控制工程

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张化光 , 王天彪 , 胡旭光 , 马大中 , 刘金海

控制工程. 2024, 31(6): 961-972.

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管道泄漏诊断技术在保障管道系统安全运行中起着至关重要的作用。首先，介绍了管道泄漏诊断系统的结构，并指出由单一管段向复杂管网泄漏诊断的发展趋势。进一步从基于数据驱动的传统泄漏检测方法、管道泄漏信号源定位技术和基于深度学习的复杂管网泄漏检测方法 3 个方面进行综述，分析了不同方法的优势、局限性和适用范围。最后指出，随着管网系统的复杂度增加，传统方法的局限性逐渐显现，基于深度学习技术的复杂管网微弱泄漏诊断、多源信号融合和管网智能化的研究将成为未来的研究趋势。

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基于终端滑模的 F-16 固定翼飞行器有限时间编队控制

辛颖, 姜斌, 冒泽慧, 吕迅竑, 马亚杰

控制工程. 2024, 31(6): 973-980.

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以 F-16 固定翼飞行器为研究对象，采用终端滑模控制方法，实现了六自由度固定翼飞行器的有限时间编队控制。首先，根据奇异摄动理论，将固定翼飞行器十二阶微分运动方程按照响应速度快慢分为外环位置编队控制系统和内环姿态跟踪控制系统。外环应用有限时间稳定性理论和非线性滑模控制方法设计了分布式控制器，实现多固定翼飞行器系统的有限时间编队控制。然后，将外环分布式控制器产生的控制信号转换为内环单架固定翼飞行器的姿态跟踪参考信号，内环应用非线性动态逆(nonlinear dynamic inversion, NDI)控制和增量非线性动态逆(incremental nonlinear dynamic inversion, INDI)控制在可能存在执行器故障的情况下实现单架固定翼飞行器姿态的跟踪控制。最后，通过仿真实例验证了该控制方法的有效性。

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改进文化基因算法求解双资源约束柔性作业车间调度问题

王玉芳 , 陈凡 , 姚彬彬 , 曾亚志

控制工程. 2024, 31(6): 981-994.

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针对具有机器和工人的双资源约束柔性作业车间调度问题，以最小化最大完工时间为目标构建调度模型，并设计一种改进文化基因算法对其进行求解。由于该调度问题需要同时考虑工序排序、机器选择及工人选择 3 个子问题，故采用三层序列编码。考虑传统解码方式存在收敛速度慢、收敛不完全的弊端，设计一种扩展型插入式主动解码方式，以提高算法的收敛速度；针对进化算法易陷入局部最优的缺陷，设计一种基于负载平衡的机器和工人再分配算子，增强算法的全局搜索能力，对种群中的优秀个体采用改进变邻域搜索以提高算法的局部寻优能力。最后，利用仿真算例及航空设备生产实例进行实验，验证所提算法求解双资源约束调度问题的有效性。

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具有共存吸引子混沌系统的自适应同步控制

颜闽秀 , 郭栋

控制工程. 2024, 31(6): 995-1003.

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在一个三维混沌系统的基础上，通过添加一个非线性反馈控制器，得到一个新的四维混沌系统。通过相图、功率谱、庞加莱截面、李雅普诺夫指数、平衡点等证明了系统的混沌特性，并通过分岔图分析了系统在不同参数下的运动状态。研究发现，该系统具有非常复杂的动力学行为和共存吸引子现象。同时，通过设置不同的初始值和不同的偏移增量，分别证明了系统具有共存吸引子，此结论对混沌保密通信等领域有一定的应用价值。通过 0-1 测试证明了混沌和周期运动的存在，并通过谱熵(spectral entropy, SE)算法和 C0 算法讨论了系统的复杂度。最后，设计了自适应同步控制器，仿真结果证明新系统可以在参数不确定的情况下实现同步控制，表明控制器是有效的。

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分层表冷器的水循环优化预测控制研究

王华秋 , 朱天虎 , 高鹏

控制工程. 2024, 31(6): 1004-1011.

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针对分层表冷器的协同控制问题，根据室外温度和室外相对湿度这 2 种环境变量，采用门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)网络搭建表冷器温湿度系统预测模型，用于预测室内平均温度和室内平均湿度。首先，针对水循环优化算法收敛速度慢的问题，将生物地理学优化(biogeography-based optimization, BBO)算法中的迁入迁出行为嵌入到水循环算法(water cycle algorithm, WCA)中，以提高算法性能；然后，利用改进的水循环算法(improved water cycle algorithm, iWCA)滚动优化得到控制量，即主表冷阀、副表冷阀和电动三通阀的开度。仿真实验结果表明：与传统的预测控制算法相比，GRU-iWCA 预测控制方法具有更高的跟踪精度和稳定性。

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基于状态约束的柔性关节机械臂指令滤波控制

朱钰 , 于金鹏 , 刘加朋 , 于海生

控制工程. 2024, 31(6): 1012-1017.

