控制工程

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罗贞, 李艺, 于霄, 邵丽源, 张永, 谢林柏

控制工程. 2023, 30(12): 2146-2154.

摘要 ( )

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旋转设备是现代工业的主要部件，是保证制造系统可靠性和稳定性的关键因素之一。因此，对旋转设备的健康状态监测和剩余寿命预测具有重要的研究意义和理论价值。基于郊狼优化算法，优化了粒子滤波权值退化的问题，提升了剩余寿命的预测精度。首先，采用深度相关对齐(Deep CORrelation alignment, Deep CORAL)域适应方法进行训练集与测试集的特征分布对齐，并利用长短期时间序列网络进行健康指标构建，提高了健康指标构建的准确性；其次，利用基于郊狼优化算法的改进粒子滤波算法，提高了旋转设备剩余寿命预测的精度和可靠性；最后，以刀具为例，引入 PHM2010 刀具磨损数据集，实验结果验证了所提方法的有效性。

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考虑互换性的混合气源天然气管网扩建工程设计优化

周军, 李传钱, 梁光川

控制工程. 2023, 30(12): 2155-2165.

摘要 ( )

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面对逐渐形成的混合气源协同供应天然气管网格局，扩建现有天然气管网已成为未来发展趋势。针对混合气源的管网扩建工程设计优化问题，综合考虑混合气源带来的燃气互换性和成本等影响，以管网扩建年折合费用最低为目标函数，建立通用的混合气源天然气管网扩建设计优化的混合整数非线性规划(mixed integer non-linear programming, MINLP)模型。以某沿海城市群为例进行研究，提出考虑互换性与不考虑互换性的 2 种情景以及气源不同价格组合下的 25 种情景，采用数学规划求解器 DICOPT 求解。分析发现，互换性主要影响各气源在混合时的供应比例，考虑互换性时管网扩建年折合费用虽然比不考虑高，但提高了用户用气安全性和稳定性。因此在实际管网扩建设计中，应综合考虑各气源互换性和价格水平的影响，制定合理的管网规划。

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基于 M-NSGA-II 的转炉炼钢补加供料量优化

徐惟罡, 周洪涛

控制工程. 2023, 30(12): 2166-2172.

摘要 ( )

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在转炉炼钢过程中，供料量的多少会极大影响钢水的终点碳含量和终点温度，因此，优化转炉炼钢的补加供料量可以提高钢铁的产出质量。首先，依据二次吹炼终点碳温与补加供料量的回归模型构建了补加供料量优化模型；其次，由于转炉炼钢要求优化算法的计算时间短，设计了移动非支配排序遗传算法 II(moving non-dominated sorting genetic algorithm II, M-NSGA-II)；最后，采用目标函数平均缩小值与平均标准差作为评价指标，对模型结果进行对比实验。结果表明，所设计的 M-NSGA-II 可以在较短的计算时间内获得更优的非支配解集，并且基于该算法的补加供料量优化模型可以有效调整终点碳温。

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基于 BSMOTE-SVM 算法的溢流风险评价

张禾, 池紫欣

控制工程. 2023, 30(12): 2173-2178.

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现今钻井作业中各平台仍然依靠人工坐岗进行溢流预警，溢流风险判断具有主观性导致准确率十分有限。针对目前溢流风险识别能力弱和准确率低的问题，首先，采用了边界样本过采样方法避免了由于溢流发生频率极低导致可获取的样本数量不足的缺陷；其次，引入支持向量机对改善后的样本构造分类器，建立了溢流风险评价模型，并采用已经完钻的油井数据作为测试集进行模型验证。实验结果表明，所提方法将溢流识别准确率提高到了 90%，相对于原始不均衡样本训练的分类器准确率，提高了 36.67%。同时，此研究成果提高了钻井作业中的溢流识别能力，为安全钻井提供了有力支撑。

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基于随机拓扑优化提升回声状态网络的交通流预测

凌光, 肖博元, 孙佳旭, 张立峰, 宋响响

控制工程. 2023, 30(12): 2179-2184.

