2023年, 第30卷, 第11期　
刊出日期：2023-11-20

  

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  基于 MA-CGRU 的污染气体浓度并行软测量模型

  孙小明, 贾凯, 贾新春, 陈皓炜, 侯鹏飞

  控制工程. 2023, 30(11): 1958-1964. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210379

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  为解决普通深度学习方法提取特征能力较差和传统软测量模型都是单输出模型的问题，提出了基于多重注意力卷积门控循环单元(multiple attention-based convolutional gated recurrent unit, MA-CGRU)的燃煤电厂污染气体浓度并行软测量模型。首先使用 T 分布随机近邻嵌入对原始数据做非线性降维，接着采用一维卷积层提取数据的特征，然后将特征送入门控循环单元层。同时，采用多重注意力机制来提升并行软测量模型的特征提取效率。 此外，所提出的模型可以并行输出 NOx和 SO2两种污染气体在下一时刻的浓度，有着较高的准确性，并且优于其他对比模型，可以为实际工业现场其他参数的并行软测量提供一定的参考。
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  基于 RF-LSTM 网络的风电机组状态参数预测

  刘杰, 付雪娇, 蒋树旗, 谭玉涛

  控制工程. 2023, 30(11): 1965-1970. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210586

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  为实现风电机组的早期故障预警，提出一种基于随机森林(random forest, RF)结合长短期记忆(long short-term memory, LSTM)网络的风电机组状态参数预测方法。利用 RF 算法筛选出与目标变量有重要关联信息的状态参数，将其作为 LSTM 网络预测模型的输入变量，实现对目标变量的预测。采集风电机组监测的状态参数数据，将齿轮箱油温作为目标变量，对所提预测方法的有效性进行验证。结果表明，在不同的输入变量与预测方法下， RF-LSTM 均具有较高的预测精度，不仅克服了众多状态参数存在的高维度、非线性等问题，还保证了输入变量的重要信息不会随着时间被遗忘。
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  非结构场景中镜框尺寸测量的轻量化方法

  陈奕帆, 付东翔, 傅迎华, 陈杰

  控制工程. 2023, 30(11): 1971-1978. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210522

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  鉴于传统自适应阈值分割方法在检测中无法根据镜框粗细、颜色深浅以及拍摄背景复杂程度自适应双阈值门限。现采用深度学习中的 CenterNet 模型，通过 MobileNetV3 中的 bneck 结构堆叠，组成 CenterNet 模型的主干特征提取部分，从用户图片中获得镜框和眼睛的类别信息、位置信息，最后通过相对位置关系计算出测量要求的相应尺寸。该过程无需对图像进行阈值分割，实现了非结构化场景中镜框尺寸的快速测量。实验结果表明， 该方法不受镜框粗细以及拍摄背景的影响，检测精度高达 98.01%，每秒处理图片的数量 (frames per second, FPS)达到 15 帧/秒，训练后的权重文件从 152 MB 减小到 47 MB，并有较强的泛化能力。
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  一种 SAR 图像舰船检测的 YOLOv5-TVC 算法

  张翰康, 颜明重, 朱大奇, 陈斌, 李杰

  控制工程. 2023, 30(11): 1979-1989. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210806

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  为了在 SAR 图像中准确地检测出大范围海域内的舰船等目标，提出了一种基于 YOLOv5-Transformer 的目标检测算法：YOLOv5-TVC。首先，使用 VoVNet-57 替代原有 的 CSP-Darknet53 以增强对小目标特征的敏感性。其次，将 CBAM 加在 neck 的多尺度采 样层中，实现深层网络中对重要空间和通道的关注。最后，在 Bottleneck-Transformer 模 块内，用自我注意力机制叠加结构来替代提取特征的卷积层，从而优化对目标特征提取的效率。消融实验和对比实验的结果表明，YOLOv5-TVC 检测 SAR 图像目标的精度优于其他 YOLO 系列算法。
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  基于自适应门限及分层容量的粒子滤波算法

  赵泽钰, 江亚峰, 王舜, 张亮, 袁明新

  控制工程. 2023, 30(11): 1990-1998. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210682

