控制工程

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孙兵, 戚国亮, 张威, 孟祥巧

控制工程. 2024, 31(5): 769-777.

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在复杂多变的水下环境中，针对港口等环境下的运动入侵目标的拦截问题，提出了一种新的多自主水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)拦截算法——预测规划拦截法。首先，通过 AUV 和入侵目标的运动轨迹，依据拦截点思想快速简单地确定拦截位置，对三维环境下拦截点难以计算的问题采用粒子群优化算法选择最优拦截点，有效降低拦截距离。其次，利用人工势场法规划每个 AUV 在海流环境下的拦截路径。当目标物被环境中任意一个 AUV 拦截时，则认为拦截成功。仿真结果表明，在存在海流、障碍物的不同水下环境中，预测规划拦截法的拦截效率较传统的跟踪拦截法有较大的提升。

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基于改进 ADE 的城轨列车运行节能优化方法

周艳丽, 鄢苗, 杨辉

控制工程. 2024, 31(5): 778-786.

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城轨列车运行环境复杂，模式多变。为准确描述列车的实际运行状态，首先基于实际线路条件建立城轨列车动力学模型和多目标优化模型。然后，基于反三角函数 logistic 映射的初始化改进策略和基于 logistic 模型的控制参数自适应策略，提出一种改进自适应差分进化(adaptive differential evolution, ADE)算法求解优化模型，可实现列车安全、准点、精确停车，节能、平稳运行。与传统高斯模型相比，通过采用钟形模型构建新的舒适度指标，能更好地改善舒适度。还针对多站间运行普遍采用固定运行策略的问题，结合专家经验和实际线路条件来自动选择站间运行策略，可缩小算法搜索范围并提高算法求解效率。最后，基于实际线路数据和车辆数据的仿真实验结果表明，所提方法有效降低了运行能耗，改善了乘客舒适性。

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综合非线性控制器设计在着舰控制上的应用

尹海韬, 李艳

控制工程. 2024, 31(5): 787-793.

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舰载机着舰阶段是舰载机控制的一个重要阶段。根据着舰模型的回路特点，结合非线性控制理论，设计了一种基于回路分配策略的综合非线性控制器，用于舰载机着舰轨迹跟踪控制；给出动态逆、轨迹线性化及 BP 神经网络的基本理论，并根据其特点应用于舰载机着舰模型的不同回路；给出了改进的综合非线性控制系统模型；以某舰载机飞行/推力综合系统为例，进行数字仿真，结果证明了该综合非线性控制器具有满意的跟踪效果和鲁棒性。

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球形机器人水上运动动力学建模及控制设计

胡安庆, 高丙团, 王寰, 何嘉弘

控制工程. 2024, 31(5): 794-800.

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针对双轮驱动的球形机器人，研究其在水上的动力学建模与控制设计。选择球内驱动体摆角、球体转角和球体平动位移作为广义坐标，通过将水阻力分解为阻碍球形机器人平动的压差阻力和阻碍球形机器人转动的水面粘滞摩擦力，求得广义坐标对应的广义力，利用拉格朗日方程建立球形机器人水上运动的动力学模型。进一步，将得到的水上动力学模型线性化并推导出球体平动速度相对于输入转矩的传递函数，设计速度闭环 PID 控制器来实现球形机器人水面运动的恒速控制。最后，通过仿真和实验验证了动力学模型的正确性和所设计控制器的有效性。

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基于固定时间的空间机器人阻抗控制

高鼎峰, 刘辽雪, 郭毓

控制工程. 2024, 31(5): 801-805.

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针对在轨装配任务对空间机器人柔顺动作的要求，研究了配备两自由度机械臂的空间机器人固定时间阻抗控制方法。基于固定时间稳定理论，根据空间机器人的运动学和动力学模型，设计了一种固定时间稳定的阻抗控制器，以实现障碍环境下空间机器人的柔顺控制。通过构造合适的 Lyapunov 函数证明了所设计的阻抗控制器的稳定性。仿真结果表明，所设计的固定时间阻抗控制器在保证机械臂实现良好位置跟踪的同时，能够快速顺应环境变化。

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参数快速自适应的电动注塑机的期望补偿自适应鲁棒控制

李绍钻, 周宏伟, 邬惠峰, 廖建锋

控制工程. 2024, 31(5): 806-814.

