控制工程

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张燕, 弓正菁, 樊琪, 李璇, 孙慧

控制工程. 2024, 31(1): 1-9.

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针对可穿戴上肢外骨骼系统在存在外界干扰和模型误差条件下的轨迹跟踪问题，提出了基于有限时间干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制策略。首先，基于有限时间控制理论设计了干扰观测器，对建模误差和外界干扰进行在线估计，实现估计误差在有限时间内收敛到零；在此基础上，设计了非奇异快速终端滑模控制器，实现外骨骼在有限时间内对期望轨迹的准确跟踪。然后，基于李雅普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性。最后，仿真结果证明了所提控制策略的收敛速度快、鲁棒性强。

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带自适应谐波补偿功能的光伏并网控制策略

朱武, 王浩然, 杨可欣, 冯天波

控制工程. 2024, 31(1): 10-17.

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为了使含有源电力滤波器(active power filter, APF)功能的光伏并网逆变器在指令电流超过逆变器的限值时具有良好的谐波补偿效果，分析了传统比例式限流和指令电流跟踪方法的不足，提出了一种自适应谐波选取限流与准比例谐振(proportional resonant, PR)电流协调控制相结合的并网控制策略。自适应谐波选取限流策略可以在逆变器容量超限时针对性地选取危害大、含量高的谐波分量进行补偿，提高限流措施的有效性；准 PR 电流协调控制策略可以对指令电流中的各谐波分量进行单独控制，进一步提高谐波补偿的精确性。仿真结果表明，所提控制策略可以提高不同并网场景下的谐波补偿效果，验证了其可行性和有效性。

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基于多时间尺度的户用光储能量管理策略

成燕, 庄飞鸯, 徐万万, 魏婷

控制工程. 2024, 31(1): 18-24.

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针对光伏出力的波动导致户用光储系统能量优化不确定性的问题，提出了一种多时间尺度能量管理策略。在日前阶段，综合考虑分时电价、储能系统的寿命和负荷的可控性，建立了以用户用电成本、储能运行成本和环境成本最小化为目标的调度模型；在日内阶段，基于模型预测控制(model prediction control, MPC)并参考日前调度计划进行实时调度能量优化，矫正光伏出力的预测偏差，在不影响用户舒适度的前提下降低系统运行成本。最后，仿真结果验证了所提能量管理策略的经济性和有效性。

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基于迭代学习的机械臂神经网络滑模控制

范其明, 屈绿锋, 李洪强, 康洋

控制工程. 2024, 31(1): 25-31.

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针对机械臂末端载荷变化引起机械臂抖动的情况，提出了将神经网络、滑模控制和迭代学习控制相结合的控制方法。首先，利用神经网络的逼近特性，逼近建模误差和外部干扰，使逼近值作为滑模控制器中新的增益，避免滑模控制器本身的抖振。然后，引入迭代学习控制，发挥滑模控制和迭代学习控制各自的优势，得到精度高、鲁棒性强的控制方法。最后，仿真结果表明，对于械臂末端载荷变化引起的不同范围的外部干扰，所提控制方法只需较少的迭代次数就可以达到较高的轨迹跟踪精度。利用迭代过程中误差最小的控制力矩对机械臂进行控制，可以使机械臂准确到达所需位置。

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基于多源域适应 JYPLS 迁移的间歇过程质量预测

王润, 褚菲, 马小平, 贾润达, 陆宁云

控制工程. 2024, 31(1): 32-39.

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针对间歇过程数据不足，单源域迁移存在模型偏移，跨域信息损失导致建模效果不佳、负迁移等问题，结合域适应学习和多源域学习方法的优势，提出一种基于多源域适应联合 Y 偏最小二乘(joint-Y partial least squares, JYPLS)迁移的间歇过程质量预测方法。该方法通过迁移学习使用相似旧过程的数据辅助新过程建模，提高建模效率和模型预测精度；采用多源域适应的方式，通过引入多个源域，有效避免了负迁移；基于域适应思想减少源域和目标域之间的边缘概率分布差异，使得源域知识在目标域更好地泛化。最后，通过青霉素发酵过程的仿真案例验证了所提方法的有效性。

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集中型充电站高维多目标优化调度模型研究

郑亚莹, 崔志华, 徐玉斌

控制工程. 2024, 31(1): 40-47.

