2023年, 第30卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-20

  

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  基于 MPC-DRPID 的电子节气门控制

  张振东, 孟威, 徐浦, 毕珂珂

  控制工程. 2023, 30(6): 961-968. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210575

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  为了提高汽车发动机中电子节气门控制系统的动态性能和抗扰能力，根据电子节气门的机械结构建立非线性模型，针对节气门的非线性特性，设计跛行角补偿器进行补偿。 同时，提出了一种串级结构的模型预测控制-抗扰 PID(model predictive control-disturbance rejection PID, MPC-DRPID)复合控制器。内环采用具备主动抗扰能力的 DRPID 控制器，该控制器可实时补偿总扰动，将系统补偿为具有理想动态响应特性的期望模型；外环将 DRPID 与节气门视为广义对象，采用输入扰动模型的无偏模型预测控制来优化内环的控制性能，同时提升系统的抗扰性能。该复合控制方案不需要复杂的模型信息，可在模型存在不确定性和不定扰动的情况下具有良好的伺服性和鲁棒性，且该复合控制方案不易发生模型失配，内环控制器参数整定简便，符合工程实际。仿真和实测均表明了该方案的优越性。
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  网络环境下无人艇定位系统的主动容错控制

  朱可嘉, 周子天, 王友清

  控制工程. 2023, 30(6): 969-980. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200677

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  为了更好地解决水面无人艇自行运作时的故障，以通信网络环境下的水面无人艇 (unmanned surface vehicle, USV)为研究对象，设计了故障观测器和容错控制器。根据通信网络的特性，设计了事件驱动反馈策略、无人艇的控制输入和观测器的输入，使得双通道网络波动形成的多个时延项的延迟时间保持一致，保证了观测器具有与无人艇相同的控制输入，从而极大地降低了设计复杂度。通过分析水面无人艇位置定位系统的动力学方程， 以及所设计的事件驱动规则，建立了网络环境下的无人艇位置定位系统的 T-S(TakagiSugeno)模糊模型。并针对无人艇位置定位系统中存在的传感器与执行器故障，设计了状态与故障估计观测器、容错控制器，可使水面无人艇位置定位系统对传感器故障与执行器故障都具有一定的容错能力，并通过仿真实验验证了所设计算法的有效性。
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  状态约束自主水下机器人的自适应有限时间跟踪控制

  范敬梓, 赵林

  控制工程. 2023, 30(6): 981-989. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210182

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  针对状态约束情况下自主水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)的跟踪控制问题，提出了一种自适应命令滤波有限时间控制方案。该控制方案在保证系统有限时间收敛的前提下，不仅使用命令滤波器规避了虚拟控制信号高阶导数的使用，解决了计算复杂性问题，而且构建了有限时间误差补偿信号来避免由于使用滤波器而产生的滤波误差对控制性能的影响，同时利用径向基函数神经网络逼近技术处理系统中的未知非线性动态。最后，证明了所提出的控制器可以保证位置跟踪误差在有限时间内收敛到期望邻域内， 同时不超过预先定义的状态约束。通过仿真实验验证了所提控制方案的合理性与可行性。
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  未知崎岖地形下四足机器人复合抗扰柔顺控制

  宫赤坤, 许安定, 袁立鹏

  控制工程. 2023, 30(6): 990-998. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20220295

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  为使四足机器人能够在未知崎岖地形中以对角(Trot)步态柔顺且稳定地行走，提出了一种复合抗扰柔顺控制策略。首先，四足机器人的机身和支撑相采用内外环分层控制策略，外环采用全局快速终端滑模控制器来控制机身的位姿，以使机身位姿快速精确地收敛到平衡状态，并通过设计非线性干扰观测器来消除系统不确定性和外界扰动，以进一步提高系统的鲁棒性；其次，内环采用基于力的 PD 控制器，以使支撑相的足端接触力能够跟踪滑模控制器所需的期望力，实现足端与地面的软接触，减少对机器人的冲击；同时， 摆动相采用具有相同主动柔顺性的阻抗控制器；最后，采用 MATLAB/Simulink 进行了对比仿真实验，结果表明在所提控制策略下，四足机器人在未知崎岖地形中行走具有良好的鲁棒性和柔顺性。
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  含未知输入不确定系统的扩展递归滤波算法

  徐迎菊, 王娜, 花玉

  控制工程. 2023, 30(6): 999-1005. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210564