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为了提高电动注塑机模具控制精度和稳定性，首先，针对由齿轮和滚珠丝杆结构组成的模具控制部分，建立了非线性动态模型。随后，提出了一种期望补偿自适应鲁棒控制器(desire compensate adaptive robust control, DCARC)。将参数估计过程和鲁棒控制律的设计分开，以提供更好的参数估计，并引入基于随机梯度下降法的模型补偿项以确保其瞬态性能，实现对其高精度的控制，并同时具备对参数的快速自适应能力。最后，设计了与传统控制器的对比实验，并在电动注塑机上进行了实验。对比实验结果验证了提出的方法具有较高的跟踪性能和较强的参数自适应性。

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基于等价输入干扰的不确定离散时间系统预见重复控制

兰永红, 邓云强

控制工程. 2024, 31(5): 815-824.

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针对一类具有外部干扰的不确定线性离散系统，提出一种基于等价输入干扰(equivalent input disturbance, EID)补偿的预见重复控制设计方法。首先，为了在提高系统跟踪精度的同时对外部干扰进行主动抑制，提出一种前向通道包含预见和重复控制器、反馈通道包含EID 补偿的多自由度系统结构。然后，利用 T 阶差分算子，获得包含目标信号预见信息、重复控制器输出以及重构干扰的增广离散系统。于是，设计控制器的问题，变成了离散系统在二次性能指标下的稳定性问题。进一步，利用 Lyapunov 稳定性理论和线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)处理技巧，得到系统稳定性条件，进而获得控制器参数化方法。最后，数值仿真验证了所提方法的有效性。

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基于模糊结构元的新零售末端配送网络优化研究

纪成君, 王悦

控制工程. 2024, 31(5): 825-832.

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新零售模式下，高时效性的物流末端配送对提高顾客满意度具有重要作用，而对末端配送中心位置和数量的确定，是优化末端配送网络的关键。首先，综合考虑影响配送中心位置与数量的模糊因素，构建以配送时间最少、配送中心覆盖范围最大以及系统成本最低为目标的模糊多目标规划模型；其次，采用结构元加权序准则法求解模型，生成三角模糊数简化求解过程；最后，以算例检验方法的有效性。结果表明，所提出的模型能够将模糊因素融入模糊决策过程中，且结构元加权序准则法有助于决策者灵活调整方案和决策，从而对新零售末端配送网络布局进行优化。

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基于改进 FWA 的配电网优化重构方法研究

阎馨, 全洪燕, 屠乃威

控制工程. 2024, 31(5): 833-841.

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针对配电网重构问题，以降低网络损耗、提高节点电压为目标，建立了配电网重构模型，提出了一种解决配电网重构问题的改进烟花算法(firework algorithm, FWA)。算法使用环路编码压缩解空间，提高求解效率。基于核心烟花给出了火花爆炸幅度的计算方法，采用高斯和均匀分布均值混合的变异方式以及精英选择策略，提高解的多样性、搜索效率和收敛速度。为了验证所提算法的适用性和正确性，在 IEEE33 和 IEEE69 节点系统上进行了算法测试，结果表明，重构后的网络损耗明显降低，节点电压得到提高，所提算法具有较好的鲁棒性。将所提算法与其他算法进行比较，结果表明，所提算法在降低网络损耗、提高节点电压、求解效率等方面均优于其他算法。

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一类不确定切换模糊系统的记忆保成本控制

张乐, 王悦, 杨红

控制工程. 2024, 31(5): 842-849.

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针对一类具有状态时滞和不确定性的切换模糊系统，提出了该类系统的记忆保成本控制问题。利用引入系统过去的状态信息，构造有记忆状态反馈控制器，以消除系统时滞对于系统稳定性产生的不良影响。在保证成本函数指标小于某个上界及允许的不确定性条件下，结合多 Lyapunov 函数方法和线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)处理方法得到最终的充分条件，保证闭环系统能够渐近稳定；且得到满足设计的切换律的记忆状态反馈控制器增益。最后通过 Simulink 仿真验证了所提方法的正确性。

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多阶段青霉素生产过程的故障检测研究

张晓玲, 丁腾飞, 曹玉苹

控制工程. 2024, 31(5): 850-857.