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为了增强电动汽车电池调度的合理性，在集中型充电站换电模式下，结合集中型充电站、配送站和换电站，分析电池的联合调度问题。首先，考虑充电成本、充电负荷、运输成本和时间成本，提出了一种集中型充电站换电模式高维多目标优化调度模型。然后，采用非支配排序遗传算法-Ⅲ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ, NSGA-Ⅲ)对该调度模型进行优化。同时，根据实际调度问题，对 NSGA-III 的交叉和变异方式进行改进。最后，通过仿真实验测试算法的性能。实验结果表明，与其他高维多目标优化算法相比，该算法在换电模式下的优化性能具有明显的优势。

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基于观测器的自主式水下机器人反步容错控制

尹庆华, 王娜, 李广有

控制工程. 2024, 31(1): 48-53.

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为了保证欠驱动自主式水下机器人(autonomous underwater vehiele, AUV)在执行器故障和受到外界干扰的情况下仍然能正常运动，设计了基于观测器的反步容错控制器。首先，有条件地简化 AUV 的水平面模型，建立简化后的水平面状态方程。之后，针对 AUV执行器的垂直舵出现故障并且 AUV 受到外界干扰的情况，设计观测器以实时估计故障和干扰。然后，将观测器与反步控制器相结合控制 AUV，并利用李雅普诺夫稳定性理论证明闭环系统是渐近稳定的。最后，通过仿真验证了所提控制器具有良好的抗干扰能力和容错能力。

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基于变论域云 PI 的含风电负荷频率控制方法

李志军, 丁子健, 张家安

控制工程. 2024, 31(1): 54-60.

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随着风电渗透率不断提高，其不确定性严重影响了电力系统频率稳定。基于此问题，建立了含风电的互联电力系统负荷频率控制模型，其中风机通过附加下垂与虚拟惯性控制参与频率调节。在此基础上，为解决风电接入系统引起的频率波动问题，提出变论域云 PI 负荷频率控制策略，对云模型输入和输出论域动态调整。为避免增加控制器的复杂程度，基于函数形式设计论域的伸缩因子。最后，仿真结果表明，所设计的控制器能进一步提高云 PI 控制器的自适应能力，更好地处理风电不确定性对系统频率的影响。

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多机械系统的固定时间一致性设计

孟云斐 , 王保防 , 蔡明洁

控制工程. 2024, 31(1): 61-69.

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针对具有未知非线性特性和扰动的多机械系统一致性问题，提出了一种基于径向基函数(radial basis function, RBF)神经网络的固定时间一致性算法。首先，建立了存在未知非线性函数项和不确定扰动的多机械系统模型；其次，根据系统模型设计了一种固定时间一致性协议，利用 RBF 神经网络来逼近模型中未知的非线性项；再次，利用李雅普诺夫稳定性理论证明了任意一对机械系统的位置和速度误差可以在固定时间内收敛到零的小邻域内；最后，通过 MATLAB 仿真软件验证所设计协议的有效性。仿真结果表明，所提出的协议能够实现预期目标。

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一种基于动作采样的 Q 学习算法

赵德京 , 马洪聪 , 廖登宇 , 崔浩岩

控制工程. 2024, 31(1): 70-79.

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强化学习使用马尔可夫决策过程的形式化框架，使用状态、动作和奖励定义学习型智能体与环境的交互过程。多智能体强化学习存在联合动作数随智能体个数的增加呈指数级增长的问题。为缓解此问题，提出一种基于动作采样的 Q 学习(action-sampling based Q-learning, ASQ）算法。该算法采用集中训练-分散执行的框架，在集中训练阶段更新联合动作 Q 值时并没有遍历所有联合动作 Q 值，而只对部分联合动作 Q 值进行采样。在动作选择和执行阶段，每个智能体又独立选择动作，有效减少了学习阶段的计算量。实验结果表明，该算法能够以 100%的成功率学习到最优联合策略。

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基于安全强化学习的不确定二阶系统模型参考跟踪控制

胡一帆 , 刘克新 , 付俊杰 , 温广辉

控制工程. 2024, 31(1): 80-87.