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  对一类具有未知输入、乘性噪声和量测丢失的不确定系统的扩展递归滤波问题进行研究。其中，实际系统存在时变性和不确定性的情形通过乘性噪声描述；量测丢失现象用服从伯努利分布且统计特性已知的随机序列表示；先验信息未知的外界干扰以未知输入的形式存在于系统方程和量测方程中。综合考虑上述因素，首先，利用传统的递归滤波性质和线性无偏最小方差估计准则，设计一种能同时估计系统状态和未知输入的扩展递归滤波器；然后，采用加权最小二乘优化理论和拉格朗日乘子法求取滤波器中待定的增益矩阵； 最后，通过数值仿真实验验证了该算法的有效性。
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  带组合缓冲约束的柔性流水车间调度优化

  轩华, 付鑫博, 李冰

  控制工程. 2023, 30(6): 1006-1016. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210389

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  研究了每道工序包含多台不相关并行机的柔性流水车间调度问题，部分工序间具有无等待约束，考虑工序间运输时间和工件动态到达的实际生产特征，以最小化总加权完成时间为目标，构建了整数规划模型，提出了一种融合迭代贪婪算法和遗传算法的改进贪婪遗传算法。首先，利用二维矩阵编码表述调度解，结合 CDS(Campbell-Dudek-Simth)启发式算法和随机程序共同产生初始解；其次，设计基于工序位的交叉和基于工件位的变异操作得到改进的遗传算法解；最后，由于上一代中适应度较低的较差个体会直接影响下一代的遗传操作，为避免早熟，引入结合局域搜索的迭代贪婪算法，从遗传算法产生的种群中筛选出较差个体，对其执行破坏和重建操作，并设计基于工件位的成对交换、成对插入和重新排序的 3 种邻域生成机制以进行局域搜索。通过仿真实验测试所提算法与几种启发式算法，对比结果表明，所提出的改进贪婪遗传算法能获得更好的近优解。
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  三相电压型逆变器的电流前馈控制算法

  董锋斌, 吴奥

  控制工程. 2023, 30(6): 1017-1023. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210560

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  为了提高三相电压型逆变器对负载变化的鲁棒性，提出一种电压单环的电流前馈控制算法。首先，给出了逆变器系统电流前馈控制算法的设计思想来源，讨论了多输入多输出非线性系统的中间变量的前馈控制律；其次，根据三相电压型逆变器的 d-q 数学模型， 将多输入多输出非线性系统的中间变量的前馈控制律应用到三相电压型逆变器系统中，建立了其电流前馈控制数学模型，并利用李雅普诺夫第二判别法分析了闭环系统的稳定性， 同时讨论了闭环控制系统的跟随性；最后，通过仿真实验验证了所提出的算法的合理性和有效性。
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  基于最优控制策略的起落架振动半主动抑制研究

  汪瑞, 闫宇飞, 许锋

  控制工程. 2023, 30(6): 1024-1029. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210146

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  为提高起落架在着陆及地面滑跑过程中的缓冲减震能力，以支柱式前起落架为研究对象展开研究。首先，在动力学平台中构建起落架多体动力学模型，依据缓冲器工作原理，搭建单腔式缓冲器液压模型；其次，建立半主动起落架着陆线性方程。基于状态空间理论，推导并求解黎卡提矩阵方程，得到最优状态反馈控制律；然后，基于滤波白噪声法推出路面高程的时域模型，并生成机场跑道随机路面仿真模型；最后，提出一种机械-液压-控制联合仿真的起落架半主动控制研究方法，实现了起落架落震及考虑路面不平度的滑跑联合仿真。仿真结果验证了半主动控制方法对于冲击载荷及振动响应抑制的优越性。
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  基于归一化频响函数曲率的随机模型修正

  李佳佳, 彭珍瑞

  控制工程. 2023, 30(6): 1030-1035. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210468

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  为提高随机模型修正的计算效率以及待修正参数均值和标准差的修正精度，提出了一种将 Kriging 模型和归一化频响函数曲率相结合的随机模型修正方法。首先，构造 Kriging 模型，将待修正参数作为 Kriging 模型输入，对应的归一化频响函数曲率作为 Kriging 模型输出；然后，采用麻雀算法以 Kriging 模型预测响应与实验响应之差的绝对值之和作为目标函数修正参数均值，以互信息作为目标函数修正参数标准差；最后，通过三维桁架验证了所提方法的有效性。结果表明，所提方法修正后的参数均值误差均低于0.2%， 标准差误差均低于 2.5%。
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  基于改进引力搜索算法的负荷频率自抗扰控制

  李牧青, 肖健梅, 王锡淮

  控制工程. 2023, 30(6): 1036-1044. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210558