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交通流预测是交通智慧化的重要任务。为了提高短时交通流的预测精度，解决单一模型预测精度不足、易受噪声干扰等特点，提出了一种基于随机拓扑优化的提升回声状态网络(echo state networks, ESN)的预测方法。该方法以简单的回声状态网络为基本构成单元，利用随机拓扑优化策略对回声状态网络的拓扑结构进行优化选择，然后利用基于误差补偿的提升算法提高整体模型的预测精度。通过对随机拓扑优化策略和提升算法在实际交通流预测问题中的性能分析，验证了所提方法的可行性和有效性，同时可为其他弱预测学习器的学习性能改进提供参考。

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含未知干扰的非对称欠驱动无人艇轨迹跟踪

张宗鑫, 杨春曦, 杨健全, 李岩田

控制工程. 2023, 30(12): 2185-2191.

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针对含有集总不确定项的非对称欠驱动无人艇(unmanned surface vehicle, USV)高精度轨迹跟踪控制问题，提出一种基于未知系统动态估计的滑模控制(sliding mode control, SMC)方法。集总不确定项由系统内部未建模动态和外界环境干扰造成。首先，设计未知系统动态估计器(unknown system dynamics estimator, USDE)，精确重构集总不确定项，相比于干扰观测器和扩张状态观测器，未知系统动态观测器具有结构简单、参数少的特点；其次，由于传统滑模控制存在颤振现象，提出一种新的滑模控制方案以解决颤振现象，同时保证误差收敛精度；最后，采用 Cybership II 实验模型进行仿真研究，仿真结果表明，所设计的控制方案可以有效解决含有未知干扰的欠驱动无人艇轨迹跟踪问题。

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基于动态事件的水面无人船故障检测

白盼鑫, 张恒, 王哲, 李宏然, 张键

控制工程. 2023, 30(12): 2192-2198.

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在基于网络控制的水面无人船(unmanned surface vehicles, USV)系统中，针对系统执行器故障和使用通信网络出现的网络延迟、数据丢失，以及海洋环境扰动，研究基于动态事件触发的水面无人船系统的故障检测问题。首先，量化影响因素，构建了一个考虑网络延迟、丢失、海洋扰动和执行器故障同时存在的水面无人船系统的动力学模型。并在此基础上构建了一个基于动态事件触发的无人船系统故障检测框架，给出了动态事件触发的条件。然后，利用李雅普诺夫稳定性理论给出了残差系统渐近稳定的判据和系统故障检测框架的参数设计方法。最后，通过仿真实验验证了所提出的故障检测方法的有效性。

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无人机辅助无线传感器网络的最优拓扑控制与数据采集

郭斌, 黄力宇, 温鑫

控制工程. 2023, 30(12): 2199-2205.

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无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN)广泛应用于实时监测与控制，而无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)作为灵活、高效的数据收集平台也被广泛地集成到系统中。考虑到传感器节点的能量有限，拓扑控制的优化和收集数据量的确定对于延长 WSN 的生存时间和提高数据满意度至关重要。因此，提出了一个关于传感器拓扑控制和采集数据满意度的联合优化问题，并将传感器关联的子问题建模为背包问题。首先，通过模糊 C 均值(fuzzy C-means, FCM)聚类算法初始化 WSN 得到所选择的簇头(cluster head, CH)；然后，通过块坐标下降(block coordinate descent, BCD)算法得到最优的采集数据量，并提出基于蚁群优化(ant colony optimization, ACO)的传感器关联方案来解决背包问题；最后，实验模拟结果表明，所提算法可以有效降低 WSN 的能耗和传输延迟。

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多跳集群电力线通信网络的物理层安全研究

孟玮, 顾义东, 崔佳星, 孔政敏

控制工程. 2023, 30(12): 2206-2210.

摘要 ( )

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研究了具有多跳集群特性的全双工解码转发中继辅助电力通信系统下的物理层安全问题。为保证信号从信源智能体到目的智能体的安全传输，提出一种人工噪声辅助波束成形方法。通过联合优化波束成形矩阵与信源和中继处的人工噪声向量，最大化具有多重功率约束的安全速率。为解决人工噪声辅助波束成形安全问题的非凸优化问题，将其转换为多块凸问题。仿真实验表明，相较于传统方法，所提出的人工噪声辅助安全波束成形方法明显提高了安全速率性能。

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带集合约束的异构线性多智能体系统的分布式优化

杨正全, 周瑞雪

控制工程. 2023, 30(12): 2211-2216.

