控制工程

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潘长鹏, 闫海洋, 湛荣鑫, 张王成

控制工程. 2023, 30(9): 1567-1574.

摘要 ( )

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Seru（赛汝）生产系统作为一种新兴生产系统，具有优良的快速响应能力和柔性。对空间资源受限的 Seru 调度问题进行研究，设置了最小化最大完工时间(makespan)和最小化总加权完工时间 2 个优化目标，并提出一种多种群多目标遗传算法(multi-population multi-objective genetic algorithm, MMGA)。在采用精英策略的非支配排序遗传算法(nondominant sorting genetic algorithm II, NSGA-II)的基础上，采用了多种群优化策略和动态调整策略，将遗传算法的单个种群扩展为多个种群，使各个种群向不同优化方向进行进化，同时动态调整种群的规模，进而增强寻优能力和收敛速度。实验表明，所提出的多种群多目标遗传算法比启发式规则、带有精英策略的非支配排序遗传算法具有更好的性能。

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基于 Petri 网的无人机可充电传感器网络优化

秦怀宇, 白雪, 赵不贿, 徐雷钧

控制工程. 2023, 30(9): 1575-1584.

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为解决地面移动充电车难避障、易受干扰，以及数据收集受充电时间影响大的问题，提出包含一架数据收集无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)和多架充电无人机的网络架构。首次提出广义同步连续自控 Petri 网系统(generalized synchronizing continuous cyber Petri net system, GSCCPNS)，用于建立无人机的能量传输和运动控制模型，从可视化和数学两方面刻画网络的决策控制、能量流动和飞行轨迹。首先，利用等边三角形簇头覆盖法确定网络锚节点数量和节点总体能耗。然后，为了使无人机充电收益最大化，在传统模拟退火算法的基础上，引入局部搜索和交叉算子，并结合 Petri 网提出 Petri 模拟退火(Petri simulated annealing, Petri-SA)算法。大规模仿真表明，死节点比例降低 11%~26%，飞行能耗降低 7%~17%。

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基于 MATLAB 和 Adams 的中小组立弧线焊缝机器人动力学仿真

鲍雨波, 赵文, 朱梦如

控制工程. 2023, 30(9): 1585-1591.

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为分析和提高焊接机器人在中小组立弧线焊缝作业中的动力学性能，基于 MATLAB 和 Adams 开展机器人动力学的联合仿真。首先，简要介绍了中小组立弧线焊缝机器人的系统组成；其次，依据牛顿-欧拉方程建立了焊接机器人的动力学方程，并通过 Adams 验证了该模型的正确性；然后，在 Adams 中建立了中小组立弧线焊缝焊接机器人的仿真虚拟样机模型，并通过该软件的 Controls 接口将仿真模型和 MATLAB 中的控制系统模型联合起来；最后，针对典型的中小组立弧线焊缝，开展机器人动力学的联合仿真，分析机器人运动过程中的动力学特性，为机器人的轨迹规划和动力学性能提升提供了理论依据。

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基于 UAV-RS 虚拟仿真系统的教学模式探究

赵章红, 常升龙, 赵迪, 陈琳, 胡昊, 张丹

控制工程. 2023, 30(9): 1606-1615.

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针对无人机和遥感测绘(unmanned air vehicle for remote sensing, UAV-RS)相关专业在实际教学中存在的问题，如设备资源和实验时间无法满足学生需求，野外作业中无人机的安全难以管控，天气和环境条件要求苛刻等，以无人机遥感测绘外业为仿真对象，设计开发了虚拟仿真系统，改革实训教学模式。仿真系统确立了无人机飞行操控、地面场景模拟和遥感图像获取 3 个模块，引导学生自主完成无人机遥感测绘外业过程。评估实验中经过仿真系统学习的学生（实验组）的项目完成率为：初级 90%、中级 80%、高级 75%，均明显高于对照组。表明基于仿真系统的教学模式可提升 UAV-RS 的外业教学效果，提高复杂项目完成率，并能够激发学生自主学习的积极性。

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基于结构改进 RBF 神经网络的 NOx预测模型比较

于静, 金秀章, 刘岳

控制工程. 2023, 30(9): 1616-1623.

