控制工程

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李鑫, 程勇, 陈薇, 陈熙鹏, 高翔, 张宏图

控制工程. 2023, 30(2): 193-199.

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水泥是建筑等行业必不可少的原材料之一，回转窑是水泥烧成的核心设备。水泥回转窑烧成系统是典型的多扰动、强耦合、大时滞的非线性系统，其导致回转窑温度难以控制，为克服这一难题，建立了基于遗传算法改进 BP 网络水泥烧成系统模型。在此基础上，利用全反馈极限学习机的双启发式动态规划(UFELM-DHP)算法设计回转窑烧成系统优化控制器。仿真结果表明，此算法可以实现回转窑烧成系统的稳定控制，且具有更快的控制速率。

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一类欠驱动系统的自适应跟踪控制器设计

蔡文玮, 王银河, 汤晓

控制工程. 2023, 30(2): 200-208.

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针对一类具有不确定参数的欠驱动系统，提出了一种自适应跟踪控制设计方法。为了解决模型的不确定参数，利用了模型的相似性结构信息合成了自适应跟踪控制器，并且基于 Lyapunov 稳定性理论证明了该自适应跟踪控制器能够保证系统跟踪误差渐近收敛到零以及涉及到的其他变量有界。最后的数值仿真结果验证了所提方法的有效性及可行性。

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线缆收卷的状态识别与智能控制算法研究

于富阳, 王旭, 魏希来, 刘宇

控制工程. 2023, 30(2): 209-214.

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目前工业线缆收卷采用收排线机和人工两种方式进行，收排线机工作效率高但缺少对线缆收卷缺陷的判断与修正，因此收卷质量远低于人工方式。因此，提出一种仿人识别和收卷控制的方法，对人工收卷中的观察识别和手动校正等环节进行模仿。基于模糊控制理论提出收卷控制系统，模仿人工收卷的“决策”过程，利用基于深度学习的视觉系统实现人工“观测”环节，排线横移速度的微调实现人工“校正”环节。经实验检验，多种神经网络对缺陷的识别准确率均达到 94%以上，且经模糊推理以及增量校正后，排线速度能够实现稳定连续调节。实验结果符合人工控制特征，证明了该方法能够代替人工进行线缆收卷过程的缺陷检测和调整。

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高频板式 DBD 臭氧发生器的鲁棒控制

翟维枫, 胡德燊, 刘庆, 李超, 董哲, 孙德辉

控制工程. 2023, 30(2): 215-221.

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为了增强高频臭氧发生器系统长期工作的稳定性和动态调节特性，对板式介质阻挡放电(DBD)臭氧发生器进行建模和推导，得出其数学模型，并在此模型的基础上使用鲁棒控制方法，设计了一个 H∞ 鲁棒控制器。通过仿真验证了控制器在臭氧发生器负载参数变化和外界干扰的情况下，系统能够快速地调节以达到原先设定的电压，实现系统的稳定输出。结果表明，使用该方法设计的控制器对板式 DBD 臭氧发生器系统的动态特性和系统的鲁棒性具有明显的提高作用，对工业上要求臭氧发生器需长期稳定地运行具有明显的参考意义。

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四旋翼无人机吊挂系统防摆控制方法研究

张珂, 赵笠焱, 石怀涛, 姚福星, 付玲

控制工程. 2023, 30(2): 222-230.

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为了解决四旋翼无人机在吊挂负载飞行过程中吊挂负载在其水平方向摆角波动过大、不能消除、四旋翼无人机无法精确定位等实际工程问题，通过能量分析的方法研究提出了一种基于能量分析的四旋翼无人机吊挂飞行系统非线性耦合防摆控制器。首先，采用拉格朗日法建立了四旋翼无人机吊挂飞行系统的二维动力学模型；然后，通过非线性能量耦合的方法设计了针对此系统的非线性耦合防摆控制器，通过拉塞尔不变性原理和李雅普诺夫方法证明了该闭环反馈控制系统的稳定性。结果表明，所提出的非线性能量耦合控制器能够适用于多种飞行运输情景，在其改变飞行目标位置、吊挂负载质量、附加初始摆动时均有良好的控制效果。最后，通过数值仿真，与其他基于能量分析的控制器，就其目标定位、摆角消除等控制效果进行了对比，结果表明所提出的控制器在改变飞行目标位置、吊挂负载质量、附加初始摆动时，均具有良好的鲁棒性。

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不确定时延离散网络系统的变结构保成本控制

姚合军, 高芳征

控制工程. 2023, 30(2): 231-237.

