控制工程

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钟铮语, 徐明, 彭辉, 肖军浩, 卢惠民

控制工程. 2022, 29(9): 1537-1545.

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设计了一种在壁面上运动的全向移动机器人。该机器人采用三轮全向运动方式与负压气室附着方式相结合的机械结构，既可以在壁面上灵活地完成平面内三自由度的连续运动，又具有较好的附着鲁棒性。针对机器人系统在壁面上运动时受到重力而导致的与在地面上运动特性之间的差异，推导了机器人各轮压地力关于壁面上朝向角的表达式，并由滑移临界状态推导得到机器人在任意朝向下各方向的最大加速度，最后通过仿真实验验证了各轮压地力模型与滑移临界状态模型的正确性。该研究能够为全向移动爬壁机器人的机械结构设计提供指导，为其路径规划与运动控制提供加速度约束。

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改进蚁群算法求解绿色周期性车辆路径问题

王颂博, 胡蓉, 钱斌, 刘梦园

控制工程. 2022, 29(9): 1546-1556.

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针对带时间窗的绿色周期性车辆路径问题(GPVRPTW)，同时以最小化运输时间和总能耗为优化目标，提出一种改进蚁群算法(IACO)进行求解。首先， IACO 采用三维概率矩阵记录不同配送日期的车辆路径子问题的优质解信息，并设计基于信息熵的信息素更新机制进行合理地学习和积累，从而增强算法全局搜索的引导性；其次，引入基于 5 种邻域操作的变邻域搜索以提高算法的局部搜索能力；最后，在不同规模问题上进行仿真实验与算法对比，结果验证了 IACO 的有效性。

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四旋翼飞行器有限时间命令滤波反步控制

杨伟, 崔国增, 李泽, 陶重犇

控制工程. 2022, 29(9): 1557-1565.

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针对具有参数不确定性和外部干扰的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题，提出了一种基于命令滤波的有限时间自适应控制策略。通过引入有限时间命令滤波器，实现了对虚拟控制信号导数的快速逼近，进而有效地避免了传统反步设计法中存在的维数爆炸问题。设计新的分数阶误差补偿机制，快速移除了滤波误差影响，进一步提高了系统的控制性能。利用有限时间稳定性理论，严格证明了闭环系统中所有信号在有限时间内有界，且位置及姿态跟踪误差在有限时间内收敛到原点附近的邻域内。最后，仿真比较算例验证了所提控制方案的有效性。

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MMC 型换流器电容电压波动抑制方法研究

付华, 韩永新, 王久阳

控制工程. 2022, 29(9): 1566-1572.

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为了解决模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动导致的换流器成本与体积增加等问题，提出了一种电容电压二倍频纹波抑制方法。首先从能量脉动角度推导了电容电压波动的数学模型，比较了不同二倍频环流对 MMC 电容电压波动抑制效果的影响；然后采用 Clark 变换将桥臂共模电压分解为αβ 轴分量，利用准比例谐振控制器生成桥臂环流参考值，设计内环控制器对外环控制器生成的桥臂环流参考值进行跟踪，从而抑制子模块电容电压波动；最后在 MATLAB/Simulink 仿真系统上对所提控制策略进行仿真验证，通过对比传统环流抑制策略与所提控制策略对电容电压波动的抑制效果，证明了所提方法可有效抑制电容电压波动，改善输出电压的波形质量。

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基于多尺度融合的图像超分辨率重建

王孝天, 卢紫微, 张燕

控制工程. 2022, 29(9): 1573-1579.

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针对卷积神经网络在图像超分辨率重建任务上忽视提取多尺度特征的问题，提出了一种多尺度融合网络结构。该模型从不同空间尺寸的特征图中提取高频和低频特征，并引入注意力机制，能够自适应地调整不同通道和空间区域的权重。同时，利用不同尺寸的卷积核捕捉多尺度特征，以更好地恢复图像高频细节。在多个基准数据集上进行实验，结果表明，该模型在峰值信噪比、结构相似性和视觉效果上均优于其他几种先进的图像超分辨率重建模型。

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基于容许边界依赖 ADT 方法的 DC/DC 变换器控制

黄孝发, 王武, 谢宇航, 苏先进

控制工程. 2022, 29(9): 1580-1586.