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针对燃煤电厂选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)脱硝系统入口氮氧化物浓度测量准确性的问题，提出基于结构改进的径向基函数神经网络(improved radial basis function neural network, IRBFNN)预测模型。采用互信息选取辅助变量作为模型的输入变量，避免变量过多或过少导致模型精度降低；利用 k 近邻互信息估计辅助变量的延迟时间，解决时序问题；采用调整时序的辅助变量和主导变量建立结构改进的 RBF 神经网络(RBFNN)预测模型；采用人工鱼群算法(artificial fish swarm algorithm, AFSA)和粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法加速验证结构改进模型的优越性，并对 2 种优化算法的优化能力进行分析。仿真结果表明，结构改进的 RBF 神经网络模型的均方根误差和平均绝对百分比误差明显高于原模型；AFSA 优化后的模型精度高于 PSO 算法，然而其需要调节的参数较多。

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机械臂系统自适应神经网络滑模控制器设计

赵兴强, 刘振, 高存臣

控制工程. 2023, 30(9): 1624-1629.

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针对机器人系统滑模控制器设计存在的抖振问题，提出了一种新型的具有可变滑模增益的控制器设计方案。在传统滑模控制器设计的基础上，该控制方案的创新之处在于所设计控制器的开关增益可实现动态自适应调整。采用径向基函数神经网络(radial basis function neural network, RBFNN)，使开关增益随关节参数动态改变，以适应系统的未建模动态及未知扰动。通过加入适当的自适应控制算法，有效地抑制逼近误差及外部扰动。并且，通过李雅普诺夫方法证明了系统的轨迹跟踪误差可渐近收敛到 0。最后，仿真结果表明，所设计的方案降低了系统抖振，同时可有效地提高跟踪精度。

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基于改进灰狼优化算法的多区域频率协同控制

胡逸, 王锡淮, 肖健梅

控制工程. 2023, 30(9): 1630-1639.

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微分博弈理论可以解决多区域互联电力系统中频率的协调问题，但对于带非线性约束的微分博弈问题，传统算法难以求解。针对该问题，基于微分博弈理论，建立了多区域频率协同控制模型，考虑了电力系统中常见的非线性约束，并提出了一种基于改进灰狼优化算法的协同进化算法，用于求解该模型的反馈纳什均衡解，从而得到各区域二次调频的协同控制策略。通过仿真验证了所提方法的可行性，并与协同进化遗传算法和协同进化灰狼优化算法进行了对比，结果表明该方法的控制效果更佳。同时，所提方法对系统的功率扰动变化具有稳定的动态响应性能，对机组参数变化具有良好的鲁棒性。

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基于谐振电压腔中点采样的预测电流移相控制策略

邓元果, 曹太强, 张爽

控制工程. 2023, 30(9): 1640-1647.

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为了提高移相 DC/DC 变换器的动态响应和稳定性以及消除变换器直流偏磁，提出了一种基于谐振电压腔中点采样的预测电流移相控制。首先，分析变换器的开关模态，得到每个模态下的电感电流斜率。然后，在三角载波的零值和中值处对电感电流进行采样，通过理论分析，得到移相角的预测表达式。进一步分析电感参数对预测电流移相控制的影响，引入了递推最小二乘法，用以消除电感参数的影响。最后，针对所提控制策略进行了仿真实验，结果验证了所提控制方法的有效性，提高了移向 DC/DC 变换器的动态响应和稳定性，并解决了变换器的直流偏磁问题。

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基于多源数据的充电站三阶段选址优化决策

李永竞, 裴文卉

控制工程. 2023, 30(9): 1648-1657.