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  为了解决传统粒子滤波算法在重采样过程中因粒子匮乏而导致滤波精度降低的问题，提出基于自适应门限(T)及分层容量(C)的粒子滤波(particle filtering, PF)算法，简称 TCPF 算法。利用无迹变换在建议分布中融入最新量测信息，使得建议分布贴近概率密度 函数的真实分布；构造自适应门限，减少在高斯混合中对相似组件单元聚类的运算步骤， 提高聚类效率；设置分层采样比例容量，对连续概率密度函数进行分层，并对劣势层粒子权值进行优化组合，提高粒子多样性。6 组系统模型测试结果表明，与其他滤波算法相比， TCPF 的均方根误差均值和标准差均值分别平均下降 29%和 25%，从而验证了其在抑制粒子退化、避免样本匮乏上的优势，提高了滤波精度。
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  考虑公平关切的绿色供应链融资策略研究

  郭志芳, 李玉婷, 田春英

  控制工程. 2023, 30(11): 1999-2010. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210686

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  对存在资金约束的绿色供应链，研究了风险中性零售商的最优加价策略，以及公平关切制造商在银行信贷以及零售商预付款两种融资下的绿色投入与定价策略，并进一步探讨了制造商公平关切行为对供应链利润及成员企业融资与运营策略的影响。研究发现， 制造商的公平关切不但改变了供应链成员间的利润分配格局，而且影响了绿色供应链进行预付款融资的临界自有资金水平。无论采取何种融资模式，公平关切都会提高产品批发价格并降低单位产品利润，而产品绿色度只有在预付款融资模式下随公平关切增大而降低。 另外，增加公平关切水平将导致零售商预付款成为占优融资模式的区域变小，并进而对制造商自身造成不利影响。
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  基于 LSTM 的短时高速公路交通量预测

  沈庙生, 高更君

  控制工程. 2023, 30(11): 2011-2018. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210902

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  高速公路交通量预测中原始数据存在大量缺失值，为了挖掘高速公路交通量时间序列中的更多信息，提高交通量预测的精度，构建了缺失值修复方法、Dropout 以及长短时记忆网络(long short term memory, LSTM)相结合的高速公路流量混合预测模型。通过缺失值修复方法对高速公路流量数据进行数据修复；在 LSTM 网络中非循环的部分加入 Dropout 机制来减少过拟合情况；通过实测交通量数据进行实验，实验结果表明考虑缺失值修复的 Dropout-LSTM 的高速公路流量预测模型相较于 LSTM 及常用高速公路预测模型，预测精度更高，验证了该模型在短时高速公路交通量预测中的有效性。
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  高阶系统变增益固定时间动态面 Backstepping 控制

  蒲明, 李浩然, 刘鹏, 熊皑

  控制工程. 2023, 30(11): 2019-2026. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210246

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  为解决一类存在未知建模误差、外部扰动的非线性系统控制在快速性、准确性、 鲁棒性方面的问题，提出变增益固定时间动态面 Backstepping 控制器。首先，为每一层子系统设计具备新型结构的固定时间 Backstepping 控制器和固定时间动态面滤波器，使系统状态跟踪误差和滤波误差可在固定时间内完成收敛，收敛时间上界仅与设计参数有关。然后，为控制器和滤波器设计变增益函数，兼顾了大误差阶段的收敛快速性与小误差阶段的收敛准确性。仿真结果表明，所提方案可使系统在 1.76 s 内完成收敛，快于对比方案的 5.51 s 和 3.68 s，证明了所提方案的优越性和有效性。
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  三阶段优化算法求解带三维装载约束的 MDVRP

  奎昊, 朱荣, 胡蓉, 钱斌

  控制工程. 2023, 30(11): 2027-2040. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210674