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电力电子电路具有连续时间变量与离散事件互相混杂、互相作用的特点，是一类典型的混杂系统。基于混杂系统理论，利用多李雅普诺夫函数稳定性方法结合容许边界依赖平均驻留时间约束条件，设计了一种可使 DC/DC 变换器达到期望输出的切换规则，其稳定性控制条件通过解线性矩阵不等式(LMI)得到。在此基础上，加入了比例积分控制器保证 DC/DC 变换器在负载扰动下的稳定性。此控制方法能保证系统稳定，同时可有效抑制系统的抖振并降低开关频率。最后，通过仿真得出了 Buck、 Boost、 Buck/Boost 电路的仿真曲线，并搭建 Buck 电路实验样机进行了验证，结果证明了所提方法的有效性。

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电力现货市场中多虚拟电厂交易策略

伊书鑫, 胡健, 路尧, 马景岳

控制工程. 2022, 29(9): 1587-1592.

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随着电力现货市场建设的不断推进，可再生能源(RE)在电力现货市场中的交易策略备受关注。由于市场电价的不确定性以及可再生能源产量的波动性， RE 很难单独参与电力市场竞标。针对这个问题，将风能、光伏、储能装置以及燃气轮机聚合起来形成虚拟电厂(VPP)，是稳定输出偏差、促进可再生能源消耗的有效途径。建立了 3 种不同场景下的多虚拟电厂博弈模型对多虚拟电厂参与电力现货市场的策略进行研究，并分别分析了日前(DA)以及实时(RT)市场中鲁棒优化系数对虚拟电厂利润的影响，最终证明考虑需求响应及博弈的多虚拟电厂模型能够有效提升虚拟电厂在电力现货市场中的收益。

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PEMFC 空气供给系统的智能建模与自适应控制

常新宇, 富雪, 任朝晖, 王永富

控制工程. 2022, 29(9): 1593-1599.

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为了提高质子交换膜燃料(PEMFC)电池的输出净功率，提出了一种基于模糊逻辑系统的智能建模与控制方法。首先，建立 PEMFC 严格反馈形式的数学模型，并采用自适应模糊逻辑系统对 PEMFC 中的非线性项进行智能建模；然后，考虑系统控制增益未知对空气供给系统控制性能的影响，结合反步法技术为 PEMFC 系统设计了自适应控制器，并通过引入一阶滤波器来降低控制器的计算复杂度。通过 Lyapunov 稳定性理论分析验证了所设计的控制器可使得空气供给系统过氧比的跟踪误差在限定时间内收敛至原点的邻域；最后，仿真和硬件在环实验的结果证明了所建模型与控制方法的有效性。

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一种云模型相似性度量方法

黄琼桃, 刘瑞敏

控制工程. 2022, 29(9): 1600-1604.

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针对现有方法存在的区分度不高、运行时间代价过高等问题，提出一种云模型相似性度量方法。首先采用云模型的扩展模型三角云模型作为研究对象，将三角云模型看作对称三角模糊数，根据 EW-型距离公式引入指数贴近度概念，并用其表征云模型的距离相似度；然后通过云模型云滴的方差，计算出云模型的形状相似度；最后将云模型的距离与形状相似度综合起来，共同衡量两云模型的相似度。从仿真实验可以看出，该方法有较高的区分度；对 Synthetic control chart data 数据集进行的分类实验表明，该方法具有较好的分类精度及较小的运行时间代价。

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滑模变结构控制趋近运动边界特性研究

郑里鹫, 田钧, 龙飞

控制工程. 2022, 29(9): 1605-1612.

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为对滑模变结构控制趋近运动阶段状态变量的范数边界特性进行分析，以一类非线性模型作为研究对象，采用 2 种典型趋近律设计滑模控制调节器，基于广义 GronwallBellman 引理对趋近运动阶段状态变量范数的边界特性进行分析，给出状态变量范数的约束关系式，该范数的边界可利用趋近律参数的选取进行调节，使得滑模到达时状态变量在滑模态稳定域内，滑模运动指数稳定。利用 MATLAB/Simulink 对所得调节器进行仿真。仿真结果表明，在趋近运动阶段，对于满足给定初始条件的状态变量，其范数严格单调递减，满足分析得到的约束关系，在趋近运动结束进入滑模运动阶段后，系统能指数稳定在平衡状态。

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基于模糊算法的回流焊温度系统仿真设计

戚英杰, 李雪林, 孙玉坤

控制工程. 2022, 29(9): 1613-1618.

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温度精确控制是 SMT 回流焊炉最重要的控制单元之一。针对回流焊炉温度控制系统的非线性、大迟滞和易受干扰等特点，提出了一种基于模糊免疫自整定的 PID 算法。通过采用模糊免疫算法自动调节比例系数、积分系数和微分系数，实现温度的快速和稳态控制。最后，利用 Simulink 仿真验证了所提算法的有效性。结果表明，该控制器能够明显改善温度控制系统的动态跟随性能，实现参数在线自整定，即使在 10%的随机干扰下，依然能够快速恢复到稳定状态。

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具有性能约束的欠驱动系统分层滑模控制

袁绩海, 林涛

控制工程. 2022, 29(9): 1619-1624.