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为满足日益增长的充电需求，提出一种计及选址影响因素和建设成本的充电站三阶段规划方案，实现了选址评估-预选址-站点增扩的有机结合。第一阶段，通过多源数据对影响因素展开分析，利用层次分析法建立选址评价体系。第二阶段，从用户和企业的角度出发，建立以成本最小为目标的选址优化模型，同时，提出了一种改进的免疫粒子群优化(immune particle swarm optimization, IPSO)算法，用以实现解在空间范围内的自适应搜索。第三阶段，考虑到充电站的增扩问题，设计了一种利用 Voronoi 图确定新增站点的方法。最后，以某市为研究对象，通过仿真验证了所提模型的有效性与合理性，为充电站的科学选址提供了必要的决策参考。

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基于 DLPP-LOF 的信息物理系统异常诊断方法

许浩, 虞慧群

控制工程. 2023, 30(9): 1658-1664.

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为了准确诊断信息物理系统的异常类型，提出了一种新的基于动态局部保持投影局部离群因子(dynamic locality preserving projections-local outlier factor, DLPP-LOF)的方法。首先，采用数据增广策略在判别模型中考虑自相关性，进而利用对数据分布没有要求的流形学习方法——局部保持投影(locality preserving projections, LPP)提取特征。其次，计算测试数据特征相对于训练数据集各类别特征的局部离群因子(local outlier factor, LOF)，将具有最小离群因子的类作为测试数据的类别。确定了异常类别后，在已建立的历史异常数据及相应决策方案库中搜索制定应急响应预案。最后，将所提出的 DLPP-LOF 方法在典型信息物理系统上进行测试，验证了其有效性及优越性。

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钻井现场指针式仪表读数自动识别方法研究

刘海龙, 马波, 张奇志

控制工程. 2023, 30(9): 1665-1672.

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钻井数据采集过程中，由于现场安装、拉线等限制，传输稳定性不高，采集效果并不理想。引入了 SSD+MoblieNet 目标检测算法快速检测表盘位置并将表盘从复杂环境分离。使用 Retinex 特征增强算法并改进自适应 Gamma 增强使得复杂光在仪表上表现得更加自然，并在原有的图像去模糊技术上加入了模板匹配技术对表盘图像进行去抖动恢复，稳定有效地获取圆盘信息，进一步获取表盘指针角度信息。实验表明，改进后的方案能够在光照不均以及小幅度抖动下将误差控制在 3%内，基本满足钻井现场指针仪表的测量要求，相对于传统方案，有着更强的实用性。

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基于自适应布谷鸟搜索算法的分数阶 PID 控制器设计

吴立飞, 杨晓忠

控制工程. 2023, 30(9): 1673-1678.

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针对分数阶 PID(fractional order PID, FOPID)控制器的设计问题，提出一种基于自适应布谷鸟搜索算法的分数阶 PID 控制器参数整定算法。为改进经典布谷鸟算法的收敛速度与计算精度，并充分发挥全局搜索和局部挖掘两者各自的优势，采用了基于系统误差的自适应步长策略。为保证布谷鸟搜索算法初始化种群的均匀性，采用佳点集法初始化种群替代经典算法中的随机初始化种群。最后对 2 类系统进行仿真实验，并将实验结果与现有结果进行对比，验证了基于自适应布谷鸟搜索算法的分数阶 PID 控制器的设计和参数整定方法的有效性和优良性。

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基于多重注意力的肋骨骨折检测研究

罗鑫, 王永雄, 张佳鹏, 旷小春

控制工程. 2023, 30(9): 1679-1685.

摘要 ( )

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计算机断层扫描广泛应用于肋骨骨折诊断。然而，非移位性骨折、骨裂等细微骨折形态特征较差，导致放射科医师工作量大、漏诊风险高。为此，提出基于多重注意力机制的深度学习网络模型对肋骨骨折进行自动定位和识别。首先利用滤波、图像分割、形态学运算等图像处理技术将计算机断层扫描(computed tomography, CT)图像中的肋骨定位并裁剪，缩小目标识别区域；再利用多重注意力的残差通道双注意力模块识别每一个子图像块，同时增加胸腔的边缘信息进行辅助判断。在开源肋骨骨折数据集上的检测实验达到了 98.14%的准确率和 98.01%的 F1（平衡 F 分数），可在临床应用中辅助医生诊断。

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具有状态信息保护的多智能体系统 H∞一致性

梁晓洁, 朱亚锟, 段洪君

控制工程. 2023, 30(9): 1686-1692.