摘要 ( )

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针对带有不确定性动态的二阶系统模型参考轨迹跟踪控制问题，设计了一种基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法。该算法能在学习跟踪控制器的过程中保证系统避障。首先，对具有安全约束的轨迹跟踪控制强化学习问题进行建模。其次，利用高斯过程模型对未知系统动力学的估计，得到鲁棒的避障控制障碍函数条件，在该条件下得到概率意义下的系统安全性保证。最后，提出基于鲁棒控制障碍函数的安全强化学习算法，得到最优模型参考轨迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提算法的有效性。

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基于 SR-Net 的视网膜内积液分割

张善汝, 刘哲夏, 李峰, 江旻珊

控制工程. 2024, 31(1): 88-94.

摘要 ( )

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糖尿病性黄斑水肿(diabetic macular edema, DME)是视网膜上毛细血管渗漏的液体在细胞间隙聚集引起的中央视网膜肿胀。基于眼底光学相干断层扫描(optical coherence tomography, OCT)图像的黄斑区积液检测在 DME 治疗方面具有重要的作用。因此，提出了一种分割网络 SR-Net，以实现在 OCT 图像上自动分割视网膜内积液(intraretinal fluid, IRF)。SR-Net 以 Res2Net 为主干，并引入了空间通道压缩和激发(spatial and channel squeeze & excitation, scSE)模块、平行解码器等结构。基于 Kermany 数据集的实验结果表明，SR-Net 分割 IRF 的平均 Dice 系数、灵敏度、特异性分别为 75.20%、77.56%、99.98%，最大 Dice 系数可达 88.19%，证明了 SR-Net 的有效性。

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线性自抗扰控制系统的稳定性分析方法

刘艳红, 李朋真, 李汇来, 吴振龙, 李兆阳

控制工程. 2024, 31(1): 95-102.

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针对二阶线性系统和二阶线性自抗扰控制，提出了基于误差的稳定性分析方法。该方法通过观测误差、跟踪误差状态量建立闭环系统状态空间模型，借助状态空间模型的特征值分析闭环系统的收敛性，并运用李雅普诺夫法判断系统的稳定性。与基于劳斯判据的稳定性分析方法相比较，二者的分析结论一致，算例和仿真结果验证了所提方法的简单性和有效性。此外，通过仿真和蒙特卡洛实验验证了自抗扰控制相比于 PID 控制在跟踪性能、抗扰能力和鲁棒性等方面的优势。

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无模型自适应滑模控制的微波加热过程温度控制

杨彪, 刘承, 李鑫培, 杜婉, 高皓, 马红涛

控制工程. 2024, 31(1): 103-111.

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微波加热模型具有无限维、非线性和时变等特点，导致控制器难于设计和实现。针对此问题，提出了一种适用于微波加热过程的无模型自适应滑模控制方法。首先，对微波加热过程传热数学模型进行分析，建立了微波加热过程输入功率与温度之间的全格式动态线性化数据模型。然后，根据该数据模型设计了无模型自适应滑模控制器，并给出了数据模型中相关未知时变参数和未知干扰的估计算法。最后，利用 COMSOL 和 MATLAB 进行仿真，仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

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基于扩张状态观测器的永磁同步电机自适应鲁棒控制

孙洪博, 张晓宇, 柳向斌

控制工程. 2024, 31(1): 112-120.

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永磁同步电机无传感器控制具有简化机械结构、降低成本和延长使用寿命等优点，然而其跟踪性能受不可测系统状态和干扰的观测精度影响。为了提高其跟踪精度，提出了一种结合转子位置、转速和干扰观测器的自适应鲁棒控制方法。首先，通过滑模观测器获得反电动势估计；然后，引入自适应律对参数化不确定性进行在线估计，形成以转子位置误差为输入的扩张状态观测器，提高了观测精度；最后，基于不确定性项估计和干扰观测值，设计转速跟踪误差的积分滑模面和相应的自适应滑模控制器，保证了电机系统的控制性能。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

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蔗糖生产智能化计算机管理系统研发

王靖丹, 冯建

控制工程. 2024, 31(1): 121-125.

