Lyapunov 函数方法得出误差系统均方指数稳定的充分条件。然后，通过求解一系列线性矩阵不等式，给出一致性控制器、观测器与事件触发参数的设计方法。最后，通过仿真实例证明了所提方法的可行性。

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FDI 攻击下自触发预测控制安全策略研究

贺宁, 马凯, 傅山, 曾慧洁, 沈超, 李若夏

控制工程. 2022, 29(6): 988-995.

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针对信息物理融合系统自触发模型预测控制在虚假数据注入(FDI)攻击下的安全控制问题，提出一种基于控制信息重构的安全控制策略。首先，在控制器端对连续控制信号进行离散采样，并对少数关键数据进行重点加密；其次，在网络端传输离散化后的控制信号样本，并在被控系统处基于预设模式对控制信号进行重构；然后，推导了在系统遭受虚假数据注入攻击之时，重点加密数据的选取条件，并在理论上严格证明了基于重点加密数据重构获得的控制信号能够保证控制系统的可行性与稳定性；最后，基于机器人系统进行了仿真实验，验证了算法的有效性。

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协作性远程状态估计中的隐私保护研究

于小平, 杨超

控制工程. 2022, 29(6): 996-1003.

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网络化控制系统中的隐私保护问题是实际应用中的重要问题。考虑一个包含用户方和服务方的远程估计系统，其中用户方向服务方发送系统状态观测值，由服务方为其计算估计值。用户方在合作中存在隐私保护的需求，希望服务方产生具有偏移量的估计值。针对此需求，首先，提出用户方本地注入噪声的隐私保护机制；其次，选取原始信息和采取保护机制后信息之间的偏移量的方差作为隐私衡量指标；在此基础上，进一步分析得到了隐私衡量指标和估计质量的迭代计算公式以及两者之间的关系；最后，建立了隐私保护水平和估计效用之间的权衡问题，并利用凸优化方法解决了所提出的问题。

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重放攻击下不确定 CPS 的安全滤波

韩松, 李晓孟, 陈广登, 孟伟

控制工程. 2022, 29(6): 1004-1010.

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主要研究重放攻击情形下离散不确定信息物理系统(CPS)的安全滤波问题。首先，为应对受限的通信资源，采用事件触发机制提高网络资源的有效利用率；其次，引入伯努利随机变量描述随机发生在传感器到滤波器之间的重放攻击，并构建攻击补偿项降低攻击对滤波性能的影响；接着，考虑不确定性、随机扰动以及重放攻击对系统的影响，给出滤波器安全性能指标；然后，借助线性矩阵不等式技术和随机分析方法，推导出滤波误差系统满足所提安全性能的两个充分条件；最后，通过一个数值例子验证滤波器设计方法的有效性。

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基于博弈论的多攻击者假数据注入攻击分析

刘皓, 仇少菲, 张磊

控制工程. 2022, 29(6): 1011-1017.

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为了研究多攻击者情况下的信息物理系统网络安全问题，假设攻击者可以向数据传输通道注入假数据而不被检测到。考虑两种不同的攻击情形：第一，所有攻击者同时发起成功攻击的概率为 1；第二，每个攻击者都以一定的概率注入假数据。假设不同的攻击者可以攻击不同的传输通道，采用 Stackelberg 博弈框架来描述攻防双方的决策过程，并考虑了双方的成本限制。设计了博弈双方的最优策略，该策略构成了博弈的 Stackelberg 均衡点。最后，通过数值算例验证了所设计攻防双方最优策略的有效性。

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网络攻击下多智能体系统数据驱动安全控制

曲燊, 马永胜, 车伟伟

控制工程. 2022, 29(6): 1018-1026.

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研究了受到虚假数据注入攻击的单输入单输出非线性多智能体系统的分布式无模型自适应控制问题。考虑多智能体受到虚假数据注入攻击的影响，基于单智能体的紧格式动态线性化技术，提出了一种新的分布式无模型自适应控制算法。所设计的控制器不需要网络拓扑结构的信息，仅使用系统的输入输出数据，使该算法更适用于实际系统。此外，为了减少网络通信资源的占用，设计了事件触发机制，进而设计了一种基于事件触发的分布式无模型自适应安全控制算法来实现趋同控制目标。最后，使用仿真算例并通过比较来验证所提方法的有效性。

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基于高斯混合模型的攻击检测和状态估计

王子乐, 朱翠, 臧泽源, 李宇轩, 郑换铭

控制工程. 2022, 29(6): 1027-1032.