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  为提高电力系统频率控制精度，保持频率稳定，针对自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)在多区域互联电力负荷频率控制(load frequency control, LFC)系统 中的应用，提出一种基于自适应压缩系数改进的引力搜索算法(gravity search algorithm, GSA)，用于优化自抗扰控制参数。改进算法结合了引力搜索算法的搜索能力和基于粒子群优化的自适应压缩系数的动态收敛能力，兼顾搜索和寻优能力，解决了算法早熟问题。 首先，建立了双区域互联电力负荷频率控制模型，模型机组先采用线性的非再热式汽轮机进行仿真，再推广到考虑调速器死区以及发电速率约束的非线性再热式汽轮机。仿真结果表明，对于 2 种控制对象，改进算法优化的自抗扰控制器，表现出相对于原算法更优的跟踪性能、鲁棒性以及更小的偏差值，具有更高的应用价值。
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  噪声未知的对偶模型预测控制算法研究

  翁旭, 杨恒占, 钱富才

  控制工程. 2023, 30(6): 1045-1050. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210355

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  模型预测控制(model predictive control, MPC)是处理实际系统中存在的各种约束条件的最有效方法之一。针对具有未知噪声的随机系统，提出了一种具有对偶学习特点的模型预测控制算法。使用 Kalman 滤波器对系统状态进行估计，由估计得到的当前时刻的状态作为预测系统未来动态的起点，系统噪声的结构特性已知，其方差在有限集合里，使用后验概率，在优化控制目标的同时学习出噪声未知方差的真值。仿真结果表明，相较于传统的模型预测控制算法，在具有不确定性的系统中，对偶模型预测控制算法在驱动控制系统朝着期望方向运行的同时，还能够对未知参数进行有效地学习。
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  基于视觉反馈的桥吊自适应滑模防摇控制

  尤智腾, 徐为民, 许贤先, 朱鑫磊, 胡强

  控制工程. 2023, 30(6): 1051-1061. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210377

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  为了提高桥式吊车的运行效率，提出了一种基于视觉反馈的桥吊控制方案。首先，采用单目视觉系统、改进的均值漂移算法和最小面积圆法，获取负载的摆角，同时，提出了一种信息融合方案，用于提高检测的精度。其次，提出使用自适应积分滑模面设计控制器。控制器中通过使用积分环节，提高系统的鲁棒性，用于应对视觉系统中反馈延迟的影响，自适应项则用于改善动态性能。此外，为了削弱抖振现象，设计了一种新的自适应趋近律。其中的自适应切换增益能够灵活抑制外部扰动，提高系统的鲁棒性。最后，利用李雅普诺夫理论分析了控制系统的稳定性，并通过仿真验证了所提控制器的有效性。
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  基于启发式算法降低比例公平调度开销策略

  管银凤, 张凤登, 朱长昊

  控制工程. 2023, 30(6): 1062-1070. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210402

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  在多处理器系统中已经证明了比例公平(proportion fair, Pfair)算法是调度周期任务最优的全局调度算法。然而在该算法的最坏执行情况下，任务在每个调度时刻均产生切换或迁移，导致系统开销过大。针对这一问题，对 Pfair 算法进行深入研究后发现，任务的分配过程是一个重要原因。基于此，提出基于启发式算法的模拟退火比例公平(simulated annealing-proportion fair, SA-Pfair)调度算法，即在 Pfair 算法做出调度决策后，用启发式算法将任务分配给处理器，以弥补原算法的不足。最后，采用 LITMUS-RT 平台对 SA-Pfair 算法和以此为基础设计的调度器进行仿真。结果表明，新算法在一定程度上减少了任务的切换次数以及 50%以上的任务迁移总量，且能够有效地降低调度过程中的系统开销。
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  单机多重任务调度极小化总完成时间问题

  蔡港辉, 薛含钰, 白丹宇, 刘天一

  控制工程. 2023, 30(6): 1071-1080. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210391

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  与传统机器调度不同，多重任务调度考虑人的行为因素，即主任务由于被等待任务打断而导致实际处理时间增加。研究了考虑释放时间的多重任务调度问题，首先，建立混合整数规划模型，并给出问题下界；其次，由于该问题是强 NP 难问题，因此针对中等规模实例，设计一种带有邻域搜索的改进粒子群优化算法，在短时间内求得问题的近似最优解；同时，针对大规模问题，提出了快速获得可行解的启发式算法，并证明了该启发式算法具备渐近最优性；最后，通过设计对比实验，验证了所提出的数学模型的正确性、改进粒子群优化算法的有效性以及启发式算法的收敛性。
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  考虑混合储能荷电状态的微网功率控制研究

