控制工程

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王印松, 丁梦婷, 孙天舒, 李牡丹

控制工程. 2023, 30(4): 577-582.

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为提高控制系统随机性能评价的准确性，克服传统相对熵指标非对称、无界的问题，提出一种基于改进相对熵指标(IREI)的控制系统性能评价方法。该方法首先将原始相对熵指标改进为对称有界的测度指标，即 IREI；然后采用核密度估计法计算过程数据的概率密度函数，通过引入蒙特卡罗模拟以逼近非高斯分布情况下的指标值。最后，利用 MATLAB/Simulink 建立包含非高斯噪声扰动及调节阀劣化的仿真模型，设计一致性检验与随机扰动检验实验，将 IREI 与确定性指标及最小方差指标进行对比。对比结果表明，该方法可以灵活有效地评价控制器性能。

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PTM 不确定性的间歇过程优化补偿控制策略

褚菲, 汪一峰, 王嘉琛, 贾润达, 陆宁云

控制工程. 2023, 30(4): 583-589.

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过程迁移模型是实现数据不足情况下间歇过程高效建模的有效方法。然而，相似过程之间的差异性和模型不确定性因素，加剧了模型与实际过程之间的不匹配程度。针对过程迁移模型中不确定性问题，提出一种基于修正自适应优化和自校正补偿的策略。首先，利用基于修正自适应策略的批次间优化逐步消除相似过程之间的差异所产生的负面影响。然后，采用自校正补偿策略进一步补偿通过批次间优化得到的次优设定值。此外，模型更新时添加了数据剔除，提升了后续的优化效果。最后，利用草酸钴合成过程的仿真实验，验证了所提方法的有效性。

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一种间歇测量下产品质量轨迹跟踪控制方法

薛松涛, 赵忠盖, 刘飞

控制工程. 2023, 30(4): 590-596.

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在间歇过程中，传统工艺缺少产品质量的在线传感器，因此很难直接跟踪产品质量轨迹。基于过程变量与产品质量之间的偏最小二乘(PLS)模型，提出一种间歇测量下产品质量轨迹跟踪控制方法。在批内设定时间窗口，首先利用缺失数据算法估计未知的过程变量，再根据过程变量预测产品质量，并采用迭代学习控制和模型预测控制(MPC)相结合的方法设计控制器，达到跟踪当前批次产品质量设定点的目的。该方法采用移动窗口实现 MPC 的滚动优化，克服了批间和批内的干扰，从而使输出轨迹能精确跟踪期望轨迹。最后，在连续搅拌反应釜(CSTR)上进行仿真研究，仿真结果说明了该方法的有效性。

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基于随机森林的大型公共建筑能耗混合预测模型

于军琪, 虎群, 赵安军, 高之坤, 成浩, 张娜

控制工程. 2023, 30(4): 597-604.

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针对公共建筑能耗预测模型中影响变量相关性低、冗余性高的问题，提出了基于二氧化碳浓度的公共建筑人员流动率间接测量方法，以提高模型的预测精度，并提出了一种大型公共建筑能耗混合预测模型。首先利用 LASSO 变量选择算法筛选出与公共建筑能耗相关性高的影响因素，再引入改进的并行排序蚁群优化算法对随机森林预测模型的参数进行优化，进一步提高预测性能。最后，以西安某公共建筑监测数据为例进行预测分析。结果表明，人员流动率对公共建筑能耗预测有着重要的影响，所提模型的泛化能力强、预测精度高，可以为公共建筑节能优化提供有效的数据支撑。

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基于能量法的多自由度欠驱动塔机防摆控制

陆峰, 张义星, 石怀涛, 赵金宝

控制工程. 2023, 30(4): 605-612.

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为了解决塔式起重机二维空间建模参数不全以及三维建模对模型线性化导致模型不准确的问题，建立塔式起重机三维非线性化模型，基于系统能量分析研究了台车驱动与大臂转动、负载空间内摆角的关系，设计了带有积分项的控制器，然后通过李雅普诺夫方法对系统稳定性进行了证明。最后，仿真结果表明，与已有的成熟的控制方法相比，所提控制器的运送效率更高，抑制负载摆角的效果更好，台车位移与大臂转角的定位更准确，抗干扰能力更强。同时，在不改变系统控制增益的基础上，改变台车目标位移和大臂目标转角，系统仍保留上述特点。所提控制器具有更稳定的控制效果和更强的适应性。

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基于改进 Sage-Husa 算法的锂电池 SOC 估算方法研究

邱劲松, 王顺利, 范永存, 余鹏, 刘冬雷, 杨潇

控制工程. 2023, 30(4): 613-619.