摘要 ( )

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研究了集合约束下异构线性多智能体系统的分布式优化问题。分布式优化的目标是最小化局部目标函数之和组成的全局目标函数，其中，每个智能体只知道其自身的目标函数。首先，针对多智能体系统的线性和异构性，通过智能体的自身状态和其邻居输出信息的反馈组合提出了一种全分布式优化算法，在集合约束下解决分布式凸优化问题。其次，局部目标函数的梯度除满足 Lipschitz 条件外，没有其他特殊限制，并且放宽了对矩阵秩的要求。该算法根据凸优化理论和李雅普诺夫函数法证明了智能体的状态可以渐近收敛到全局最优点。最后，通过数值仿真验证了理论结果的可行性和有效性。

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基于改进无迹卡尔曼滤波的锂电池荷电状态估计

沈浩然, 刘振兴, 邵丽源, 何心, 郑宇锋, 刘智伟, 张永

控制工程. 2023, 30(12): 2217-2225.

摘要 ( )

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锂电池是一种广泛应用的能源器件，高效的荷电状态估计是锂电池安全管理的基础。为了提高荷电状态估计的精度，提出了一种联合估计方法。首先，采用递归限制总体最小二乘法辨识模型参数，解决了传统递推最小二乘法存在辨识偏差导致准确性降低的问题；接着，提出了基于权重优化的无迹卡尔曼滤波算法，提高了荷电状态估计的精度；最后，引入北京公交动态压力测试工况的仿真实例对锂电池放电状态进行建模，并通过与 3种先进方法进行比较，验证了所提方法在精度和收敛速度方面的优越性。

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基于对偶上升法的配电网分布式无功优化

配电网, 分布式优化, 电压调节, 线损优化, 对偶上升法

控制工程. 2023, 30(12): 2226-2233.

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针对高渗透率配电网中由可再生能源出力间歇性导致的电压波动、电压越限问题，利用分布式机组的快速无功支撑能力，提出一种基于对偶上升法的配电网分布式无功优化算法。考虑到分布式机组的隐私保护、系统线损的不可分离特性以及系统节点电压的全局耦合特性，先引入辅助变量将原问题转化为可分离优化问题；然后基于分布式机组的快速无功支撑能力和对偶上升法设计分布式无功优化算法，在电压分布允许偏差内协调配电网运营商及分布式机组实现系统线损最小化。最后利用数值仿真验证了所提算法在电压调节及线损优化方面的有效性。

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弱电网下基于 PSO 的并网逆变器锁相环参数设计方法

金永康, 颜文旭, 倪宏宇, 蔡继东

控制工程. 2023, 30(12): 2234-2244.

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在弱电网下，锁相环(phase-locked loop, PLL)的参数会对并网逆变器系统的稳定性和动态特性产生较大影响，当其参数设计不当时会引起系统失稳。传统的锁相环参数设计只考虑了稳定性，而未考虑动态特性和电流环的影响。为了解决上述问题，提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法的锁相环参数设计方法。首先，建立考虑锁相环的并网逆变器系统的小信号模型，利用阻抗法分析锁相环参数、电流环带宽和短路比对系统稳定性的影响；然后，根据系统的稳定裕度要求和动态特性分析，利用 PSO 算法对 PLL 参数值进行设计；最后，将该方法用于同步坐标系锁相环(synchronous reference frame PLL, SRF-PLL)，通过仿真证明了所提方法能够有效提高系统的稳定性和动态特性。

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计及经济环保的需求侧资源优化调度

潘廷哲, 金鑫, 罗鸿轩, 徐迪

控制工程. 2023, 30(12): 2245-2253.

摘要 ( )

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针对需求侧资源的优化调度问题，建立了计及经济性和环保性的需求侧资源的数学模型，并且采用鹦鹉算法对所提出的数学模型进行求解。鹦鹉算法主要是在传统粒子群优化算法的基础上增加自适应权重和学习因子，以此来改变传统粒子群优化算法容易陷入局部最优、低精度两大缺点。使用惩罚函数法将有约束问题转化为无约束问题，同时考虑到需求侧资源与主网之间的协同运行情况，规划了4种有部分差别的需求侧资源运行策略。最后，通过相关的案例仿真，证明了所提模型和算法的有效性。

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基于 FCM-WS-BP 的光伏日前出力预测研究

黄博阳, 何肖蒙, 肖小兵, 李跃, 蔡永翔, 肖勇, 金鑫

控制工程. 2023, 30(12): 2254-2260.