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  对带三维装载约束的多车场车辆路径问题，以最小化车辆行驶总里程为优化目标， 建立问题模型，并提出一种三阶段优化算法进行求解。第一阶段设计带循环平衡的 K-medoids 聚类算法，将原问题分解成多个带三维装载约束限制的车辆路径子问题。第二阶段提出一种双层结构的超启发式蚁群算法用于求解各子问题，以确定各车辆的配送路径。在该算法中，低层设计 9 种启发式操作，并将其所构成的排列作为高层个体；同时，高层采用蚁群算法更新高层个体，以引导算法搜索方向。第三阶段以第二阶段所得阶段解作为初始解， 设计组合启发式装箱算法对带容积约束的装箱过程进行优化，进而将第二、三阶段确定的解合并为原问题的解。最后，仿真实验和算法比较验证了所提算法的有效性。
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  基于案例推理的曝气过程智能控制方法

  吴桐, 于广平, 袁德成, 刘坚, 李健, 孙宏存

  控制工程. 2023, 30(11): 2041-2047. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210419

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  为保证出水水质，降低运行成本，污水处理过程的优化需要动态更新污水处理过程操作变量的最优设定值。因此，提出使用进化算法对溶解氧的设定值进行优化，并结合案例推理(case-based reasoning, CBR)，提出一种污水处理的曝气过程智能控制方法。首先， 建立入水数据与出水指标的神经网络模型，针对不同工况，使用优化算法获取操作变量的优化设定值，建立动态案例库，使用最近相邻法于案例匹配过程中，将案例重用后取得操作变量的优化设定值应用于基准仿真模型 1 号(benchmark simulation model No.1, BSM1) 中，并得到性能评价指标。根据性能评价指标，更新操作变量的优化设定值和神经网络模型。使用 BSM1 对优化系统进行仿真，优化系统较原系统曝气能耗减少了 18.5%，同时出 水水质(effluent quality, EQ)指标得到了改善。
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  高炉多周期装料过程炉喉料面形状混杂控制

  张勇, 孔令峰, 吕东澔, 崔桂梅

  控制工程. 2023, 30(11): 2048-2057. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210725

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  为了解决高炉多周期装料过程中料面形状变化的问题，设计出一套高炉料面形状控制系统。对于该控制系统，首先，以单容水箱为对象，研究以间歇进水和连续出水为特征的混杂控制问题。然后，在液位位式控制的基础上，将液位混杂系统扩展至用泛函描述的高炉炉料料面形状控制。由于炉料在炉喉径向方向上的实际下降速度存在差异，借鉴非均匀炉料下降模型，并通过仿真实验准确建立出该模型。以多环布料模型、非均匀炉料下降模型和布料矩阵逆计算模型为基础，提出了高炉多周期装料过程中料面形状控制方案， 将间歇装料过程与连续下料过程相结合。最终，通过仿真实验实现了料面形状混杂控制， 为高炉实际装料过程提供了理论依据。
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  基于模糊专家库的核电 LOCA 试验温度控制

  方刚, 杨海马, 丁大民, 刘瑾, 张大伟, 李筠, 张向鸿

  控制工程. 2023, 30(11): 2058-2065. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210929

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  冷却剂丧失事故(loss of coolant accident, LOCA)试验是模拟核电设备在运行中突然出现冷却剂丧失而导致仓内温度骤然升高的场景，检验核电站用电缆、传感器等设备性能的一种标准化测试流程。为解决流入 LOCA 试验仓内高温蒸汽的温度控制具有非线性、 迟滞大以及时变性的技术难题，使用 Fluent 软件模拟 LOCA 试验仓中的温度变化和蒸汽流场，并用 MATLAB 仿真对比模糊专家 PID 与经典 PID 的差异。以设计基准事故(design basis accident, DBA)鉴定曲线 CPR1000 和 AP1000 为标准，在现场进行了瞬态热冲击试验、 喷淋降温试验和温度平衡试验。通过仿真和现场试验结果表明，采用模糊专家 PID 联合控 制的温控系统比经典 PID 控制响应速度更快、鲁棒性更高、超调量更小，误差控制在±5℃ 以内，符合 DBA 曲线的温控要求，能够满足 LOCA 温控系统的自动化测试需要。
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  基于多目标优化的脱硝系统改进自抗扰控制