摘要 ( )

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为解决多智能体系统在有/无干扰情况下的初始状态信息保护和一致性问题，提出了新的状态信息保护算法，并引入鲁棒 H∞控制协议。首先，在无干扰的情况下提出了状态信息保护算法，来防止其他不诚实智能体窃听诚实智能体的信息，始终保护智能体的初始状态信息无法被不诚实智能体推测出来，并能够实现准确的平均一致性。其次，在有干扰的情况下，采用鲁棒 H∞控制的方法，在信息保护算法的基础上，减弱了干扰对系统模型的影响，提高了系统的抗干扰性能。利用李雅普诺夫方法对系统的稳定性进行分析，并求解线性矩阵不等式，得出了实现 H∞控制的基本条件。最后，通过对有/无干扰情况下的状态信息保护算法分别进行分析和仿真，验证了所提算法的有效性。

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开关磁阻电机高性能间接瞬时转矩控制

李泽阳, 李存贺, 刘剑, 高振宇, 李建宁

控制工程. 2023, 30(9): 1693-1699.

摘要 ( )

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针对开关磁阻电机(switched reluctance motor, SRM)在运行过程中存在明显转矩脉动的问题，提出一种基于自适应 PI 算法的高性能间接瞬时转矩控制方法。通过 PI 型迭代学习控制算法实现相转矩指令到相电流指令的精确映射，PI 型迭代学习控制算法的学习能力可消除传统线性转矩逆模型的求解误差。利用开关磁阻电机中增量电感的特点设计了自适应 PI 电流环，可自动调整电流控制器的增益，消除电感在不同位置对电流环跟踪控制的影响，进而可有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动。对三相 12/8 极开关磁阻电机调速系统进行了仿真分析，仿真结果验证了所提高性能间接瞬时转矩控制策略的有效性。

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基于自适应控制的水下无人机渐近跟踪策略研究

张玉玺, 刘加朋, 于金鹏

控制工程. 2023, 30(9): 1700-1705.

摘要 ( )

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针对模型参数完全未知的水下无人机(autonomous underwater vehicle, AUV)轨迹跟踪控制问题，考虑外部环境扰动，提出了一种自适应渐近跟踪控制策略。首先，基于障碍李雅普诺夫函数及反步控制策略，构造系统虚拟控制律，有效提高了系统的控制性能。然后，通过设计自适应律，有效解决了不确定性对系统的影响，保证了跟踪误差的渐近收敛性。同时，考虑输入饱和问题，采用双曲正切函数解决真实控制律构造困难的问题。基于李雅普诺夫方法，分析了闭环系统的稳定性。最后，仿真结果表明，该控制策略可有效抑制模型参数未知和外部干扰对系统的影响。

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执行器故障和未知控制方向系统的自适应模糊学习控制

许清媛, 郑创涛, 麦庆全, 万凯, 何婉滢

控制工程. 2023, 30(9): 1706-1719.

摘要 ( )

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在工业生产中，工业机器人等设备在重复运动中容易出现执行器故障，进而降低生产效率。另外，考虑到很多实际系统无法提前预知控制方向，因此，面向执行器故障和未知控制方向系统，提出了一种自适应模糊迭代学习控制(iterative learning control, ILC)算法。首先，使用模糊逻辑系统(fuzzy logic system, FLS)估计期望的控制信号，并设计额外的自适应项来补偿执行器故障和系统未知函数带来的副作用。其次，考虑到系统的控制方向是未知的，采用离散 Nussbaum 型函数在迭代方向对其进行辨识，并将该函数应用于自适应模糊 ILC 算法。最后，通过 Lyapunov-like 函数证明了所提自适应模糊 ILC 算法的可行性：当迭代次数趋于无穷大时，除t ∈{0,1,,m −1} 时刻之外的 ILC 跟踪误差可收敛到一个可调界内，且所有系统信号保持有界。仿真结果验证了所提方法的可行性和有效性。

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不平衡电网下 MMC-SAPF 无源性滑模控制策略研究

莫栋成, 程启明, 周雅婷

控制工程. 2023, 30(9): 1720-1729.