摘要 ( )

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为应对分布式光伏电站接入电网所带来的能量波动问题，方便电网部门的能量调度和管理，提出一种基于模糊 C 均值聚类和样本加权的反向传播(fuzzy C means-clustering and weighted samples back propagation, FCM-WS-BP)神经网络光伏输出功率预测方法。首先，采用最大互信息相关性分析和主成分分析法，从气象数据中提取出综合气象因子。基于综合气象因子的频域特征，利用模糊 C 均值聚类将历史样本划分为不同的天气类型，再利用所得到的隶属度矩阵对样本加权。然后，利用加权后的样本对反向传播(back propagation, BP)神经网络进行训练，得到 FCM-WS-BP 预测模型。最后，经实验验证，所提方法与 BP 模型相比，预测结果具有更高的准确性，模型预测性能较好。

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考虑用户可调度潜力的频率调控分布式优化方法

潘廷哲, 王思卿, 徐迪, 金鑫, 刘智伟, 刘骁康

控制工程. 2023, 30(12): 2261-2266.

摘要 ( )

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电力系统的经济调度与频率调控问题是快时间尺度上的需求响应问题，但现有研究中很少讨论调度策略对频率调控的影响，往往忽略调度过程中电网频率的暂态变化。为了解决这些问题，将电力系统的经济调度模型和频率调控模型融合，建立了一种分布式的优化控制问题。该模型充分考虑了需求侧用户的可调控潜力和限制，并基于需求侧参与辅助调频的利益成本设计了分布式优化方法。此外，还对系统的稳定性和算法的最优性进行了理论分析，并在 IEEE-39 总线电力系统上验证了所提算法的有效性。

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园区综合能源系统的多时间尺度低碳调度

胡文博, 陈思安, 耿若曦, 肖楚鹏, 王振宇

控制工程. 2023, 30(12): 2267-2273.

摘要 ( )

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考虑到园区型综合能源系统(community integrated energy system, CIES)因可再生能源的引入所带来的不确定性以及因各种不同的能源设备所带来的复杂性，并且结合当下对于节能环保的高度重视，提出了一种针对园区综合能源系统的多时间尺度优化调度策略。首先对构成园区综合能源系统的各个能源设备进行数学建模，然后开始制定中长时间尺度的优化调度策略。长时间尺度为日前调度，其考虑园区综合能源系统的经济性和低碳性，利用预测信息制定园区一天的调度计划；中时间尺度为滚动优化调度，其以日前调度计划为参考，在目标函数中引入功率调整惩罚项，使用模型预测控制的方法，实现对负荷的精确响应。最后，通过仿真实验证明了所设计的多时间尺度策略的可行性和可靠性。

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基于多智能体强化学习的微电网能源交易

韦贵熙, 刘香港, 池明, 刘智伟

控制工程. 2023, 30(12): 2274-2279.

摘要 ( )

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微电网中的本地能源交易能有效地促进分布式可再生能源的本地消纳，避免与大电网间过多的电力交互。微电网用户作为独立的个体，可通过调整自身的用电策略，以及参与能源交易实现用电成本最小化。由于用户的分布式可再生能源的不确定性，以及能源交易市场竞价策略的随机性，导致用户难以找到最优的用电和能源交易策略。为此，提出了一种基于多智能体强化学习的能源交易方法，该方法能有效避免对复杂微电网能源交易系统建模，利用历史负荷数据进行训练得到各用户的交易策略，可部署到实时的能源交易中。该方法采用集中式训练和分布式执行的方法，在保障算法收敛性的同时充分保护了用户的隐私。仿真实验结果表明，该算法在降低微电网的峰值负荷的同时，还有效地降低了用户的用能成本。

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基于代理拉格朗日松弛的电-氢耦合网络优化调度

陈越, 俞耀文

控制工程. 2023, 30(12): 2280-2287.