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针对一类带有不确定性和状态时延的网络系统，基于 Lyapunov 稳定性理论，利用变结构控制方法，研究了系统的保成本控制问题。首先，通过引入恰当的离散型时延补偿器，利用线性矩阵不等式方法设计了带有补偿器的新型滑模流形，并证明了滑模流形的稳定性。在此基础上，得到了系统变结构保成本控制设计方法和最大成本值求解方法。所得条件可以利用 MATLAB 进行求解，并能方便求解出最大成本值。最后，通过两个数值算例验证了所提方法的可行性和有效性。

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数据驱动的负荷频率系统自整定控制器设计

陈宗遥, 卜旭辉, 崔立志, 余威, 郭金丽

控制工程. 2023, 30(2): 238-244.

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在互联电力系统负荷频率控制系统中，存在建模不精确和工况大规模变化等一系列不确定性问题，使得固定参数的 PI 控制器难以取得预期的频率控制效果。针对以上问题设计了一种数据驱动参数自整定控制器，基于迭代反馈整定算法使 PI 控制器的控制性能达到最优状态，可维持电力系统的频率稳定。首先，基于 I/O 数据提出负荷频率控制系统的性能函数；然后，在闭环系统上进行两次实验并采集 I/O 数据；最后，通过迭代参数更新算法进行 PI 参数迭代寻优的过程。三区域互联系统仿真结果表明提出的数据驱动的 PI 参数自整定控制器具有良好的跟踪性能。

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基于频域分析的高阶加时滞模型辨识方法

王阳, 王亚刚

控制工程. 2023, 30(2): 245-250.

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工业生产中含有时滞环节的高阶过程对象，由于控制器结构复杂，采用直接设计控制器和传统模型降阶的方法实现起来比较困难，同时噪声会对控制器产生干扰，可能导致这些方法得不到满意的结果。针对这一问题，提出了一种高阶加时滞模型的频域辨识方法，通过对控制回路中过程对象的输入和输出信号进行频谱分析和拉普拉斯变换，得出过程对象在重要频率段上的频率响应特性，采用最小二乘法从幅值和相位两方面拟合成一个一阶或二阶加纯滞后传递函数，最终获得对象模型。通过 MATLAB 仿真结果验证了所提方法的有效性和精确性。

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执行器故障不确定系统的迭代学习容错控制

丁健, 颜艳, 张玉芳, 杨慧中

控制工程. 2023, 30(2): 251-256.

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针对含有执行器故障的不确定连续系统，提出了一种基于扩张状态观测器的迭代学习容错控制方法。首先，将实际故障执行器和理想线性执行器之间的偏差合并到系统总扰动中，并利用扩张状态观测器在批次内快速估计和补偿总扰动，保证批次内广义去扰动态模型的不变性；然后，基于广义去扰动态模型设计 PD 型迭代学习控制律，使系统在批次方向获得满意的跟踪性能，并研究执行器故障情形迭代学习控制系统的收敛性；最后，通过一个二阶控制系统的仿真实验验证了所提控制方法的有效性。

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基于矩阵解耦的精馏塔 VOFFLC 温控系统

汪洋, 江厚顺, 许冬进, 诸昌武, 杨瑞洪, 杨欢

控制工程. 2023, 30(2): 262-274.

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针对复杂的精馏塔 MIMO 温控系统的多变量、非线性、强耦合的特点和自适应需求，设计了基于矩阵解耦精馏塔的 VOFFLC 系统。首先，对温控系统的多变量控制模型进行改进，利用矩阵解耦理论实现对角解耦，以此改变控制通道的特性；然后，设计基于矩阵解耦的精馏塔 VOFFLC 温控系统，实现精馏塔的塔顶和塔底的自适应温控；最后，采用仿真实验，对所设计的多种温控系统进行性能比较。实验结果表明，VOFFLC 系统可以实现控制参数的自适应，具有更强的论域容错性和鲁棒性。

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输入饱和下永磁同步风力发电机的协调控制

王树青, 孙炜伟, 王高然

控制工程. 2023, 30(2): 275-283.