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针对具有性能约束的二阶欠驱动系统的跟踪控制问题，提出了自适应鲁棒滑模控制策略。首先，利用约束转化方程将带有状态性能约束的系统转化成无约束系统，通过引入预设性能方程可以同时保证系统的动态性能和稳态性能满足预设目标；然后，针对转化后的无约束系统设计了自适应分层滑模控制策略，并通过 Lyapunov 方法严格地证明了控制系统的稳定性并获得了自适应律；最后，通过小车倒立摆对比仿真实验证明了控制器的有效性和优越性。

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基于改进的滑模控制器和观测器的 SPMSM 控制

李凡, 彭思齐, 蒋雨函, 李洞湘

控制工程. 2022, 29(9): 1625-1630.

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针对永磁同步电机(PMSM)滑模控制系统具有的系统抖振和相位延迟等问题，提出在速度环设计全局快速终端滑模控制器(GFTSMC)。其中，滑模面结合了线性滑动模态和快速终端模态，并且设计了不含有切换项的连续控制律，能够在一定程度上削弱抖振，提高系统鲁棒性，通过 Lyapunov 函数证明了其稳定性。采用模糊滑模观测器实现了 PMSM无位置传感器控制，利用双曲正切函数替换符号函数进行滑模观测，通过模糊控制规则自适应调节滑模增益大小，省掉低通滤波器，简化了系统，可削弱抖振，提高系统稳定性及跟踪准确性。通过 MATLAB 仿真验证了所提方法的可行性。

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模型预测控制在波浪能上应用的现状与挑战

王振春, 栾锋, 王年果, 刘福才

控制工程. 2022, 29(9): 1631-1637.

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为了提高波浪能源的利用效率，许多机构和学者在波浪能转换装置的模型预测控制方面进行了大量的研究。波浪能转换装置一般要求在保持安全运行的同时实现最大功率能量捕获，其控制方法本质上是一个约束优化问题，应用模型预测控制方法能够很好地满足这一要求。首先对模型预测控制理论进行介绍，其次对国内外关于模型预测控制在波浪能转换装置上应用的研究现状进行阐述，最后指出在波浪能转换装置上应用模型预测控制方法所面临的挑战及研究方向。

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静脉采血机器人 NURBS 曲线轨迹规划研究

李博, 黎建军, 李保保

控制工程. 2022, 29(9): 1638-1644.

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为研究静脉采血机器人在针体植入过程中的 NURBS 曲线轨迹规划问题，以提高NURBS 曲线的插补精度、系统运行过程中的平稳性为优化指标，提出了基于 Simpson 法的 NURBS 插补算法求解预估插补参数，并改进预估插补参数校正法来简化计算。采用基于正弦加速度曲线的 NURBS 插补速度规划方法并在法向加速度和弓高误差的共同约束下，控制插补速度并保证加速度连续。最后在设计的静脉采血机器人上用 MATLAB 进行仿真分析。结果表明，该算法简化了插补计算，降低了弓高误差，提高了插补精度，并有效控制了速度波动率，使运行平稳、运行轨迹连续平滑。

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永磁同步风电系统转速环自抗扰控制器设

张兰红, 李胜, 张卿杰

控制工程. 2022, 29(9): 1645-1651.

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转速环调节器是永磁同步风力发电系统的核心控制环节。将自抗扰控制器引入永磁同步风力发电系统转速环，对自抗扰控制器的跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律 3 个组成部分进行了研究和设计，提出了一种结合抗抖振因子函数的改进型Gfal 函数来提高自抗扰控制器的性能，将风力发电系统的各项扰动纳入新增状态变量进行了估计与补偿。仿真和实验结果表明，与传统 PI 调节器相比，转速环采用自抗扰调节器的永磁同步发电系统直流母线电压动态建立过程无超调、更接近稳态运行控制所需目标，系统发电性能得到了提高。

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基于多层训练干扰的 CNN 轴承故障诊断

王连云, 陶洪峰, 徐琛, 杨慧中

控制工程. 2022, 29(9): 1652-1657.