摘要 ( )

可视化

针对电-氢耦合网络的调度问题，将电网与氢供应网协调优化，决定氢运输拖车的路径，并考虑氢运输的时效性，提出基于代理拉格朗日松弛的分布式求解方法。首先，考虑氢运输中拖车的行程和到达加氢站的时间等因素，以电网和氢供应网的运行成本最小为目标函数，建立电-氢耦合网络的混合整数线性规划调度模型；其次，根据代理拉格朗日松弛法将该调度问题分解成电制氢与氢供应子问题，并进行同步协调；最后，通过算例验证了所提模型及求解方法的有效性。

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模型预测控制在混合储能系统中的应用与挑战

安卓尔, 刘兴华, 胡逍, 康宇

控制工程. 2023, 30(12): 2288-2296.

摘要 ( )

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以滚动优化为核心的模型预测控制在电力系统控制领域获得了广泛应用，成为了处理带有复杂约束的多变量最优控制问题的研究热点。近年来，为改善混合储能系统的性能和维持电网的整体功率平衡，模型预测控制策略扮演的角色愈发重要。对模型预测控制的发展历程、表达形式及其控制性能进行了梳理，同时特别分析了基于混合储能系统中动态响应提升、荷电状态优化等问题中模型预测控制的应用情况并加以总结。最后，结合现有研究成果凝练出未来模型预测控制在混合储能系统中发展所需应对的挑战。

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含风能和电动汽车的互联电力系统容错负荷频率控制

刘兴华, 梁瑜茹, 田佳强, 乔思危

控制工程. 2023, 30(12): 2297-2306.

摘要 ( )

可视化

基于容错负荷频率控制方法，研究了互联电力系统执行器故障下系统的稳定性问题。首先，根据风力发电机和电动汽车的动力学特性，建立了含风力发电机和电动汽车的互联电力系统模型。然后，利用改进的滑模观测器对电力系统状态向量和故障向量进行估计。接着，基于估计结果，提出容错控制来保证系统发生执行器故障时的稳定性，并利用李雅普诺夫泛函理论，得到互联电力系统的稳定性准则。最后，通过仿真实例对考虑风力发电机和电动汽车的三区域电力系统进行验证，结果证明了所提出的容错控制方案的正确性和可行性。

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基于多智能体协同的储能集群自适应跟踪研究

王振宇, 王宇, 孙贝贝, 肖楚鹏, 许静

控制工程. 2023, 30(12): 2307-2312.

摘要 ( )

可视化

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，储能在新能源高渗透率条件下参与需求响应以及电网调控得到极大的重视。针对大量储能集群的有效调控问题，提出了一种基于多智能体分布式协同的储能集群指令自适应跟踪方法。该方法分为 2 个部分：第 1 部分是指令的事前分配，利用离线迭代的方式，将外部指令按照一定的比例分配到集群中各个储能单元上；第 2 部分，利用实时反馈的荷电状态(state of charge, SoC)控制方法，在保持对指令追踪的同时，实现 SoC 的平衡。通过仿真实验验证 SoC 控制后的各储能单元功率和用电量分配。仿真模拟结果表明，所提出的方法能使各储能单元达到 SoC 一致并且跟踪外部指令。与传统的集中式框架相比，采用分布式储能集群，能够对规模化储能集群进行有效管控，可降低系统通信数据量，且隐私性好。

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过载储能系统 SoC 快速均衡控制与分布式功率分配策略

吴涵, 陈盟, 柴利

控制工程. 2023, 30(12): 2313-2320.

摘要 ( )

可视化

储能系统过载时，保证荷电状态(state of charge, SoC)均衡并提升其调节不平衡功率的能力是目前亟待解决的问题。为提高过载储能系统的能量利用率，提出了基于 SoC 快速一致的功率分配策略与离散时间分布式控制方法。首先，利用分布式算法使其他储能电池跟踪到不平衡功率的平均值；然后，给出各储能电池的输出功率或输入功率的表达式，设计基于周期时变控制和多采样率控制的分布式平均一致算法，并给出平均一致算法的最优收敛率。理论分析表明，所提功率分配方案能够实现 SoC 快速一致，与已有功率分配方案相比，所提方法提升了储能系统对电网不平衡功率的调节能力。最后，通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

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微电网分布式发电计划跟踪观测器设计

付宇, 金鑫, 何肖蒙, 李跃, 黄博阳, 蔡永翔, 肖小兵

控制工程. 2023, 30(12): 2321-2326.