  李占军, 王帅, 赵亮, 刘俊琦, 肖翔, 刘鑫蕊

  控制工程. 2023, 30(6): 1081-1089. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20220945

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  因可再生能源极易受环境影响，所以在微电网中加入混合储能系统来解决微电网的稳定运行问题。在同时考虑蓄电池和超级电容荷电状态的情况下，针对混合储能系统提出了基于荷电状态(state of charge, SOC)和可变滤波时间常数的控制策略。首先，根据蓄电池荷电状态，对系统多模态的运行进行分析；然后，把蓄电池组的荷电状态和系统输出功率作为参考，对输出功率不足的时段进行蓄电池输出补偿，同时根据混合储能系统的荷电状态值，对滤波时间常数进行调整，使其稳定工作在合理区间。 最后，仿真结果表明，所提策略能对混合储能系统的功率进行合理分配，并实现了直流母线电压的稳定。
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  基于 ConvLSTM-GRU 的公交客流量预测模型

  连莲, 商家硕, 宗学军, 王国刚

  控制工程. 2023, 30(6): 1090-1098. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210400

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  公共交通在城市智能交通系统中发挥着重要的作用，准确的公交客流量预测对智能交通的发展至关重要。为了提高公交客流量预测的准确度，提出一种基于卷积长短期记忆(convolutional long short-term memory, ConvLSTM)网络和门控循环单元(gate recurrent unit, GRU)算法的预测模型 ConvLSTM-GRU，结合公交车客流量、天气特征和气温特征以及节假日特征来预测未来的公交客流量。通过提取不同时段公交客流量之间的相关性并采 用编码器-解码器结构来减少递归多步预测中的累积误差，提高了预测精度。最后，将 ConvLSTM-GRU 模型与反向传播(back propagation, BP)神经网络、长短期神经网络、门控循环单元结构、卷积长短期神经网络和自回归网络 5 种算法进行比较，结果表明所提模型在预测准确度方面均优于对比算法。
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  基于条件生成对抗网络的视网膜黄斑分割

  傅迎华, 赵奇

  控制工程. 2023, 30(6): 1099-1104. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210498

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  黄斑在视网膜眼底图像中呈现为一个颜色暗淡的区域，且分割容易受到暗病灶干扰，因此提出一种可以快速准确分割黄斑位置的方法。首先，设计神经网络将深度学习的方法应用到黄斑分割中，并通过上采样过程恢复原始的尺寸；其次，受限于有限的数据集， 将条件生成对抗网络(conditional generative adversarial nets, cGAN)引入到黄斑分割中，该方法可生成伪图像作为分割结果，并以一种可解释的方式对此结果进行训练来分割黄斑。实例验证结果表明，该方法可生成高质量图像，并能处理梯度消失的问题，有助于弥补数据样本不足的缺陷，在光照不均和暗病灶干扰的情况下，也能取得很好的分割效果。使用公共数据集 MESSIDOR 和 Kaggle 进行了训练和验证，分别得到了 94%和 99.32%的准确率。
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  基于多分类器集成的 ICS 入侵检测算法

  黎佳

  控制工程. 2023, 30(6): 1105-1111. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210382

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  工业控制系统(industrial control system, ICS)入侵检测模型近年来愈加复杂，参数优化愈加困难，传统单分类器模型表现出明显的局限性。针对该问题，提出一种基于多分类器集成的 ICS 入侵检测算法，借鉴“分而治之”的思路将高维复杂入侵检测问题分解为多个简单子问题，使用单分类器模型对每个子问题进行分析并获取最优分类，最后采用改 进 Bagging 完成各个分类器结果的融合。同时针对样本不均衡问题，在预处理阶段提出改进的少数样本合成技术(improved synthetic minority over-sampling technique, ImSMOTE)构建平衡数据集。采用密西西比州立大学(Mississippi State University, MSU)的天然气管道测试平台 SCADA 系统记录的真实数据开展实验，结果表明所提方法能够获得较高的入侵检测准确率，同时少数类别的误检率明显降低，能够有效提升 ICS 系统的安全性和可靠性。 关键词：工业控制系统；攻击检测；多分类器集成；样本均衡；特征选择
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  面向控制的废液焚烧过程的建模与分析

  李艳, 胡振, 鱼晨, 褚旋梓

  控制工程. 2023, 30(6): 1112-1120. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20200916