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针对蔗糖生产存在人工操作居多，现有自动化和信息化系统相对孤立，缺乏集成导致生产效率较低的问题，通过对制糖企业的当前生产经营特点和实际需求的分析，利用物联网、移动互联网、云计算、大数据等最新的技术手段开发蔗糖生产智能化计算机管理系统。系统可以通过企业内部网和互联网进行异地浏览和信息采集，其功能涵盖了制糖企业从底层的数据采集监视到上层的经营管理。系统实现了生产经营的精细化管理、实时管理和分级考核，企业物流、资金流和信息流的集成，使得生产经营过程协调有序地进行，解决了之前生产不能同时实现管理和现场监控相结合的问题。现场验证结果表明，该系统能够有效地提升生产效率，降低生产成本。

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概率融合的抗侧翻智能主动悬架控制研究

周辰雨, 易莎, 余强, 赵轩, 张佳彬, 张硕

控制工程. 2024, 31(1): 126-133.

摘要 ( )

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为了提升高质心车辆的侧倾稳定性和平顺性，降低车辆侧翻事故造成的伤亡率，提出一种基于概率融合隶属度函数构建理论的侧翻工况预测和控制方法。首先，通过采集车辆侧翻工况数据，选取车辆状态变量，基于影响权重确定与车辆侧翻相关的关键影响因子。其次，根据时间序列对数据进行时间片段划分，设计动态贝叶斯预测网络，对下一时间片段内车辆侧翻概率进行预测。最后，根据车辆性能参数与控制器参数的映射规则，建立概率融合的 Takagi-Sugeno(T-S)模糊隶属度函数，设计车辆主动悬架抗侧翻鲁棒控制器。CARSIM/Simulink 联合仿真结果表明，与被动悬架、半主动悬架、多目标控制主动悬架相比，所提方法可以平稳且高效地防止车辆侧翻，提升车辆行驶的安全性。

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基于离散积分滑模的四旋翼编队跟踪控制

陈培毓, 王介鹏, 张良银, 杜宝珠, 陈志强

控制工程. 2024, 31(1): 134-141.

摘要 ( )

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针对四旋翼编队的轨迹跟踪问题，提出一种基于离散积分滑模的分布式编队控制器。首先，建立四旋翼的离散模型，并将其分为位置系统和姿态系统。其次，基于一致性理论和图论知识建立四旋翼编队的拓扑图，对位置系统采用离散积分滑模控制方法，对姿态系统采用指数趋近律的滑模控制方法，并进行编队一致性分析。最后，利用离散扩张观测器估计并补偿外界干扰和不可建模部分。仿真结果表明，所设计的分布式控制器能使四旋翼形成编队并跟踪给定轨迹。

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求解有服务顺序限制的 MDMOVRPTW 的 IHHO 算法

李留留, 张惠珍, 罗诗琪

控制工程. 2024, 31(1): 142-152.

摘要 ( )

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针对有服务顺序限制的带时间窗的多需求多目标车辆路径问题(multi-demand and multi-objective vehicle routing problem with time window, MDMOVRPTW)，在考虑多种需求由不同车辆按顺序服务等约束条件的同时，构建了最小化配送成本和最大化客户满意度的多目标模型。根据模型的特点设计了改进的哈里斯鹰优化(improved Harris hawks optimization, IHHO)算法，随机地将种群中部分支配解作为父代解，用临时组合算子和 4 种交叉算子搜索新解。最后，算例测试结果表明，相较于传统的哈里斯鹰优化算法，IHHO 算法的求解性能得到了有效改善，各操作算子中交叉算子 2 的求解效果最好。将 IHHO 算法用于实例中，求解结果得到了改善，充分验证了 IHHO 算法的有效性。

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一种基于自适应滤波的 VFRM 无位置传感器控制

周齐, 刘旭

控制工程. 2024, 31(1): 153-160.

摘要 ( )

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可变磁通磁阻电机(variable flux reluctance machine, VFRM)的空间磁链谐波和逆变器非线性等因素会在扩展反电动势中产生谐波，进而降低无位置传感器的控制精度。为解决此问题，首先通过构建双曲正切函数滑模观测器，减小传统滑模观测器造成的高频抖振和相位延迟；然后分析了扩展反电动势谐波对转子位置估计的影响，并在此基础上提出了一种变步长最小二乘(least mean square, LMS)自适应滤波算法，准确地提取了扩展反电动势的基波分量，提高了转子位置和转速的估计精度。实验结果表明，所提算法与传统定步长 LMS 自适应滤波算法相比具有更好的控制性能。

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基于串级模型预测控制的倾转旋翼机过渡段控制

顾超越, 王彪, 唐超颖

控制工程. 2024, 31(1): 161-167.