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针对复杂工况下难以估算锂电池荷电状态(SOC)的问题，提出一种基于协方差匹配技术的改进的 Sage-Husa 自适应算法。改进的 Sage-Husa 自适应算法通过在 Sage-Husa 自适应算法基础上引入判断滤波是否发散的协方差匹配判据，确保滤波发散时更新噪声的统计特性，滤波收敛时无须重复更新噪声，从而提高了算法的鲁棒性和计算效率。实验结果表明，改进的 Sage-Husa 自适应算法在动态应力测试(DST)工况和北京公交动态应力测试(BBDST)工况下的 SOC 估算误差均小于 2%，收敛时间小于 50 s，证明了该算法在复杂工况下具有较高的估算精度和较快的收敛速度。

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基于改进遗传算法的电气设备仓库货位优化

张延华, 姜雄文

控制工程. 2023, 30(4): 620-628.

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货位分配问题是自动化立体仓库优化的关键。针对传统遗传算法难以收敛至全局最优解的问题，提出了一种改进遗传算法的电气设备仓库货位优化方法。该方法根据优化目标构建了数学模型，使用拉丁超立方抽样法对算法初始化环节进行优化；为了克服遗传算法的局部搜索能力差和收敛速度慢问题，使用改进自适应交叉变异及逆转操作和模拟退火操作构成改进模拟退火遗传算法。实验结果表明，相比于传统遗传算法的求解结果，改进算法显著提高了对目标函数的优化，并且其收敛性和稳定性更佳，该算法在实际工程应用中提出了有效的解决方案。

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串级控制系统模型矩量辨识方法

褚伟, 王亚刚, 徐闯

控制工程. 2023, 30(4): 629-636.

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针对现代工业过程串级控制系统的对象模型辨识问题，提出一种新的基于系统正常运行数据的闭环矩量辨识方法。该方法仅需得到一次设定值变化的正常运行数据，采用梯形积分的方法计算得到传递函数两次求导的值，再运用极小化误差方法和最小二乘法对数据拟合，从而解得二阶含滞后模型的四个未知参数，进而辨识出串级控制系统的内环和外环模型。最后，通过 MATLAB 进行多次仿真实验。仿真结果表明，该辨识方法不仅具有普适性和极高的辨识精度，而且对噪声信号不敏感，具备良好的鲁棒性。

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压缩感知结合高斯过程回归的锂电池 SOH 估计

贺宁, 钱成, 李若夏, 刘利强

控制工程. 2023, 30(4): 637-648.

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针对锂电池健康状态(SOH)估计，提出一种结合了基于压缩感知(CS)的容量增量曲线(ICC)特征提取与高斯过程回归(GPR)的估计方法。该方法从充电电压中提取 ICC 特征数据作为电池的健康特征(HF)；针对原始 ICC 不准确且易受噪声干扰的问题，使用 CS 扩充数据维度以得到更加准确且平滑的 ICC；通过相关性分析法选取 ICC 中相关性高的分量作为描述电池 HF 的参数，然后使用 GPR 建立电池容量退化模型用于估计 SOH，并利用遗传算法优化超参数。最后，使用美国航空航天局(NASA)公开的四个电池数据集验证所提方法的准确性。实验结果表明，所提方法具有较高的估计精度和可靠性。

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基于降阶迭代的振动系统部分特征结构配置

余培照, 王闯, 李孟孟

控制工程. 2023, 30(4): 649-654.

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采用速度-位移主动控制，提出了一种解决振动系统部分特征结构配置问题的新方法。首先，利用部分特征结构配置的无溢出特性，给出了振动系统速度-位移反馈控制器的参数化表达式。然后，从闭环系统特征关系出发，将部分特征结构配置问题转化为西尔维斯特矩阵方程的求解问题。接着，对西尔维斯特矩阵方程进行降阶处理，并将其转化为等价的低阶矩阵方程组。之后，通过构造新的迭代格式求解矩阵方程组，并由此得到控制器的数值解。最后，进一步给出了迭代格式的收敛性证明及部分特征结构配置问题的求解算法。数值算例验证了所提算法的有效性。

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分数阶直驱风力发电机模糊混沌控制

杨莉, 胡蕾, 罗光伟, 黄天民

控制工程. 2023, 30(4): 655-661.