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针对单连杆柔性关节机械臂系统，研究了全状态约束条件下机械臂末端位置的跟踪控制问题。利用障碍李雅普诺夫函数约束柔性关节机械臂的关节角位置和电机转角位置等状态变量的幅值，保证所有状态变量不会超出给定的限制区域。在此基础上，通过引入带有误差补偿的指令滤波控制技术克服了传统反步法存在的计算爆炸问题，设计了基于状态约束的指令滤波反步控制器。最后，基于李雅普诺夫稳定性理论证明了柔性关节机械臂系统的稳定性，并通过仿真实验验证了所设计的控制器能够有效保证系统的状态约束性能和位置跟踪精度。

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相邻无信号交叉口车辆协同调度方法研究

潘志纯, 侯运锋, 李清都

控制工程. 2024, 31(6): 1018-1026.

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随着车辆拥堵现象日益严重，如何提高交叉口的通行效率已经得到学术界的广泛关注。为充分地利用交叉口有限的物理空间资源，提出了一种相邻无信号交叉口车辆协同调度方法。首先，将交叉口划分为互不相交的物理空间资源，进而把交叉口车辆通行控制问题转化成资源调度问题。然后，基于 Petri 网构建了一个交叉口资源调度模型。为了避免车辆相撞，模型要求同一物理空间资源在同一时刻只能被一辆车占用。实验结果表明：到达率较低时，与采用传统信号灯的控制方式相比，无信号控制方式能有效提高通行效率；到达率较高时，交叉口发生拥堵。但与无协同的控制模式相比，相邻交叉口协同控制模式可以更好地缓解拥堵现象。

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无人机安全路径规划的混沌粒子群优化研究

褚宏悦, 易军凯

控制工程. 2024, 31(6): 1027-1034.

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针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)在存在多种威胁的三维环境下的安全路径规划问题，提出了一种改进的混沌粒子群优化增强算法(improved chaotic, velocity and nonlinear decreasing inertia weight particle swarm optimization, IC-VANDIWPSO)。首先，建立一个具有地形约束和无人机性能约束的威胁环境模型，把路径规划问题转化为成本函数的优化问题。再利用 IC-VANDIWPSO 算法与约束的对应关系，高效搜索复杂的环境，找到安全性高且成本函数小的最优路径。仿真结果表明，IC-VANDIWPSO 算法在收敛速度、初始化时间、路径平滑性以及稳定性等方面都具有显著的优势，获得了更优的路径。

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基于 ESO 的永磁同步电机自耦合无模型滑模控制

侯利民, 张如月, 王巍

控制工程. 2024, 31(6): 1035-1043.

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为了解决基于模型的永磁同步电机调速系统易受外部负载扰动影响的问题，实现转速的高性能控制，提出自耦合无模型滑模级联式统一化控制策略。考虑参数不确定性以及内外扰动，建立了永磁同步电机双环超局部矢量模型。在传统无模型滑模控制器的基础上，通过选取比例双重积分滑模面设计了级联式无模型滑模速度、电流控制器，有效减小了转速的稳态误差。通过设计速度因子解决了控制器比例积分增益整定不合理的问题，同时采用扩张状态观测器对超局部模型中的未知部分进行估计并进行前馈补偿，设计了基于扩张状态观测器的永磁同步电机自耦合无模型滑模控制调速系统。通过与 PI 控制及传统无模型滑模控制的对比仿真与实验分析，验证了所提控制策略的可行性与有效性。

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基于转子磁链和扰动观测器的异步电机自适应反步控制

满忠璐 , 于海生 , 孟祥祥 , 丁豪

控制工程. 2024, 31(6): 1044-1051.

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针对转子电阻摄动和内外部扰动问题，设计了自适应反步控制方法来调节电机速度。首先，提出了一种改进指数趋近律的滑模磁链观测器，估算转子磁链并根据所得磁链计算出转子磁链角。其次，采用扰动观测器估计电机系统中出现的模型不确定性和负载扰动等。再次，利用反步控制法，求解出虚拟控制律和转子电阻自适应律，并设计自适应反步控制器。最后，将所设计的控制方法与传统反步控制方法进行对比，实验结果表明，所提方法的动态过程响应速度快、超调小，稳态过程跟踪精度高，且具有良好的抗干扰能力。

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电动舵机内部扰动分析及建模

孙铭鸿, 黎英

控制工程. 2024, 31(6): 1052-1059.