摘要 ( )

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针对倾转旋翼机过渡阶段存在的纵垂向控制通道切换问题，基于串级控制框架提出了一种具有自适应权重矩阵的模型预测控制(model predictive control, MPC)策略。首先，通过分析直升机模态和定翼机模态的控制结构差别，构造了兼容全部飞行模态的增广串级控制结构。然后，在确立了倾转旋翼机的模糊建模策略后，设计了 MPC 目标函数中权重矩阵的参数自适应变化律，从而使内环和外环中高度、前飞速度的跟踪误差惩罚项根据所处模态的不同有着不同的惩罚占比。这样可以使在过渡阶段设计的增广串级控制结构能始终满足时标分离原则。该控制方案将 2 个飞行模态和过渡阶段的控制纳入一个统一的控制结构中，实现了各飞行模态间的自由切换。仿真结果表明，所提控制方案有良好的控制效果，控制量较为平滑。

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基于改进人工势场法的多智能体编队避障

李科宇, 杨尚志, 张刚, 陈跃华, 苏雪华

控制工程. 2024, 31(1): 168-177.

摘要 ( )

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针对随机障碍物环境下的多智能体编队避障问题，提出一种灰狼优化算法与人工势场法相结合的多智能体编队避障方法。首先，使用改进收敛因子的灰狼优化算法进行参数寻优，提升全局寻优能力，解决人工势场法中引力和斥力增益系数的经验取值存在局限性和编队系统避障速度慢的问题。其次，基于领航跟随法的编队结构，采取动态队形变换避障策略，解决编队过程中灵活性较差的问题。最后，设计编队效率函数，用于评估和验证避障过程中队形的稳定性和编队系统对环境的适应性。仿真结果表明，与其他人工势场法相比，使用所提方法进行编队避障后，收敛速度更快，队形更稳定，编队系统对环境的适应性更强。

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基于 DHMM-ESUM 的露天矿运输系统车铲比优化研究

刘设, 吴生楠, 陈盛兰

控制工程. 2024, 31(1): 178-184.

摘要 ( )

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在露天矿生产中，如何利用现有的资源条件对电铲与卡车进行合理配比，充分发挥设备的效率，是提高矿山企业生产效益的关键。以安家岭露天矿生产系统收集的数据为基础，首先运用排队理论构建以电铲为采掘中心，卡车为运输工具的闭合排队网络模型，将运输系统分为 4 个排队子系统，分析各项服务时间的概率分布；基于离散隐马尔可夫模型(discrete hidden Markov model, DHMM)与拓展求和(extended summation, ESUM) 算法分析系统作业性能，获取电铲设备的运行状态和班次生产能力。然后，应用蒙特卡洛法建立随机动态规划模型，以产量期望值最大化为目标对露天矿的车铲比进行优化。最后，对生产系统进行仿真建模分析，结果验证了基于 DHMM-ESUM 对车铲比进行优化的有效性和准确性。

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面向恶意网络攻击的电力监控系统防御策略设计

杜奇伟, 徐红泉, 郑翔, 毛以军

控制工程. 2024, 31(1): 185-192.

摘要 ( )

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为保障电力系统正常运行，针对电力监控系统中能源优化调度过程面临的安全问题，提出一种有向网络拓扑下面向恶意网络攻击的防御策略。首先，对于非隐蔽型网络攻击，将有向连通支配集作为系统的安全区域，进而设计了一种基于弹性一致性的优化调度算法，确保系统在非隐蔽型攻击下可靠运行。然后，对于隐蔽型网络攻击，引入水印信号的标签机制，以防止隐蔽型攻击对优化调度算法收敛性的影响。最后，收敛性分析和数值仿真结果表明，在所设计的防御策略下，所有被攻击的节点都能被检测到，剩余未被攻击的节点可在新的发电机组负荷分配下达到最优解。

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2024年, 第31卷, 第1期　
刊出日期：2024-01-20

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