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考虑在静态攻击下的多传感器线性时不变系统的攻击检测和状态估计问题，提出了一种基于高斯混合模型的攻击检测算法，并在此基础上，提出了一种新的状态估计融合方法。首先，对局部状态估计值进行高斯混合模型建模，采用期望最大化算法对局部估计进行聚类；然后，根据聚类结果设计检测算法，实现攻击检测；最后，基于检测结果进行数据融合，实现远程状态估计。仿真结果表明，所提方法在保证估计精度的同时，能够准确定位受损的传感器，有效提高检测准确度和效率。

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基于 CBMeMBer 滤波器的多攻击检测方法

杨超群, 张恒

控制工程. 2022, 29(6): 1033-1039.

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对具有大量节点的信息物理系统(CPS)而言，多攻击的同时在线检测是一个颇具挑战性的问题。一方面，多个不同攻击者可采用不同的攻击策略与发动不同类型的攻击以规避检测；另一方面， CPS 不仅需检测攻击的数目，还需同时检测出被每个攻击者攻击的节点。为此，提出了一种基于随机有限集的多攻击检测方法。通过采用多伯努利随机集对攻击行为和 CPS 检测机制进行建模，并使用势均衡多目标多伯努利滤波器对模型滤波，所提方法可实现对 CPS 中多攻击的同时在线检测。

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混合攻击下多智能体系统的一致性控制

李丽, 张艺, 强嘉萍

控制工程. 2022, 29(6): 1040-1048.

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在云计算系统框架下，研究了混合攻击下带有未知但有界的过程和量测噪声的多智能体系统的一致性控制问题。首先，基于集员估计理论，设计了集员估计器和攻击检测器来判断当前估计的状态是否可用。其次，根据攻击检测器的检测结果与邻居智能体的信息，构造了一步预测控制器。然后，利用线性矩阵不等式和数学归纳法，求解了保证多智能体系统达到准一致性的充分条件。最后，通过仿真实验测试了所提算法的性能。仿真结果表明，在混合攻击下，设计的算法能有效地保证多智能体系统的一致性。

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基于入侵检测的信息物理系统攻击识别综述

李沁雪, 刘永桂, 黎善斌, 谢徐欢, 任红卫

控制工程. 2022, 29(6): 1049-1057.

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信息物理系统(CPSs)的入侵检测与识别是工业、民生各系统深度网络化、信息化、智能化背景下衍生出的信息安全共性问题。在广泛调研大量国内外文献的基础上，针对CPSs 的网络攻击，提出攻击识别的必要性，并综述了基于入侵检测的 CPSs 攻击识别的研究现状。首先，针对单一网络攻击，阐述并总结了基于入侵检测的攻击类型识别技术的研究意义和研究现状；其次，针对复杂隐身攻击，阐述并总结了复杂协同网络攻击下的攻击路径识别的研究现状；再次，针对数据注入式攻击，探讨并总结了集检测、位置识别和数据恢复于一体的攻击识别的优势和研究现状；最后，总结并探讨了基于入侵检测的 CPSs攻击识别的现存若干问题，并对未来可能的研究发展趋势进行了展望。

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基于 GMM 与 NSET 优化算法的设备参数预警研究

袁雪峰, 马成龙, 陈世和

控制工程. 2022, 29(6): 1058-1064.

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针对工业流程存在难以监测非重要数据和设备劣化状态的问题，提出了一种基于高斯混合模型(GMM)和非线性状态估计(NSET)优化算法的设备参数预警方法，用于在设备运行过程提前发现设备的故障趋势。首先，根据设备特点对历史运行数据进行预处理；然后，利用高斯混合模型聚类获得聚类中心；最后，利用非线性状态估计建模，将聚类中心与抽样样本共同作为记忆矩阵，对实时运行数据进行预测和偏差分析，对偏差超过经验阈值的传感器报警。以某 1 000 MW 火电机组引风机为例，选取历史典型运行状态数据进行分析，分析结果表明，该方法能有效实现传感器参数预警。

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燃气输配信息物理融合系统的拆分策略研究

李冀, 胡海鹏, 吴晓君

控制工程. 2022, 29(6): 1065-1071.

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近年来，随着燃气网络规模扩大及自动化和信息化程度的提高，燃气系统安全管理的复杂性也随之增加。由于系统的复杂程度和运行成本较大，当某节点受到来自内部或外部的威胁引起故障时，很难在短时间内实现燃气系统的检修，从而造成更大规模的系统瘫痪。针对这个问题，首先提出了基于有序二元决策图(OBDD)的系统拆分方法，给出了燃气系统模型的建模和描述方法，并基于流量平衡约束建立燃气测量参数之间的关联模型。基于 OBDD 的系统拆分方法在传感器采集到故障信息的基础上，将可能受到波及的区域与故障区域进行分离。最后，利用并行计算工具进行实例仿真证实了该方法的有效性，节约了计算时间。

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动态 KPCA-TS 在风电齿轮箱安全运行中的应用研究

刘爱民, 杨彦军, 王殿学, 沈照亮

控制工程. 2022, 29(6): 1072-1081.