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研究了分数阶直驱永磁同步发电机(D-PMSG)混沌模型的稳定性与控制器设计问题。首先，针对 D-PMSG 中实际电感和电容存在的分数阶特性，建立了分数阶 D-PMSG 混沌模型，采用分数阶稳定性理论分析其混沌特性。然后，针对 D-PMSG 非线性模型，采用 Takagi-Sugeno(T-S) 模型建立其线性子模型，并分析其混沌运行状态。最后，利用并行分布补偿(PDC)控制方法设计模糊状态反馈控制器，采用分数阶李雅普诺夫稳定性理论，以线性矩阵不等式形式给出系统 Mittag-Leffler 稳定的充分条件。仿真结果表明，所设计的控制器能有效消除 D-PMSG 中的混沌运动现象，具有较好的控制效果和较强的鲁棒性。

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基于 CNN 的高层住宅建筑群热负荷混合预测模型

赵安军, 席江涛, 荆竞, 高之坤, 米璐

控制工程. 2023, 30(4): 662-672.

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针对传统热负荷预测面向单栋住宅，预测负荷无法满足小区级换热站及热网优化调控需求的问题，提出一种基于卷积神经网络(CNN)的高层住宅建筑群热负荷混合预测模型。首先，引入建筑体形参数，利用 LASSO 模型对热负荷影响因素进行筛选；然后，采用缎蓝园丁鸟优化(SBO)算法优化 CNN；最后，利用西安市 10 个住宅小区的相关运行数据对所提模型进行训练和测试。实验结果表明，输入参数引入建筑体形参数后，模型预测精度更高；经 SBO 算法优化后的 CNN 模型较传统 CNN 模型具有更好的拟合优度、预测精度和泛化能力，满足工程实际需求。

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考虑时变输出受限的机械臂自适应容错控制

朱一平, 刘加朋, 于金鹏, 于海生

控制工程. 2023, 30(4): 673-679.

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针对机械臂执行器失效故障，提出了一种基于障碍李雅普诺夫函数的有限时间模糊自适应容错控制方法。该控制方法引入自适应技术用于估计执行器的失效程度，补偿执行器故障带来的损失，保证了控制器的控制效果，并采用模糊逻辑系统使得控制律中无须模型参数，从而增加了控制系统的适用性。该控制方法能够保证闭环系统的所有信号和状态是有限时间有界，关节位置的跟踪误差收敛到原点的一个小邻域内，在机械臂运行过程中不违反时变约束要求。最后，将所提控制方法应用于二自由度刚性机械臂，仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

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考虑负荷均衡的居家医疗护理路径与调度

王伟, 付亚平, 浦徐进, 丁锋, 张吉珂

控制工程. 2023, 30(4): 680-686.

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随着人口老龄化的日益加剧以及公共卫生资源的短缺，养老问题已经引起社会的广泛关注。居家医疗护理模式能够缓解因人口老龄化引起的医疗资源紧缺的局面。以居家医疗护理人员路径与调度问题为研究对象，考虑医护人员工作负荷的均衡需求以及服务对象对服务水平要求的不同，建立了以最小化医护人员总工作时间为目标的机会约束规划模型。针对该问题的特点，设计了基于全邻域搜索的模因算法进行求解。在算例实验中，所提模型与算法给出了较优的解决方案，与其他方法的对比结果进一步表明了所提模型与算法的有效性。所提模型与算法为解决居家医疗护理人员路径与调度问题提供了思路。

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SiC 器件在高速永磁电机转速跟踪控制中的应用研究

蒋冬, 赵金星, 胥阳, 李晨

控制工程. 2023, 30(4): 687-693.