摘要 ( )

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针对滚动轴承故障诊断方法在低信噪比情况下抗噪性能差以及在不同工况下自适应性不足的问题，提出了一种基于多层训练干扰的卷积神经网络滚动轴承故障诊断方法。首先，通过快速傅里叶变换将原始信号从时域变换到频域并作为卷积神经网络(CNN)的输入，再对多层卷积层进行实时训练干扰，以不同程度随机破坏网络训练，提高模型的抗噪性能和域自适应能力；同时引入批量归一化(BN)方法，改进卷积神经网络结构，改善模型性能。实验结果表明，所提方法不仅在噪声干扰下能达到较高的诊断准确率，同时也能有效地解决工况变化问题。

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基于储能利用的充换电站电池调度路径优化

金珈辉, 刘永慧, 苏庆堂

控制工程. 2022, 29(9): 1658-1666.

摘要 ( )

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以电动汽车充换电服务为研究背景，通过计算调度车辆和用户车辆的充电损耗，并结合站点和电网间的储能共享，分析了时变路况下电池调度的路径优化问题。首先，提出了基于荷电状态和时速的调度行驶数学模型，并建立电池充电模型；然后，为精确计算充电损耗，考虑在时变功率下的电能损耗，提出了基于电池容量修正的电池损耗模型。此外，为实现储能利用，提出在充换电站与电网之间进行储能电池共享，从而建立了以充电损耗和共享收入为调度成本的目标函数。最后，在传统的站点流量和电池容量等约束下，又考虑了基于储能利用的站点电源功率约束，并采用遗传算法求解。实验结果表明，所提方法能有效减少调度过程中的充电损耗，研究成果为充换电站和电网之间的共享储能提供了理论指导。

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大型 LNG 接收站数据监测平台与数据异常检测

赵红岩

控制工程. 2022, 29(9): 1667-1671.

摘要 ( )

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针对天然气使用与进口量日益增长，储罐建造数量不断增加的问题，研究了大型LNG 接收站的安全监测技术，分析讨论了 LNG 接收站的数据监测动态流程。从大型 LNG接收站的系统组成、工艺处理以及对安全运行的影响参数方面探究 LNG 接收站数据安全监测平台的搭建，并实现数据的接入、数据处理、数据储存和传输的功能。通过数据接口将采集到的监测数据读取至监测平台，再通过转化回归分析、时序监测、关联监测和智能算法等步骤实现数据的异常检测处理。该技术框架可以为 LNG 接收站安全生产工艺产生的异常数据快速检测提供参考。

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SVC 接入侧过电压保护的改进控制策略研究

常凤筠, 景炜, 俞海, 陈佳永

控制工程. 2022, 29(9): 1672-1678.

摘要 ( )

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针对输电系统中装设于变压器低压侧的大容量 SVC 在系统处于重载运行工况时会出现过电压的问题，首先理论分析了 SVC 接入侧过电压的机理，然后指出了常规保护性限制策略的缺陷及其造成的问题，并在此基础上提出了 SVC 接入侧过电压保护的改进控制策略：即一方面使用比例积分控制替代常规的单纯积分控制，另一方面改变电压参考值使得 SVC 电压控制器输出的电纳参考值与限制器限幅后的最小电纳值相等，并且还增大 SVC 电压控制器的增益系数，从而可以快速而稳定地降低接入侧的过电压值。最后，在 PSCAD/EMTDC 中的实际算例仿真表明上述策略具有可行性和有效性。

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基于 RBFNN 的桥式起重机 AHSMC 控制策略

覃羡烘

控制工程. 2022, 29(9): 1679-1687.

摘要 ( )

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针对欠驱动三维桥式起重机控制策略难以在微控制器资源受限的条件下进行验证，以及传统分层滑模控制策略难以在不确定性条件下进行准确控制的问题，提出了基于径向基神经网络的三维桥式起重机自适应分层滑模控制策略。首先，基于分层滑模控制方法构建起重机全驱动和欠驱动子系统的一阶滑模面；然后，将一阶滑模面进行线性组合，形成第二阶滑模面；进一步，利用径向基函数神经网络对控制参数进行自适应估计并更新滑模面，提高不确定性条件下控制策略的鲁棒性。最后，通过仿真分析和物理实验验证了所提自适应分层滑模控制策略的有效性。

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多变量动态解耦预测 PI 在精馏塔中的应用 #br#

杨自, 任正云, 余雯

控制工程. 2022, 29(9): 1688-1694.