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考虑到青霉素发酵是复杂的多阶段动态批处理过程，提出多阶段多向可预测成分分析(multiphase multiway forecastable component analysis, MP-MForeCA)的故障检测方法。该方法基于 K 均值和密度峰值聚类算法设计阶段划分方法，将多批次的青霉素发酵过程数据划分成不同子阶段，在子阶段三维数据上分别应用多向展开的可预测成分分析(multiway forecastable component analysis, MForeCA)算法，提取各阶段中具有可预测特性的可预测成分，捕捉各阶段的动态变化；最后利用可预测成分和残差分别构建 2 F 和 SPE 统计量来监控模型。通过与 MForeCA 和多向主元分析(multiway principal component analysis, MPCA) 的实验对比发现，MP-MForeCA 方法不管是对青霉素生产中的突变故障还是缓慢变化故障都有更好的检测效果，包括提高检测率和降低误报率，体现了多阶段建模规则的MPMForeCA 方法的优越性。

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虚拟同步发电机参数设计及优化研究

卢宇昊, 潘庭龙, 许德智, 周喜超, 李建林

控制工程. 2024, 31(5): 858-864.

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虚拟同步发电机的参数众多，参数设计较为复杂，常规方法难以保证设计效果。针对该问题，采用控制变量的方法改变阻尼系数、转动惯量、下垂系数和积分系数值大小，在分析比较不同参数值下虚拟同步发电机的有功、无功动态响应效果的基础上，通过建立以系统动态响应稳定性能为目标的优化函数，提出了一种基于松鼠搜索算法的虚拟同步发电机参数优化设计方法。仿真结果表明，提出的参数优化设计方法能够更准确地选择出合理参数，有效提升了虚拟同步发电机的动态响应性能，具有较好实用性。

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四旋翼无人机预设性能自适应 PID 控制

王安琪, 李俊丽, 夏国锋, 陈河江

控制工程. 2024, 31(5): 865-875.

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针对四旋翼飞行器在轨迹跟踪过程中存在建模误差和外界干扰问题，设计了一种双闭环控制系统。内环姿态环采用自适应 PID 算法，用滑模算法作为自适应机制，结合梯度下降法克服传统 PID 需要手动调节参数的问题，并用 RBF 神经网络消除滑模控制过程中产生的抖振现象；外环位置环采用预设性能自适应 PID 算法，即在自适应 PID 算法的基础上加上预设性能控制，将误差用预设性能函数进行转换，使系统误差能够始终稳定在预设值，实现位置的快速跟踪；最后用 Lyapunov 函数证明系统的稳定性。从跟踪的快速性、稳定性和稳态性能方面，由仿真结果对比证明本文所设计的控制算法有很大的优越性，并能对不同形式的外部扰动表现出强抗干扰性。

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车车通信移动授权的功能建模及性能分析

徐冬炜, 张振海, 党建武

控制工程. 2024, 31(5): 876-883.

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车车通信列车运行控制系统中移动授权的生成对城市轨道交通运营效率有着较大的影响。通过分析车车通信列车运行控制系统中移动授权的生成过程及性能，建立基于有色 Petri 网(colored Petri net, CPN)的车车通信移动授权信息交互的模型，进行性能分析。研究移动授权生成过程中端对端通信传输时延的延时概率，根据不同信道质量下统计传输时延的平均值，计算移动授权完成的成功率。分析结果表明，基于车车通信的列车运行控制系统移动授权的生成过程，符合地铁长期演进(long term evolution for metro, LTE-M)系统端到端延时时间不大于 150 ms 的概率不小于 98%，时延随着信道质量的下降而增加。

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基于 SVD 和 MED 的滚动轴承特征提取

何泽人, 彭珍瑞

控制工程. 2024, 31(5): 884-890.

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针对滚动轴承振动信号易受噪声影响，难以提取故障特征信息的问题，提出一种奇异值分解(singular value decomposition, SVD)重构结合最小熵反卷积(minimum entropy deconvolution, MED)增强的滚动轴承故障特征提取方法。首先，对振动信号进行 SVD 分解，并计算奇异分量(singular component, SC)对应线性峭度(L-kurtosis)值；其次，根据线性峭度值结合设定阈值筛选 SC，叠加得到重构信号；随后，对重构信号利用 MED 进行增强，凸出信号中周期冲击成分；最后，结合包络解调提取故障特征频率。仿真信号及实测信号分析结果表明，该方法可以降低噪声对振动信号的影响且凸显故障的特征信息，实现故障诊断。

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电液伺服控制柱塞泵转速干扰及控制策略研究

符鹏, 王剑强, 王大龙, 秦怀新

控制工程. 2024, 31(5): 891-900.