  杨小龙, 崔晓波, 于国强, 高爱民, 殳建军, 张天海

  控制工程. 2023, 30(11): 2066-2074. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210613

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  大范围变工况的燃煤机组脱硝系统因具有大惯性特性、强非线性以及多源扰动等特点，使其控制具有一定的挑战性。为提高脱硝系统的跟踪和抗干扰控制性能，并节约喷氨量，提出了基于控制性能指标和喷氨量指标的多目标优化串级改进自抗扰控制策略。在改进自抗扰控制原理的基础上，通过单一变量法分析改进自抗扰控制参数对控制效果的影响。采用多目标遗传算法优化脱硝系统改进自抗扰控制参数。通过仿真验证所提改进自抗扰控制在设定值跟踪、扰动抑制方面的优势，蒙特卡洛实验验证了所提改进自抗扰控制在应对系统不确定性时具有很强的鲁棒性。仿真结果表明所提改进自抗扰控制具有很好的实际应用潜力。
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  永磁同步电机调速系统鲁棒电流预测控制

  侯利民, 沙延起, 王巍, 王禹

  控制工程. 2023, 30(11): 2075-2084. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210771

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  为了增强永磁同步电机调速系统电流预测控制的鲁棒性，提高调速性能，提出了一种永磁同步电机非线性电流预测鲁棒控制策略。首先，将含扰动误差项的永磁同步电机非线性数学模型利用前向欧拉公式转换为离散数学模型，在此基础上利用复合积分终端滑模观测器估计非线性模型的未知扰动项，并通过最优控制理论完成预测电流最优控制作用转化，构建模型预测电流控制环路；再结合预估器及自适应控制思想，对环路输入输出辨识校正，提高延迟补偿的精确性，从而达到增强系统鲁棒性和快速跟踪性的目的；最后， 通过仿真与半实物实验验证了控制策略的有效性。
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  基于 Tube 不变集的鲁棒模型预测控制

  邢丽娟, 杨世忠

  控制工程. 2023, 30(11): 2085-2090. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210595

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  针对具有持续有界扰动的线性变参数系统，设计一种基于 Tube 不变集的鲁棒模型预测控制算法。离线算法结合系统多胞体模型参数变化的影响，构建系统的 Tube 不变集。在对应标称模型状态变量的多面体不变集算法基础上，得到系统的多面体状态允许不变集序列。在线算法通过强控制优化得到标称模型系统的控制量，以得到符合实际控制过程的系统控制量，给出本算法的详细步骤和系统稳定性证明。仿真结果验证了本算法的有效性，表明本算法将持续有界扰动对系统的影响限制在 Tube 不变集中，实现了系统的快速稳定控制。
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  基于神经网络的污水处理系统广义预测控制

  赵敏, 赵强

  控制工程. 2023, 30(11): 2091-2099. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210556

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  污水处理过程中，由于溶解氧和硝态氮浓度是时变且长滞后的，因此难以精准控制。为解决这一问题，提出基于径向基(radial basis function, RBF)神经网络的多变量解耦比例积分-广义预测控制(proportional integral - generalized predictive control, PI-GPC)算法。首先，基于 RBF 神经网络分别建立溶解氧浓度和硝态氮浓度非线性模型；然后，在此模型 基础上，利用 GPC 的预测性和传统 PI 控制器的反馈性，优化溶解氧和硝态氮的浓度控制； 最后，利用基准仿真模型 No.1(benchmark simulation model No.1, BSM1)数据，通过神经网络辨识系统模型并设计控制器。结果表明，PI-GPC 算法相较于传统 GPC 和 PI 控制算法， 能够获得更快速和更稳定的控制效果。
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  机械臂的位姿分离求逆和改进 RRT-connect 算法研究

  刘文倩, 单梁, 王志强, 吴志强, 戚志东, 李军

  控制工程. 2023, 30(11): 2100-2107. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210234