摘要 ( )

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模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)-并联式有源滤波器(shunt active power filter, SAPF)能够补偿大电压时电能中的电流质量，但若采用单一控制方法难以很好地对电流质量进行补偿。为此，提出了无源性控制(passivity-based control, PBC)与滑模控制(sliding mode control, SMC)相结合的无源性滑模控制补偿方法，用以提升电流质量。首先，推导出不平衡电网下 MMC-SAPF 的数学模型，并对电压和电流进行正负序分离；然后，针对单一控制方法存在的问题，提出了基于 MMC-SAPF 的无源性滑模控制方法；最后，搭建了 MMC-SAPF 系统实验平台，将无源性滑模控制与 PID 和 PBC 2 种控制方法进行比较，结果表明无源性滑模控制的精度更高、鲁棒性更强、响应更快，且能够快速、准确地补偿电流。

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基于二维码定位和 IMU 信息融合的机器人室内定位技术

程智余, 刘军, 谢枫, 谢登科, 王利楠

控制工程. 2023, 30(9): 1730-1736.

摘要 ( )

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为了获得更加稳定、精度更高的定位信息，结合机器人惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)自主定位的高精度和二维码定位的稳定性的优点，提出了一种基于二维码定位和 IMU 信息融合的机器人室内定位技术。针对机器人运动学的数学模型，设计了一种融合二维码定位信息和 IMU 定位信息的观测器，使定位信息在保持惯性测量单元的高精度的同时，不会产生长时间累计偏差而导致出现漂移现象。为了验证所提方法的有效性，给出了移动机器人室内定位的相应对比实验。实验结果表明，针对移动机器人运动模型设计的融合观测器的定位精度明显优于卡尔曼滤波和单一的 IMU 自主定位。

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基于联合域适应的异构样本增强网络

任一夫, 翟利志, 白洁, 高学攀, 刘强, 刘金海

控制工程. 2023, 30(9): 1737-1742.

摘要 ( )

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域适应网络在样本增强领域应用受限，其根源在于领域的不同会加剧样本空间分布的差异。针对上述问题，提出基于联合域适应的异构样本增强网络。具体而言，异构域维度对齐子网中的支持域样本，在实现异构领域中样本维度对齐的同时，还嵌入了领域的分布知识，提高了后续异构域分布匹配的表现。此外，异构域分布匹配子网联合匹配了异构领域的边缘分布和条件分布，并嵌入了自适应机制，从而保证了联合域适应网络的匹配精度。由此，其他领域的样本通过上述设计的基于联合域适应的异构样本增强网络，能够被可靠地用于增强当前领域中的小样本。该网络在业界公认的田纳西-伊斯曼数据集上进行验证，实验结果表明了该网络的有效性。

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基于轻量级注意力模块的多人姿态估计

杨竣乔, 钱锋, 唐漾

控制工程. 2023, 30(9): 1743-1750.

摘要 ( )

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为了提高人体姿态估计的检测精度，特别是中小尺寸人体关键点的检测精度，同时针对模块集成造成网络参数量和浮点计算量大幅度增加的问题，以 HRNet(high-resolution Net)为基本网络架构，提出了一种基于轻量级注意力模块的分阶段网络(Coarse-Refine Net, CRNet)，采用知识蒸馏方法，利用同构的高精度网络作为教师网络，利用关键点的真值和教师网络的输出结果共同训练学生网络(CRNet)。通过在 2017COCO val 集上进行训练和测试，CRNet 获得了 78.2 的得分(%)，比 HRNet 基准模型提高了 1.5%。对于中小尺寸人体关键点的检测，CRNet 获得了 74.8 的得分(%)，比 HRNet 基准模型提高了 1.6%。在相似的网络结构下，CRNet 相比于 HRNet，网络参数量仅增加了 0.1M(0.3%)，浮点计算量仅增加了 0.1G(0.6%)。与现阶段的最新方法相比，CRNet 获得了更高的检测精度，同时基本没有增加网络参数量和浮点计算量。

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某车型加速、制动踏板异常抖动问题的研究与优化

郑国龙, 曲长文, 刘杰, 房永, 孙奇

控制工程. 2023, 30(9): 1751-1758.