摘要 ( )

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为克服电机转速对电液伺服控制变量轴向柱塞泵输出特性产生的干扰问题，建立电液伺服控制轴向柱塞泵系统的 Simulink-AMESim 仿真模型，以恒流量为评价指标研究电机转速干扰条件下电液伺服控制变量柱塞泵恒流量控制的输出特性，分别利用传统 PID 及模糊自适应 PID 控制策略对电液伺服控制变量柱塞泵进行抗干扰控制，获得不同类型干扰情况下电液伺服控制变量泵系统的输出特性曲线。仿真结果表明：恒流量控制下，电液伺服控制变量柱塞泵的流量波动为 3.80 L/min，当电机转速分别存在正弦波、方波及三角波脉冲扰动工况时，流量波动分别上升至 9.34 L/min、9.59 L/min、4.52 L/min。分别利用 PID 及模糊自适应 PID 对电液伺服控制变量柱塞泵进行抗干扰控制，流量波动分别降低了 3.41 L/min 和 5.90 L/min。

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基于 CCA 和 Transformer 的 YOLOv8 船舶目标检测算法

李斌, 雷钧涵, 郭毅

控制工程. 2024, 31(5): 901-911.

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为了提高利用合成孔径雷达图像进行船舶目标检测的精度、准确率和鲁棒性，提出了一种基于YOLOv8 的改进算法：CCAT-YOLOv8。在 CCAT-YOLOv8 算法中，一方面设计了一种坐标通道注意力(coordinate channel attention, CCA)机制模块，用于降低检测受到港口建筑、海岸环境、船舶分布密度和外型大小等因素的影响，提高算法在复杂环境下的检测精度；另一方面基于 Transformer 网络提出了一种改进 Transformer 模块用于缓解图像噪点和光污染对检测的干扰，以增强模型对图片深层特征信息的挖掘能力，提升算法目标检测的准确率和可靠性。最后，面向中国资源卫星应用中心提供的船舶数据集对 CCAT-YOLOv8 算法进行了有效性检测，算法的平均精度为92.57%，准确率达到 91.58%，较好地体现了 CCAT-YOLOv8 算法在船舶目标检测上的内在价值与应用潜力。

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基于全局滤波池化多关系 Transformer 网络的行人重识别

焦传扬, 丁学明

控制工程. 2024, 31(5): 912-919.

摘要 ( )

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行人重识别(Re-identification, ReID)的关键挑战之一是提取关键且鲁棒的特征，近年来，Transformer 网络不断展现其在该问题上具有强大的特征提取和表达能力。针对传统 Transformer 网络局部信息获取不如卷积神经网络的问题，提出一个基于ReID 的全局滤波池化多关系 Transformer(Trans-global filter pooling multi relationship-ReID, TFMR)网络新型框架，解决了 Transformer 网络局部关系建模不够丰富的问题。多关系(multirelation, MR) 网络考虑身体多个部位间的关系，使特征包含局部信息之间的联系，增强特征中行人生理结构的关联。同时设计了全局滤波池化(global filter pooling, GFP)模块，将其嵌入到 Transformer 网络中，降低图片中噪点的干扰并减少视图变化造成的特征偏差，从而获取人物图像中更清晰的全局特征，提升识别准确率。实验表明，模型在区分行人信息问题上具有高效性，在 Market-1501、DukeMTMC-ReID 和 MSMT17 数据集中优于其他模型。

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可见光与红外图像联合口罩佩戴检测研究

白梅娟, 查祖福水, 王杨洋, 侯帅, 王泽超

控制工程. 2024, 31(5): 920-927.