摘要 ( )

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微电网包含可再生能源。调度部门基于对可再生能源出力的预测制定相应的发电计划，并下发给发电机。但是在分布式发电控制过程中可能存在通信链路发生断连导致发电机无法获取当前发电计划的问题。神经网络对非线性函数有较强的拟合能力，因此，提出了一种基于神经网络的分布式发电计划跟踪观测器，该观测器可以辅助发电机在变化的拓扑下，通过分布式的通信协议还原发电计划量，提高分布式发电机对发电计划量的跟踪能力。并利用李雅普诺夫方法严格证明了所提观测器的收敛性。最后，通过仿真实验验证了所提观测器的有效性。

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基于有限时间动态平均一致的直流微电网二次控制

高浩林, 吴涵, 朱振华, 郑皖宁, 桑子夏, 黄家祺

控制工程. 2023, 30(12): 2327-2332.

摘要 ( )

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针对直流微电网下垂控制难以同时保证电压调节和电流精准分配的问题，提出了一种基于有限时间动态平均一致的二次控制算法。首先，为了得到虚拟压降的平均值，设计了动态平均一致算法，根据转换器补偿电压的估计值、二次控制电压和估计值之间的关系以及传统电压、电流之间的关系，建立电压调节和电流精准分配的模型；然后，设计了基于有限时间的动态平均一致算法来得到补偿电压的平均值，根据一阶微分系统有限时间稳定公式，证明该模型在有限稳定时间上可以实现电压调节和电流精准分配，并且能够得到稳定时间；最后，通过仿真实验验证了所提控制算法的有效性。

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直流微电网电压恢复与电流分配分布式控制策略

吴涵, 高浩林, 朱振华, 郑皖宁, 桑子夏, 黄家祺

控制工程. 2023, 30(12): 2333-2339.

摘要 ( )

可视化

针对直流微电网电压恢复与电流分配问题，提出一种基于离散时间分布式二次控制的分层控制方法。首先，基于下垂控制的压降来设计二次控制的输入，从而实现对下垂控制造成电压偏差的补偿；然后，对于二次控制输入中包含的全局信息，分别设计了一阶和二阶动态平均一致算法，用于实现对全局平均值的分布式估计，并给出了平均一致算法的收敛性分析和系统稳定性分析，建立了实现电压恢复和电流分配时控制参数与步长的表达式关系；最后，采用仿真实验验证了所提控制方法的可行性，并对比了所提 2 种算法下分布式二次控制的性能，实验结果验证了所提方法的可行性与有效性。

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面向网络攻击的交流微网周期事件驱动弹性协同控制

倪玺瑞, 孔政敏

控制工程. 2023, 30(12): 2340-2346.

摘要 ( )

可视化

微电网技术能够解决位置分散且数量庞大的分布式电源的并网问题，提高可再生清洁能源的有效利用率。但由于分布式控制的特性，微电网的通信网络容易受到网络攻击，导致被控对象偏离控制目标。针对该问题提出一种基于虚拟层的周期性事件驱动弹性协同控制，通过交换邻居通信节点附属的虚拟状态，实现对外部网络攻击的自适应补偿，并通过周期性事件驱动控制来减少系统的通信和计算量，以此补偿设置虚拟节点给系统带来的负担。最后，通过数值仿真，证明了所提方法能够削弱恶意网络攻击带来的影响，并很好地减少系统的通信量。

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考虑执行器故障的直流微电网主动容错控制

焦炎涛, 丁李

控制工程. 2023, 30(12): 2347-2354.

摘要 ( )

可视化

针对直流微电网电压调节控制系统中的执行器故障问题，提出了一种基于故障诊断观测器的 H_∞ 容错控制方案。首先，通过分析直流微电网的电气结构，构造了故障诊断观测器，并给出了基于传统自适应观测器的故障估计算法，实现了执行器故障的实时在线观测；在此基础上，利用故障信息，设计了基于静态输出反馈的 H_∞ 容错控制器，保证了直流微电网电压调节控制系统的稳定性；最后，采用仿真实验测试所提控制方案的性能。实验结果表明，相对于传统的被动容错控制，基于故障诊断观测器的主动容错控制在提升系统的鲁棒性与容错能力上具有更好的效果。

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2023年, 第30卷, 第12期　
刊出日期：2023-12-20

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