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针对永磁同步风力发电机(PMSWG)在最大功率跟踪(MPPT)过程中出现的输入饱和约束问题，提出了一种基于滑模抗饱和控制与端口受控 Hamiltonian(PCH)控制的协调控制策略。滑模抗饱和控制解决了 PMSWG 系统的输入饱和约束问题，并提高了系统的响应速度。PCH 控制提高了系统的稳定性和跟踪的准确性。协调控制策略的协调函数是基于双曲正切函数设计的，通过该协调函数可将两种控制方法联系在一起，共同实现对 PMSWG 系统的控制。仿真结果表明，该协调控制策略既能实现对 PMSWG 期望转速的跟踪控制，又能解决发电机运行过程中出现的输入饱和问题。

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基于光学透射法的浓密机泥层高度检测

张耘嘉, 崔东亮, 亢佳俊, 代学武, 冯吉波, 姚茗翰

控制工程. 2023, 30(2): 284-291.

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针对浓密机内部复杂环境下的泥层高度在线检测难题，提出了以浊度代替浓度，采用光学透射法以光强衰减来检测泥层高度的在线监测系统。基于朗伯比尔定律构建了高斯光束传播模型，描述了不同光程处的光斑大小、接收光强和矿浆浓度之间的关系，为光程设计、发光管发射角和接收管面积的选型提供了参考。同时提出了一种关键参数最优估计方法，以浊度的变化率来得到泥层高度。实验装置具有无需准直透镜聚焦、结构简单的优点。实验验证了模型和方法的可靠性，为浓密机泥层高度的实时监测提供了新的测量方式，可以达到提高运行效率、降低运行成本的目的。

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基于 CWGANs 数据增强的离心压缩机迁移建模方法

褚菲, 丁珮宽, 马小平, 王福利

控制工程. 2023, 30(2): 292-299.

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将传统迁移建模方法用于工业过程中的多台相似离心压缩机建模时，由于压缩机之间的数据不平衡会出现“负迁移”问题。针对这一问题，提出了一种基于 CWGANs 数据增强的离心压缩机迁移建模方法，以实现多台压缩机建模数据均衡化并改善迁移建模效果。首先，使用条件式 Wasserstein 生成对抗网络产生多台离心压缩机运行数据以平衡数据集，并改善了初始生成对抗网络训练不稳定的情况；然后，基于多任务最小二乘支持向量机提出了压缩机迁移建模方法，根据压缩机之间的相关性，利用平衡后的数据集建立多台目标压缩机的预测模型。实验结果表明，所提方法可以实现多台相似离心压缩机的统一建模，同时克服了数据不均衡时的“负迁移”问题，提高了最终模型的泛化性和预测精度。

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电动汽车永磁同步电机的有限元分析及优化

王冬梅, 白锐, 冯达, 甘源

控制工程. 2023, 30(2): 300-306.

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驱动电机的优化设计是电动汽车的关键技术之一。以一台额定功率 45 kW、额定转速 3 000 r/min 的电动汽车永磁同步电机为研究对象。首先，利用磁路法得到电机的初步设计方案，并利用有限元法对电机进行电磁场分析，验证初步设计方案的合理性，并通过永磁体斜极的方法改善了空载反电动势波形。然后，采用遗传算法对电机的设计参数进行优化，计算结果显示，齿槽转矩、空载气隙磁密及永磁体用量等参数优化效果显著。最后，分析了设计电机在不同工况下的性能，通过参数化分析计算得到电机效率 MAP 图，对设计电机整个运行范围的性能以及损耗情况进行分析，证明了优化设计方法的有效性。

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混合 EDA 求解绿色机器人 U 型装配线平衡问题

刘梦园, 胡蓉, 钱斌

控制工程. 2023, 30(2): 307-315.

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针对带序相关约束的绿色机器人第 2 类 U 型装配线问题(GRSDUALBP-2)，建立了以同时最小化节拍时间和能耗为优化目标的数学模型，并提出一种混合分布估计算法 (HEDA)进行求解。首先，在算法编码解码阶段考虑工序与机器人分配的协同优化，设计一种操作分配规则以提高解码效率；然后，在算法优化阶段采用基于概率模型的分布估计算法(EDA)，以有效积累和学习优质解信息，并设计 3 种邻域策略以进一步提高算法局部搜索性能；最后，通过仿真实验与算法对比，验证了 HEDA 是求解 GRSDUALBP-2 的有效算法。

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基于线性自抗扰的超级电容储能变换器控制

刘科君, 董建园

控制工程. 2023, 30(2): 316-323.