摘要 ( )

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为缓解疫情期间口罩佩戴检测工作压力，降低检测环节运算负担，提出一种轻量化的可见光与红外图像联合口罩佩戴检测方法。首先，提出了一种基于可见光图像颜色通道选择的人脸检测算法，能够有效减弱光照亮度对检测的影响；然后，提出一种基于边缘结构相似度的可见光图像与红外图像匹配算法，在红外图像上搜索与可见光图像人脸匹配的人脸区域；最后，采用相关滤波检测器在红外图像上判断口罩佩戴情况。为测试方法性能，创建了可见光/红外图像口罩佩戴检测数据集。与 5 种可见光图像口罩检测算法的对比结果表明，提出的方法具有较高的准确率和召回率。

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基于 DPC-MND 和多元状态估计的磨煤机故障预警研究

姚天杨, 茅大钧, 韩万里

控制工程. 2024, 31(5): 928-937.

摘要 ( )

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火电机组磨煤机存在运行条件恶劣、故障频发等问题，对磨煤机进行故障预警，可以有效防止一些常见故障的发生，从而保证火电机组的安全运行。为此，提出一种基于相互邻近度的密度峰值聚类和多元状态估计的磨煤机故障预警方法。首先，采用核主元分析选取磨煤机的主要状态参数，同时采用集合经验模态分解对历史运行数据进行去噪，进一步优化数据质量；然后，采用基于相互邻近度的密度峰值聚类(density peaks clustering based on mutual neighborhood degrees, DPC-MND)方法构建动态记忆矩阵，利用多元状态估计技术(multivariate state estimation techniques, MSET)对磨煤机正常运行工况下的历史数据进行建模，并确定磨煤机的运行状态。最后，以安徽某电厂 ZGM113G 型中速磨煤机为例进行验证，结果表明该方法可以实现对磨煤机故障的有效预警。

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复合干扰作用下基于干扰观测器的系统运行优化控制

徐杨博, 殷利平, 侯帅楠, 赖蓝蓝, 李涛

控制工程. 2024, 31(5): 938-946.

摘要 ( )

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为了优化实际工业系统性能，降低损耗，针对不同类型干扰同时作用的系统，提出一种改进的两层运行优化控制算法来解决干扰对控制系统带来的影响。首先，采取传统两层运行优化控制框架结构，在底层设计 PID 控制器来保证控制系统的跟踪性能，使得系统的输出能尽可能地跟踪设定值；其次，根据作用于系统的复合噪声类型，结合 H∞ 方法在上层设计干扰观测器以及补偿控制器进行干扰抑制，以使系统的输出能够跟踪最优设定值；最后，通过数值仿真验证该方法的有效性。

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基于改进蚁群算法的 AGV 路径规划研究

念紫帅, 刘海鹏, 李国强, 董旭

控制工程. 2024, 31(5): 947-953.

摘要 ( )

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路径规划是自动导引车(automated guided vehicle, AGV)实现自主能力的重要组成部分。针对传统蚁群算法收敛速度慢、易陷入局部最优等问题，提出一种改进蚁群算法的路径规划方法。该方法通过引入一种动态调节因子，以实现算法在收敛性和全局搜索能力方面的平衡作用；改进状态转移规则，以提高算法的搜索质量，避免陷入局部最优；提出了一种改进的信息素更新策略，有效提高了算法的收敛速度；通过对信息素挥发因子进行自适应调整，以提高算法的收敛速度和整体优化能力。最后，在改进算法所规划出的最优路径的基础上进行路径的二次优化，可以减少路径长度，降低能耗，提高 AGV 的工作效率。实验结果表明，将该方法应用在 AGV 的路径规划方面更具有效性和优越性。

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基于扰动观测器的双容液位系统 RBF 神经网络滑模控制

张克, 于海生, 孟祥祥, 颜克甲

控制工程. 2024, 31(5): 954-960.

摘要 ( )

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针对双容液位系统存在的外部扰动、模型参数不确定等问题，设计了一种基于非线性扰动观测器(nonlinear disturbance observer, NDOB)的径向基函数神经网络滑模控制 (radial basis function neural network sliding mode control, RNNSMC)方法。建立双容液位系统数学模型，采用积分型滑模面来提高系统的鲁棒性，在常规积分滑模控制的基础上，通过 RBF 神经网络(RBF neural network, RNN)对系统的非线性函数进行逼近，并设计非线性扰动观测器估计外部扰动，选用 Lyapunov 稳定性判据证明了控制策略的闭环稳定性。仿真结果表明，所提控制策略与积分滑模控制(integral sliding mode control, ISMC)方法相比，不需要精确的数学模型，且控制精度更高，抗干扰能力更强。

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2024年, 第31卷, 第5期　
刊出日期：2024-05-20

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