摘要 ( )

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精馏塔是一个多输入多输出的高阶系统，其内在机理复杂，具有强耦合、强干扰、大滞后等特性。精馏塔精馏工艺对控制器要求较高，常规的 PID 控制过程中存在震荡和超调现象，会导致产品品质不佳，而一般的智能控制鲁棒性较差，参数不易整定，无法满足实际需求。针对该问题，提出了多变量动态解耦预测 PI 控制算法。该算法使用对角动态解耦器解除变量间的耦合特性，对由解耦器和过程对象组成的广义过程对象进行模型降阶，并对每一个相互独立的降阶模型运用预测 PI 算法进行控制研究。仿真结果表明，多变量动态解耦预测 PI 控制算法具有良好的稳定性和鲁棒性，且抗干扰能力强、响应速度快、参数易整定，具有一定的实际应用价值。

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工控系统模拟输入模块转换误差分析及修正

姚沛嵩, 张利军, 刘洁, 徐绯然, 王明菱

控制工程. 2022, 29(9): 1695-1700.

摘要 ( )

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为解决施工现场对工控系统模拟量回路的修正问题，研究了使用 1 台过程校验仪和 1 张定制的 Excel 表格完成工业控制系统模拟输入模块通道的性能判断和采集值修正的方法和流程。首先，搭建实验专用平台，即仿真工控系统中直流电流信号的工作电路；然后，计算模拟输入模块的出厂误差，记录标准电流和实际采集值的对应关系，判断模拟输入通道的性能；最后，将计算过程输入到 Excel 表格中，验证修正公式。实验结果表明，相比实际采集输入，经过修正后的转换误差明显变小，比较方便地解决了现场调试阶段模拟输入模块转化误差的分析和修正。

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一种基于状态观测器的 Buck 电路控制方法

葛传九, 武鹏, 金俊喆, 董祥祥

控制工程. 2022, 29(9): 1701-1706.

摘要 ( )

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为了改善 DC/DC 变换器的控制性能，提升控制器与电路的抗干扰能力，在电流模式控制的基础上，设计了一个基于线性扩张状态观测器的变换器控制器，提升了应对非最小相位系统输入电压或负载变化时稳定输出电压的能力。使用线性扩张状态观测器来估计输出电压与扰动并及时在反馈中给予补偿，保证系统在外部条件变化时的输出稳定性。对某DC/DC 降压变换器进行实验，结果表明所设计的控制器可行且具有良好的电压稳定性能。

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基于动态 HMM 和离散 SPC 的空调机组的故障诊断

严颖, 蔡骏, 张菀, 孙亮亮

控制工程. 2022, 29(9): 1707-1712.

摘要 ( )

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为了精确诊断暖通空调机组的故障，提出了一种动态隐马尔可夫模型。该模型可以精确且高效地描述设备状态的动态变化以及设备间的故障传递，因此可以通过估计设备的离散状态来诊断故障。为了滤除由于测量噪声和模型误差引起的错误状态估计，提出了一种适用于离散情况的统计过程控制方法。仿真数据以及真实数据被用来验证提出的故障诊断方法。实验结果表明，与其他方法相比，该方法能以较低的误报率和漏报率诊断出故障。

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基于参数在线辨识和 SVD-UKF 的锂电池 SOC 联合估计

董祥祥, 武鹏, 葛传九, 金俊喆

控制工程. 2022, 29(9): 1713-1721.

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锂电池的荷电状态(SOC)是电池管理系统的核心参数，准确的 SOC 估计对电动汽车的安全运行至关重要。针对因电池模型参数固定导致锂电池 SOC 估计精度不高和误差协方差非正定导致传统无迹卡尔曼滤波算法估计 SOC 失败的问题，提出基于参数在线辨识和 SVD-UKF 的锂电池 SOC 联合估计算法。该算法使用变遗忘因子递推最小二乘法实现电池模型参数的在线辨识，通过基于奇异值分解的无迹卡尔曼滤波算法(SVD-UKF)实现电池 SOC 的估计。在联邦城市运行工况下对联合估计算法进行验证，实验结果表明，联合估计算法可将 SOC 估计误差控制在 1.53%以内，能够有效提高 SOC 估计的准确性和稳定性。

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基于多尺度时间特征 LSTM 的短期负荷预测

杨梅, 李忠, 吴昊, 代妮娜

控制工程. 2022, 29(9): 1722-1728.

摘要 ( )

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为了提高样本数据单一情况下的负荷预测精度，提出了基于多尺度时间特征的长短时记忆网络 LSTM 模型。首先，采用小波分解将历史数据分解为稳定分量、趋势负荷、以及峰-谷周期和持续时间等周期序列，突出不同时间尺度特征；其次，利用 LSTM 网络实现时间序列特性的进一步提取和数据拟合；最后，模型直接输出多个时刻的预测值。实验表明，相比较于自组织映射、高斯过程回归、标准 LSTM 模型，所提基于多尺度时间特征的长短时记忆网络模型具有更高的预测精度，同时具有一定的抗噪性能。

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2022年, 第29卷, 第9期　
刊出日期：2022-09-20

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