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针对高速永磁同步电机(HSPMSM)的电感值小、基波频率高等特点，以及 Si 基 IGBT 开关速度和电压等级限制而引起的电机运行过程中定子电流谐波含量高、发热严重和响应延迟大的问题，研究 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在 HSPMSM 转速跟踪控制中的应用。通过双脉冲测试电路分析了 SiC 和 Si 器件的开关特性，结果表明 SiC MOSFET 具有更快的开关速度和更低的开关损耗。基于 Simulink/PSpice 联合仿真，搭建了 HSPMSM 矢量控制仿真模型。仿真结果表明，采用 SiC 器件的逆变器能加快电机转速响应速度，减少电流高次谐波，提高输出稳定性，从而提高转速跟踪性能。

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基于变权重组合的电气设备温度预测模型

马骁雨, 张慧芬, 刘宗杰, 张驰

控制工程. 2023, 30(4): 694-702.

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针对电气设备温度预测问题，提出一种变权重组合预测模型。首先，建立反馈神经网络、灰色模型、差分自回归移动平均模型三种单一预测模型。针对反馈神经网络易陷入局部最优的缺点，采用麻雀搜索算法进行优化。然后，利用灰色关联度对层次分析进行改进，实现各单一预测模型对应权重值的自适应计算，并外推权重值。最后，对三种单一预测模型的预测值进行加权求和。利用某地区变压器顶层油温数据进行实例分析，算例结果表明，使用改进层次分析法实现的变权重组合预测模型在整体预测精度与稳定性方面明显优于单一预测模型，可较好地应用在电气设备温度预测中。

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改进 CenterNet 算法的煤矿皮带运输异物识别研究

任志玲, 朱彦存

控制工程. 2023, 30(4): 703-711.

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为了实现运煤皮带运行时对进入其中的异物快速准确识别，防止皮带撕裂现象的发生，提出了一种改进的 CenterNet 运煤皮带异物检测算法。首先，对煤矿井下图像进行预处理，使其适应 CenterNet 算法，提高网络对目标图像检测的有效性；然后，对网络进行改进，将残差模块中的标准卷积替换成深度可分离卷积，有效降低网络计算量，减少冗余；接着，采用组规范化作为优化规范化方式，降低了对硬件设施的要求；最后，使用加权特征图融合方法，充分利用各层提取的特征，提高网络的检测准确率。实验结果表明，针对异物目标尺寸差异较大且分布不均匀的情况，改进后的 CenterNet 算法降低了目标的误检率和漏检率，可有效提升检测速度和异物识别精度。

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一种有效的银屑病医学影像分割算法研究

余刚健, 杨晶东

控制工程. 2023, 30(4): 712-721.

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针对临床银屑病样本图像分割精度不高和分割结果出现的像素栅格化问题，提出了一种有效的 U-net 医学图像分割改进方法。该方法采用对比度受限的自适应直方图均衡化(CLAHE)算法对银屑病样本图像进行预处理，采用跳跃连接 Inception-Res A 模块代替经典 U-net 特征提取单元，并采用马尔可夫随机场后处理进一步提升分割精度。针对长征医院临床银屑病样本进行实验，实验结果表明改进的 U-net 模型的 Dice 系数和 Jaccard 系数分别为 88.4%和 79.5%。与传统 U-net 模型相比，该模型具有较高的分割精度和较好的泛化性能，同时减少了医学图像分割结果的栅格化问题。

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基于注意力 Unet 的多尺度胎儿图像分割方法

上官天钧, 丁学明, 王霞红, 于舟欣

控制工程. 2023, 30(4): 722-729.

摘要 ( )

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针对使用传统机器学习方法分割胎儿图像中头部和股骨的精度较低且效果差，提出了一种新型的注意力 Unet 架构。在注意力 Unet 中加入了通道注意力机制平均最大模块 (AMB)，将原有的卷积层模块替换为不同卷积块组合的 InceptionV2+模块，并在网络深层处加入了不同尺寸的空洞卷积模块。同时，研究了 Dice 损失函数和 Focal 损失函数相结合替换二元交叉熵对图像分割效果的影响。实验结果表明，所提方法对胎儿头部和股骨图像的分割效果良好，在准确率、Dice 系数、交并比(IOU)、豪斯多夫距离(HD)评价指标方面优于如今主流的医学图像分割方法。

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基于四轮差速模型的多机器人路径规划

丁皓, 刘浩宇, 庄逸, 阚孟菲, 夏冬阳, 丁思吉

控制工程. 2023, 30(4): 730-738.