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  针对机械臂逆解求取过程中存在大量矩阵变换、计算成本高的问题，采用位姿分离法对逆运动学求解过程进行改进，并提出基于自适应步长的 RRT-connect 路径规划算法。首先建立六自由度机械臂连杆坐标系模型，采用 Standard Denavit-Hartenberg(D-H)方法对机械臂进行正运动学分析，得到机械臂末端执行器位姿相对于基座的齐次变换矩阵。 然后引入位姿分离法改进了机械臂的逆运动学求解方法，将机械臂运动学逆解分为位置逆解和姿态逆解两部分，分别用几何法和解析法进行求解，减少了整体计算量。再者提出基于自适应步长的改进 RRT-connect 路径规划算法，解决了扩展速度慢的问题。最后通过仿真验证所提出方法的正确性和有效性。
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  基于互联观测网络的 PMSM 机械参数在线辨识

  朱凌童, 蒋全, 李国丽, 谭玉华

  控制工程. 2023, 30(11): 2108. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210872

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  永磁同步电机的负载转矩、粘滞摩擦系数和转动惯量等机械参数的在线辨识，对实现高性能伺服控制具有重要的意义。为了减小误差、提高辨识精度，充分考虑不同机械参数间的相互关联与影响，将扩展滑模观测器、模型参考自适应系统以及所设计的新型自适应系统相结合，并构成一种互联观测网络。然后，基于此网络，对永磁同步电机的 3 个机械参数进行实时的在线精确辨识。相比于传统辨识方法，所提出的辨识方法可以有效抑制滑模抖振，提高系统的动态响应能力和鲁棒性。
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  内部更新多新息梯度的 Wiener 系统盲辨识

  鲁西坤, 焦龙, 卢超

  控制工程. 2023, 30(11): 2116-2124. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210319

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  针对 Wiener 系统信息未知和多新息长度约束辨识精度问题，提出一种行列式定阶法和基于内部更新多新息梯度辨识方案。首先，基于参数分离技术，构造线性和非线性参数无交叉乘积项的辨识模型。其次，利用参考模型思想和系统数据推导确定系统阶次的行列式比方法，简化盲辨识算法设计复杂度。借鉴内部更新理论，首次将给定多新息参数更新分解为多个子新息内部参数更新，解决新息长度限制辨识性能问题，提高辨识的精度。 最后，对比例子和理论分析结果，证明了所提辨识方案的有效性和较好的辨识性能。
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  耦合程度加深的电-气综合能源系统的建模及仿真

  罗鹏, 刘永慧, 苏庆堂

  控制工程. 2023, 30(11): 2125-2133. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210434

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  考虑到传统模型的约束条件过于理想化，而且实际电-气综合能源系统中互联耦合关系较复杂，以可再生能源利用量最大为目标函数，建立两种网络在新型约束条件下的潮流计算模型。首先，建立天然气管网、配电网以及涵盖电转气装置的耦合设备的数学模 型；然后，在传统约束条件的基础上，考虑互联模型耦合关系的加深，引入新型约束条件， 以可再生能源利用量最大为目标函数，对模型进行混合网络的潮流计算；最后，对不同节点数量构成的 3 种电-气综合能源系统算例，用 MATLAB 进行仿真验证。仿真结果表明， 引入电转气技术的电-气综合能源系统能有效提高能源的利用效率。电-气综合能源系统考虑了耦合关系加深的约束条件更符合实际情况，为系统的建模及优化提供了理论指导。
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  基于 CEEMDAN-GRU 的电网工程主材价格多步预测

  张继钢, 吴良峥, 乔慧婷, 陈雯

  控制工程. 2023, 30(11): 2134-2142. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20230333

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  电网工程主要原材料价格变动对电网工程的造价控制有着重要影响。为提高主材价格的预测精度，提出了一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解和门控循环单元的电网工程主材价格多步预测方法。首先对原始价格序列进行分解，随后根据分解所得的各子序列的模糊熵值进行聚类。对模糊熵值较大的聚合序列进行变分模态分解，分解所得的各子序列利用 GRU 模型进行多步预测；对模糊熵值较小的各聚合序列直接进行多步预测。 基于真实数据对所提预测方法的性能进行了实验，结果表明所提方法在预测精度上有明显提升，对电网工程材料价格预测具有较大的参考价值。