摘要 ( )

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某车型在小油门加速工况下的加速踏板和制动踏板异常抖动问题明显，很容易引起驾驶员的抱怨，是典型的噪声、振动与声振粗糙度(noise、vibration、harshness, NVH)问题。为解决该抱怨，首先，采用动刚度分析、模态分析和动力总成标定参数分析，通过源-路径响应模型分析，发现发动机二阶激励在 1 650 r/min 附近陡增，振动通过悬置传递，导致前围板和踏板总成在 55 Hz 频带共振，峰值达到 1.2 m/s2 。然后，通过声学转毂和道路试验方法进行整车分析和验证。最终得到工程化方案和售后精品件方案，能够有效解决动力总成设计变更导致的踏板异常抖动问题，并消除客户抱怨。

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基于图像识别的矿井煤与瓦斯突出预警研究

阎馨, 刘海生, 屠乃威, 吴书文

控制工程. 2023, 30(9): 1935-1942.

摘要 ( )

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针对现有矿井煤与瓦斯突出预警方法存在的不足，提出了一种基于图像识别的矿井煤与瓦斯突出预警方法。首先，基于 VGG16 网络建立瓦斯浓度、声发射强度和电磁辐射强度变化的煤与瓦斯突出危险性图像识别模型。然后，基于 Dempster-Shafer(D-S)证据理论对 3 种模型的突出危险性识别结果进行融合处理，消除预警的不确定性，实现准确预警。最后，利用来自生产现场的数据所生成的瓦斯浓度、声发射强度、电磁辐射强度变化图像进行实验。实验结果表明，所提方法的预警准确率高、预警速度快，其预警效果优于峰谷比值法和 ResNet50 方法。实验结果证明了所提方法的有效性。

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基于改进 RRT*算法的七自由度机械臂避障路径规划

孙立新, 高建明, 高春艳, 张明路

控制工程. 2023, 30(9): 1952-1957.

摘要 ( )

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针对传统的快速扩展随机树(rapidly-exploring random tree, RRT*)算法应用于高维空间冗余机械臂路径规划时存在过多无用节点和无效节点而导致规划失败等问题，提出一种改进的节点控制快速扩展随机树(nodes-controlled RRT*, N-RRT*)算法。首先，提出随机树节点扩展控制策略，改善了随机树节点扩展的盲目性，同时减少了无用节点的生成；然后，针对随机树在扩展时可能产生无效节点的问题，提出随机树节点扩展能力检测策略，减少了无效节点的生成。最后，采用 MATLAB 软件进行了多障碍静态避障路径规划仿真实验，结果表明，与基本 RRT*算法相比，N-RRT*算法可减少规划时间和障碍节点，并能提高规划成功率，为机械臂路径规划提供了一个新的研究思路。

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基于轨迹预测与模型预测的换道路径跟踪控制

王启明, 毛作龙, 张栋林, 何梓林, 吕志超

控制工程. 2023, 30(9): 1958-1605.

摘要 ( )

可视化

针对自主车辆换道轨迹跟踪精度较低等问题进行了研究。提出了基于轨迹预测的多点预瞄权重增益分配的方法。首先，根据车辆与路径的实时横向偏差以及航向角偏差，建立驾驶员转向模型，获得最优方向盘转角；其次，为了提高车辆换道路径跟踪时的稳定性，采用线性模型预测控制(linear model predictive control, L-MPC)策略设计轨迹跟踪控制器。最后，搭建 Carsim & Simulink 联合仿真模型，针对不同车速设置对比实验进行分析，结果表明基于轨迹预测的驾驶员模型能较好地跟踪换道轨迹，且稳态行驶下的路径跟踪最大横向误差为 8.1%，但在高速极限工况时路径跟踪适应性较差，而 L-MPC 策略在高速时具有更好的路径跟踪精度及稳定性，其跟踪误差小于 4%。

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2023年, 第30卷, 第9期　
刊出日期：2023-08-20

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