摘要 ( )

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针对多机器人路径规划问题，设计了一种基于四轮差速模型的多机器人路径规划系统。首先，对单个移动机器人底盘进行建模分析，建立底盘位姿变化与速度之间的运动学关系。其次，改进机器人的全局路径规划 A*算法，并结合建模分析的结果，使用局部路径规划动态窗口算法(DWA)推导机器人运动轨迹，实现多机器人动态避障功能。最后，搭建机器人实物模型和实验场景，通过机器人操作系统(ROS)平台设计多机器人自主导航，在实验场景中对所提方法进行验证，实验结果表明了该方法的可行性和稳定性。

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分布式伪线性卡尔曼滤波纯方位跟踪

张俊根

控制工程. 2023, 30(4): 739-745.

摘要 ( )

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针对纯方位跟踪(BOT)的非线性滤波和距离可观测性较差问题，提出了一种新的分布式多传感器辅助变量伪线性卡尔曼滤波器(DM-IVPLKF)。该滤波器利用辅助变量伪线性卡尔曼滤波器(IVPLKF)独立处理目标测量值，通过偏差补偿伪线性卡尔曼滤波器（偏差补偿 PLKF）解决由于量测向量与伪线性噪声相关而产生的偏差，将递归辅助变量估计方法嵌入偏差补偿 PLKF 中，对目标状态估计和协方差进行修正。所提算法利用多传感器最优信息融合准则，对目标状态进行融合估计。然后，推导了多传感器 BOT 的克拉默-拉奥下界(CRLB)。通过仿真实验，将所提算法与传统算法进行对比，仿真结果证明了所提算法具有较高的跟踪精度。

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基于改进朴素贝叶斯的脱硫循环泵启停优化

郑茗友, 王伟, 赵文杰

控制工程. 2023, 30(4): 746-752.

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石灰石-石膏湿法烟气脱硫(WFGD)装置是燃煤电厂的主要耗能设备，而浆液循环泵又是脱硫系统的主要耗电设备。在实际运行中，浆液循环泵投运台数主要依赖于运行人员的人为判断，从而影响了整个系统的脱硫效率与经济性。针对朴素贝叶斯算法中“属性条件独立性假设”的局限性，提出一种基于属性相关度的加权朴素贝叶斯算法。在对浆液循环泵的启停进行判断时引入相关性权重因子，并对训练集的选取与模型的输出进行优化，以提高浆液循环泵启停判断的准确性，实现脱硫系统浆液循环泵的经济运行。测试结果表明，改进的模型能够提升判断的准确度，减少误判的发生，对脱硫系统的智慧运行具有指导意义。

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多重网络攻击下的 CV 变结构积分滑模控制

郭相君, 岳伟, 邹存名

控制工程. 2023, 30(4): 753-764.

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针对多重网络攻击影响下网联车辆(CV)的控制问题，提出了一种变结构积分滑模控制方法。首先，建立了一种新的同时考虑多重网络攻击的 CV 模型，在该模型基础上设计变结构观测器估计多重网络攻击影响下的 CV 状态，并利用李雅普诺夫方法实现了估计误差的渐近收敛。然后，提出了一种基于变结构观测器的积分滑模控制方法，通过求解线性矩阵不等式，证明了该方法能在有限时间内将系统状态轨迹驱动到所设计的滑模面上。最后，通过数值仿真验证了在不同情况下（急加速、频繁加减速和非零初始间距误差），所设计的控制器可以有效应对多重网络攻击带来的显著性影响，实现整个闭环系统的渐近稳定性、鲁棒性和队列稳定性。

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电子信息领域硕士研究生工程伦理课程建设

周林娜, 常俊林, 代伟, 杨春雨

控制工程. 2023, 30(4): 765-768.

摘要 ( )

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科学技术的不断进步和发展使现代工程越来越复杂，对社会和自然的影响也越来越深远，工程技术人员职业伦理道德的培养至关重要。针对电子信息领域硕士研究生培养，分析了目前工程伦理课程在教材、师资以及教考模式方面存在的问题，探讨了教学方法、教学案例、课程内容、考核方式的改革措施，以期为电子信息领域硕士研究生工程伦理课程建设提供参考与借鉴。

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2023年, 第30卷, 第4期　
刊出日期：2023-04-20

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