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  针对废液焚烧过程中因变量耦合与废液热值波动大所导致的控制效果不佳的问题，在综合考虑了焚烧温度、烟气氧含量以及炉膛负压对焚烧过程影响程度的基础上，采用机理建模法建立了面向控制的废液焚烧过程动态数学模型。所建立的数学模型依据物料 平衡和能量平衡的方法，结合废液焚烧炉的技术参数计算出模型参数的具体数值。基于实际数据的仿真结果表明，所建模型可以较好地体现废液焚烧系统的动态特性，且精度较高， 可以进行工程实用。所建模型不仅为焚烧过程的分析提供了理论基础，还为焚烧控制系统的设计提供了仿真平台。
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  改进粒子群优化的中药提取参数模糊 PID 解耦控制研究

  张玉雪, 周军, 皇攀凌, 孟剑峰

  控制工程. 2023, 30(6): 1121-1128. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210464

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  为解决中药提取过程中温度和压力控制存在的非线性、大惯性和多变量耦合等问题，建立了一种基于改进粒子群优化的模糊 PID 多变量解耦控制模型。在中药提取过程的动态数学模型基础上，结合多变量前置反馈解耦器对模型进行解耦，降低温度和压力间的耦合度；引入线性递减和目标值自适应融合的动态惯性权重策略，用改进粒子群优化算法 对模糊 PID 控制器的比例因子和量化因子进行优化，避免参数陷入局部最优；最后，在 Simulink 中对所设计的控制模型进行仿真。结果表明：改进算法优化后的模糊 PID 解耦控制器的曲线超调接近于 0，温度调节时间缩短 97%，压力调节时间缩短 55%，系统无振荡， 基本消除了稳态误差，提高了中药提取过程中温度和压力的控制精度。
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  具有传递式探索能力的遥远域样本增强方法

  任一夫, 翟利志, 刘强, 刘金海

  控制工程. 2023, 30(6): 1129-1136. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20221103

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  小样本问题是数据驱动建模的公开难题。域适应(domain adaptation, DA)方法将样本知识从源域迁移到目标域来实现小样本增强，然而已有方法在实际应用中受限，其根源在于缺乏对分布差异较大的领域（遥远域）的有效探索机制。由此，提出具有传递式探索能力的遥远域样本增强方法。首先，提出样本特征多维正交分解策略，以可靠地获取不同维度的样本知识；然后，提出传递式探索策略，以能够在不同维度中有效地探索遥远域样本，并缓解负迁移。将该方法在业界公认的田纳西-伊斯曼数据集上进行验证，实验结果表明，该方法在遥远域中的建模表现优于其他方法。
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  基于数据驱动的循环流化床机组 PI 控制

  杨云凯, 李炳楠, 朱峰, 孙立明, 吴振龙, 党涛涛

  控制工程. 2023, 30(6): 1137-1145. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20210304

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  为提高循环流化床机组应对强非线性和大惯性特性的能力，并提高机组在大范围变工况时的运行品质，提出了一种基于数据驱动的循环流化床机组比例-积分(proportionintegral, PI)控制策略。首先，分析机组负荷和床温回路的耦合程度、非线性特性和变工况特性；然后，设计了基于数据驱动的分散 PI 控制策略，并给出了参数选择的方法；最后， 将所提控制策略应用于循环流化床机组，仿真结果表明该策略相比于常规 PI 和自抗扰控制策略在负荷和床温设定值跟踪方面优势明显，能够显著提高上述 2 个回路的跟踪性能。 同时，该控制策略在抗输入扰动和煤质波动方面也具有一定的优势。
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  状态约束下单连杆机械臂输出反馈自适应跟踪控制

  吕文韬, 蒋涵元, 张立岩

  控制工程. 2023, 30(6): 1146-1152. https://doi.org/10.14107/j.cnki.kzgc.20220844

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  研究了一类具有全状态约束且状态不可测的单连杆机械手跟踪控制问题。尽管现有的输出反馈跟踪控制方法可以有效地解决状态不可测情况下的机械手位置跟踪控制问题，但未考虑基于操作安全等因素设定的状态受限。同时，系统状态不可测也为实现状态 受限带来了挑战。因此，考虑在系统全状态受限并且仅机械手位置可测情况下的输出反馈跟踪控制器设计问题。首先，构造了一个模糊状态观测器来估计不可测状态；然后，通过融合新的状态变换函数和动态表面控制方法，建立了一种基于观测器的自适应模糊控制策略，并利用李雅普诺夫稳定性理论，证明了位置跟踪误差将收敛到零点附近任意小的邻域之内，且系统中的状态永远不会超越约束条件；最后，通过数值模拟验证了所提方法的可行性。