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针对超级电容储能系统应用于间歇性大功率场合外部扰动的随机性和非线性问题，通过分析超级电容储能系统结构和工作原理，基于超级电容器和三相交错并联双向直流变换器的工作特性分析和数学模型，提出了一种电压外环线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control, LADRC)，电流内环 PI 移相均流控制的超级电容储能变换器控制方法，论述了线性自抗扰控制所需的参数整定过程，并在 MATLAB/Simulink 中进行仿真验证。结果表明，在直流母线电压与负载扰动的情况下，上述改进控制方法较 PI 控制可有效抑制直流母线电压波动，改善超级电容储能系统的动态响应速度和抗干扰能力。

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风-光-热-水互补发电优化调度策略

汪玉凤, 仝昊

控制工程. 2023, 30(2): 324-331.

摘要 ( )

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近年来，随着大规模的新能源发电机组并入电网，给电力系统调度带来了巨大的挑战。由风电、光伏、光热和水电 4 种能源可构成互补发电系统，在综合考虑互补系统的各个经济指标（售电效益、环境效益、运行维护成本、购电成本等）、功率波动以及电网安全运行的约束的条件下，建立了以互补系统并网效益最大和输出功率波动方差最小为目标的多目标优化模型。最后，利用改进多目标粒子群优化算法(MOPSO)，通过 IEEE30 节点算例系统验证了所提方法的可行性和有效性。仿真结果表明，相对于风电、光伏、光热互补系统而言，水电站的参与可以提高 11%的并网经济效益，减小 82.2%的输出功率波动；采用改进 MOPSO 算法求解此多目标问题可以提高 3.6%的经济效益，减小 14 MW 的功率波动。

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单向混合三相电压航空整流电路功率控制

张爽, 曹太强, 胡杰, 卢俊民, 代锦

控制工程. 2023, 30(2): 332-338.

摘要 ( )

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为了满足航空中频电源高效率、高可靠性及低谐波畸变率的要求，针对单向混合三相电压型整流器(UHTPVSR)拓扑结构特点，提出了一种最优功率控制策略。首先，对 UHTPVSR 进行总功率计算，按 Vienna 整流器承担较小负载功率，且确保其输入电流不失真的情况下，得到 Vienna 与 SSTPR 之间的最优功率配比；其次，通过输出功率瞬时值，按最优功率配比，计算出功率外环有功参考电流的前馈参考值，从而设计内环无源电流控制器。理论分析和仿真结果表明，当功率配比 aa =0.5 Pk 时，UHTPVSR 效率为 90.3%，SSTPR 效率为 94%，Vienna 效率为 86.7%，且 UHTPVSR 谐波畸变率为 3.3%。

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具有落角约束的全局复合滑模制导律

赵子恒, 包长春

控制工程. 2023, 30(2): 339-344.

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为实现对运动目标的精确打击，以脱靶量与终端落角为约束条件，提出了一种全局复合滑模制导律。首先，建立俯仰平面的一体化模型，讨论视线角速率与弹道倾角间的变化关系，为保证系统的全程鲁棒性，采用全局滑模控制器设计切换函数。接着，为提升制导过程中系统的动态特性，采用幂次趋近律并对其改进以提升系统的自适应能力。然后，采用李雅普诺夫函数验证系统的稳定性，并添加白噪声验证系统的抗干扰能力。最后，为解决滑模控制中广泛产生的抖振问题，运用饱和函数代替趋近律中的开关函数，抖振现象得到了有效抑制。结果表明，该制导律可实现在不同落角约束下对运动目标的精确打击，并具备一定的抗干扰能力。

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超声波电动机自适应滑模控制器设计

严刚峰

控制工程. 2023, 30(2): 345-351.