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针对风电齿轮箱温度异常监测问题，提出一种基于动态核主元成分分析(KPCA)、T2 和平方预测误差(SPE)统计量的风电齿轮箱过程监测方法，实现对风电齿轮箱的在线监测及温度预警。首先，以风电机组群中相同多维特征点之间的相似性原则构造相关系数矩阵，选取合理的风电机组为参考，并获得正常工况下的自适应统计量控制限。其次，引入滑动窗口方法动态调整 KPCA 模型的训练集和测试集，能够及时感知系统的时变特性。最后，通过风电场 SCADA 数据验证表明，此方法比传统 KPCA 监测模型能更好地实现齿轮箱状态在线监测及预警，为风电机组的安全运行提供了帮助。

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基于 span 指针网络的危险化学品安全知识抽取

许蒙蒙, 毛帅, 唐漾, 王冰

控制工程. 2022, 29(6): 1082-1089.

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危险化学品安全知识存在数据长、实体跨度大、语义复杂度高且部分实体间存在嵌套等特点，这些特点增大了危险化学品安全知识的抽取难度。为了有效地解决危险化学品安全知识的抽取问题，并针对关系抽取任务中流水线方法存在的误差累积和实体冗余问题，提出了一种基于 span 指针网络的关系联合抽取方法，旨在抽取危险化学品安全知识中的三元组信息。此外，为了提升模型的抽取性能和泛化能力，在 span 指针网络的模型基础上，添加了对抗训练和 Lookahead 优化器。最终的实验结果证明，此方法在解决危险化学品安全知识的抽取问题上具有优越的性能。

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拒绝服务攻击下智能交通系统安全控制

程浩, 杨洪玖, 李鹏, 赵海

控制工程. 2022, 29(6): 1090-1097.

摘要 ( )

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针对智能交通系统遭受拒绝服务攻击的情况，将该系统当作多因系统进行处理并设计一种预测云控制方案。鉴于智能交通系统中存在规模庞大的问题，在云控制框架下对该多因系统进行整体控制设计。引入信噪比作为通信性能指标，在对网络层进行建模时考虑拒绝服务攻击产生的丢包率。针对在网络层遭到拒绝服务攻击时会出现通信质量下降的问题，采用预测云控制方案，并证明智能交通系统闭环稳定性。最后，通过仿真验证了所提算法的有效性。

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基于 LC 振荡电路的串联型 VRB 均衡控制策略

李鑫, 莫言青, 邱亚

控制工程. 2022, 29(6): 1098-1103.

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针对串联型全钒液流电池组(S-VRBs)在运行过程中会导致电池有效使用容量降低、循环寿命缩短等问题，提出一种基于 LC 振荡电路的均衡控制策略。该策略利用电容电感储能使能量由高 SOC 单体电池向低 SOC 单体电池转移，研究不同 LC 电路参数和开关频率对均衡性能的影响，选择合适参数，并与传统电容型电路比较。将基于 LC 振荡电路的电池组模型在静置工况、充电工况以及放电工况下进行仿真分析。在 MATLAB/ Simulink 上进行仿真对比验证，结果表明，该均衡控制策略均衡速度快，能量转移效率高，在充放电过程中能使不同性能的 VRB 单体 SOC 趋于一致， S-VRBs 电压保持在某一分散度之下，能够有效地提高电池利用率及系统效率。

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基于自适应 RBF 观测器的列车输出反馈控制

刘杨, 谭志勇, 初宪武, 王新屏, 王运明, 乌干其其格

控制工程. 2022, 29(6): 1104-1110.

摘要 ( )

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针对速度不可测的高速列车轨迹跟踪控制问题，采用神经网络观测器设计无需建模的列车位移输出反馈控制器。首先，考虑列车运行过程中环境干扰、列车模型不确定以及列车模型非线性问题，采用动态自适应递归神经网络，估计列车模型不确定项；然后，设计列车速度观测器解决列车速度不可测问题，针对外界干扰和模型估计误差设计鲁棒项以减小速度估计误差；最后，采用滑模方法设计列车轨迹跟踪控制律。 Lyapunov 稳定性分析和计算机仿真验证了算法的稳定性和有效性。研究结果表明，在没有速度传感器，且存在外界环境干扰情况下，设计的神经网络估计误差、观测误差以及位移和速度的跟踪误差一致最终有界，位移跟踪误差在 0.5 m 以内，速度跟踪误差在 0.3 m/s 以内。

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船载光电成像设备视轴自稳定控制

陈坤, 范勇, 董春玉, 黄唯君, 徐群

控制工程. 2022, 29(6): 1111-1118.

摘要 ( )

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为了提高船载光电成像设备视轴稳定系统的稳定精度，设计了双速度环控制策略，由光电编码器的角位置信号差分得到框架角速度反馈构成内速度环，外速度环采用光纤速率陀螺感应视轴在惯性空间的转速，经过坐标转换并结合各框架反馈角速度得到框架指令角速度以抑制内部干扰和隔离载体干扰，从而保证视轴的稳定。依据伺服刚度和隔离度两个重要指标，通过理论分析、仿真验证和实验验证，对比双速度环与单速度环控制策略的表现。结果表明双速度环控制策略对因摩擦、偏心等引起的框架内部干扰具有更高的抑制能力，对载体姿态干扰具有更好的隔离能力。

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基于几何规则和前向模拟的机器人自主探索 #br#

胡家豪, 庞鲁超, 李晟浩, 刘爽

控制工程. 2022, 29(6): 1119-1128.

摘要 ( )

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在未知环境下进行自主探索和地图创建问题，现有自主探索方法主要集中于基于边界扫描的自主探索，其计算量大、效率低下、在复杂环境中耗时长。针对此问题，提出一种基于探索区域几何规则的前向模拟(G-FS)方法。该方法利用探索区域的几何规则、序贯蒙特卡洛规划选取最终目标点。该方法有效增加了机器人单次探索的移动距离，并解决了前向模拟方法的局部问题，提高了自主探索的效率。通过 G-FS 与前向模拟、边界扫描方法的对比实验证明，在相同环境下，所提出的 G-FS 算法计算量大幅降低，制图所耗时间明显减少，效率提高。

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基于动态趋近律的移动机器人滑模控制

赵安, 范红

控制工程. 2022, 29(6): 1129-1135.

摘要 ( )

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为了提高差分驱动机器人的轨迹跟踪速度，提出了一种有限时间收敛的新型动态参数双幂次趋近律。首先，建立移动机器人的运动学模型，根据运动学模型的欠驱动特性，设计双闭环控制方案；然后，引入新型双幂次趋近律和设计外环连续滑模控制方法，保证系统状态在远离滑模面和滑模面附近都有很好的收敛速度的同时，解决了内环控制器中目标函数可导问题，实现了移动机器人的轨迹跟踪控制，并验证了控制器的稳定性；最后，通过仿真与改进的 Backstepping 滑模和趋近律进行对比，结果表明在相同的初始条件下，新幂次趋近律在轨迹跟踪问题上收敛速度更快，具有更好的应用价值。

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基于结构重构的 PMSM 速度环 PI 控制器极点配置

许文波, 李彧, 姜迪开, 丁怀龙, 潘龙

控制工程. 2022, 29(6): 1136-1144.

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对永磁同步电机(PMSM)速度环中非理想因素和滤波环节进行合理简化，构成电流环全状态反馈，推导了电流环零极点抵消的条件及 PI 控制参数设计方法。在电流环零极点抵消的前提下，提出了一种电流环 PI 控制的结构重构方法，构成速度环的全状态反馈闭环控制，进一步对速度环的零极点分布与 PI 控制参数之间的关系进行分析，推导了零极点抵消的条件。再根据期望的系统响应及超调，确定期望极点，并对速度环 PI 参数进行解析。计算过程简单易实现，通过仿真分析和实验验证了该方法的正确性，具有较强的工程应用参考价值。

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基于滞环控制的有源电力滤波器故障诊断

祝明秀, 钟宁帆, 翟艳强

控制工程. 2022, 29(6): 1145-1152.

摘要 ( )

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应用有源电力滤波器(APF)能够有效消除电网中的电流谐波，提高电能质量，有助于电力系统安全运行。 APF 中开关元件的开路故障诊断是保证 APF 安全运行的关键技术。对于基于滞环控制的三相四线制二电平并联 APF，通过测量计算得到 APF 电路输出交流电压特征量。根据电压特征量与滞环控制器输出控制信号，构造故障诊断变量并设计了开关元件开路故障实时诊断算法。基于 APF 电路模型，证明了所提出的故障诊断方法的正确性。系统仿真结果表明该算法能够准确诊断基于滞环控制的 APF 中可能发生的单一或多重开关元件的开路故障。

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2022年, 第29卷, 第6期　
刊出日期：2022-06-20

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