摘要 ( )

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超声波电动机作为控制系统的执行器，被广泛应用于精密制造的驱动设备中。首先，为选择的超声波电机控制系统建立了近似的时域数学模型，使用最小二乘方法辨识了该系统模型的参数；然后，设计了一种连续切换自适应滑模控制器，并应用于超声波电机系统的控制，给出了超声波电机控制系统的稳定性检测方法，以及所设计控制器的参数选择方法；最后，采用传统滑模控制方法和所设计的控制方法跟踪相同的位置信号，取得了较好的控制效果。结果表明，对于跟踪幅值为 40 mm 的位置信号，在较小抖振的前提下，传统滑模控制方法的最大跟踪误差为 0.896 5 mm，连续切换自适应滑模控制的最大跟踪误差为 0.164 6 mm，且无抖振。

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未知扰动下双起升桥吊时变滑模同步控制

朱鑫磊, 徐为民, 尤智腾, 许贤先, 胡强

控制工程. 2023, 30(2): 352-360.

摘要 ( )

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为实现双起升桥吊系统在未知扰动下的同步控制，提出了一种基于变增益扩张状态观测器的时变滑模控制方案。首先，基于耦合误差设计了一种新的时变滑模面，可有效消除趋近阶段，确保初始状态系统的全局鲁棒性；其次，改进的超螺旋算法有效抑制控制器中的抖振现象；然后，变增益扩张状态观测器的设计是为了估计补偿系统中存在的非匹配干扰，有效增强了控制器的鲁棒性；此外，李雅普诺夫理论用于证明受控系统的稳定性。最后，通过仿真验证了所设计的控制器可以有效实现双起升桥吊系统的同步控制。

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基于融合聚类的篦冷机工况划分与识别研究

陈梅, 陈熙鹏, 陈薇, 程勇, 高翔, 褚彪

控制工程. 2023, 30(2): 361-367.

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篦冷机的运行性能是决定整个水泥生产过程的能源利用效率的重要因素，而准确把握工况状态则是保证冷却过程的运行性能处于最优的前提。以篦冷机为研究对象，提出一种基于融合聚类的篦冷机工况划分与评价方法。首先，通过分析与 3 种典型工况相关的专家知识及操作经验，选取篦下压力和窑主机电流为检测参数；然后，利用融合聚类算法得到不同运行工况下的聚类标签；最后，利用 RBF-SVM 算法对得到的聚类标签进行训练得到工况识别模型。利用水泥企业的现场运行数据进行了仿真实验，实验结果表明所提方法为提高水泥冷却过程的运行性能提供了一套可行方案。

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采用通道域注意力机制 Deeplabv3+算法的遥感影像语义分割

徐长友, 樊绍胜, 朱航

控制工程. 2023, 30(2): 368-375.

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为提取高分辨率遥感影像的典型地物，且针对 Deeplabv3+在遥感图像分割任务中，边缘分割比较模糊，存在孔洞和遗漏分类的问题，基于深度学习提出在 Deeplabv3+ 加入通道注意力机制模块以增强分割结果的方法。先通过深度卷积网络得到的高级特征图输入到通道注意力机制，进行通道间像素特征强化，再通过空间金字塔池获得多尺度输入图像，并且进行了类别不平衡的修正，提取出了完整的图像分割信息，实现了分割边界信息的优化。最后，通过采集广州市高分二号遥感影像进行遥感数据处理、标注、增强之后进行实验，对比经典语义分割网络 U-Net、SegNet、PSPNet，结果表明，该方法的评估指标 MIOU 达到了 96.19%，MPA 达到了 97.85%。

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基于记忆对抗网络的监控视频异常检测

郑博元

控制工程. 2023, 30(2): 376-384.

摘要 ( )

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生成对抗网络是近年来解决视频异常检测的一类新方法。传统对抗网络对异常样本预测的泛化能力过强，进而导致预测性能不稳定。针对这一问题，提出一种基于记忆对抗网络的监控视频异常检测方法。首先，将记忆模块引入基于 U-Net 的预测网络与判别网络的对抗学习框架中，构建记忆对抗网络，以提升模型对正常视频帧的预测能力；其次，为记忆对抗网络设计了基于特征紧致度与分离度的新损失函数，提升了训练过程收敛的可靠性；此外，提出了基于记忆损失的异常性评估方案，以提升异常检测的准确性。通过对未来帧与预测帧的 PSNR 值和视频帧特征与记忆特征间距离的融合，进一步提升了模型的异常检测效果。消融实验验证了各改进部分的有效性；同其他算法相比，所提方法表现出良好的竞争力。

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2023年, 第30卷, 第2期　
刊出日期：2023-02-20

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