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电动舵机中的减速机构通常会引入齿隙和摩擦等非线性内部扰动，此类非线性扰动会对电动舵机的动、静态性能造成一定影响。针对电动舵机减速器造成的内部扰动进行了分析，为了解除两级减速器内部的耦合关系，将其分为 2 个部分分别进行建模，再进行串联仿真。基于蜗轮蜗杆减速器建立了随外部负载变化的非线性摩擦模型，基于圆柱齿轮减速器建立了包含非线性力矩传递特性的齿隙模型。通过将模型仿真结果与舵机实测结果进行对比，确认了模型与舵机具有相同的非线性特性，验证了电动舵机内部扰动的来源，并为舵机控制算法的研究提供了良好的平台。

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基于注意力卷积神经网络的视觉里程计

高学金 , 牟雨曼 , 任明荣

控制工程. 2024, 31(6): 1060-1066.

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传统的视觉里程计(visual odometry, VO)要求图像含有大量的纹理信息，且求解过程较为复杂。针对以上问题提出基于注意力卷积神经网络的视觉里程计，对相机进行端到端的位姿估计，利用注意力机制提高模型估计轨迹的精度。首先，使用注意力-卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)模块提取图像特征；然后，将特征输入到门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)学习图像的时序连接性；最后，通过全连接层降维输出相机位姿。在 KITTI 数据集上完成实验，并与其他方法进行对比，结果表明卷积网络中加入注意力机制可以有效提高轨迹估计的精度，且误差低于其他视觉里程计算法。

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基于非线性动态重心粒子群优化的分数阶 PI Ȝ Dȝ控制器设计

王仁明, 刘闻仲, 鲍刚, 张铭锐, 杨婕

控制工程. 2024, 31(6): 1067-1074.

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针对现有 Oustaloup 滤波器拟合精度不佳、结构复杂的缺点，提出了最优精简 Oustaloup 滤波器。针对粒子群优化算法整定分数阶 PI Ȝ Dȝ 控制器参数时学习能力不充分、迭代收敛乏力的问题，提出了一种改进的粒子群优化算法。该算法设计了双异步非线性动态学习因子，以提高粒子的思考能力与信息共享能力，并增加了粒子群质量重心项，用以加速收敛过程。将改进的算法结合最优精简 Oustaloup 滤波器应用于分数阶 PI Ȝ Dȝ 控制器的设计过程，选取了 2 个分数阶系统模型进行仿真验证。结果表明，改进的算法收敛速度更快且不易陷入局部最优，所设计的控制系统超调量更小、调节时间更短、稳态误差更小，提高了系统的抗干扰能力。

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基于改进三元组网络的回转窑火焰图像工况识别

秦斌, 祝鹏飞, 王欣

控制工程. 2024, 31(6): 1075-1080.

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针对回转窑火焰图像细节特征难以区分导致的工况识别困难的问题，提出一种基于改进三元组网络的小数据集回转窑火焰图像工况识别方法。该方法在原始三元组网络的基础上优化了距离度量方式并引入类内距离损失。首先，将回转窑火焰图像的 RGB 通道分离后分别进行双边滤波预处理，保留具有火焰边缘信息的特征，并在原始三元组损失中通过引入类内特征距离损失，使其能够在增大类间距离的同时，减小类内距离；然后，通过基于马氏距离的改进三元组网络获取具有细节差异性的火焰图像特征；最后，采用 K 均值聚类算法对有标签的特征向量进行工况识别。实验结果表明，该方法得到的特征具有更强的判别性，可以有效提高回转窑工况识别的分类精度，指导回转窑操作。

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全尺度上下文融合网络用于医学细胞核分割

周志, 张孙杰, 张晓玥

控制工程. 2024, 31(6): 1081-1090.

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针对细胞核图像边界模糊、对比度低，且细胞间易发生粘连等特点而导致难以准确分割的问题，本文提出了一种全尺度上下文融合网络用于细胞核的精准分割。首先，该模型结合全局上下文信息，设计了一个高级金字塔传导模块，用于对跳跃连接进行重构，为解码器提供全局信息传导流；其次，在编码器顶部创新性地加入了尺度聚合模块，该模块通过自学习可以动态地为不同尺度的目标选择合适的感受野，更好地融合多尺度上下文信息；同时，为了更好地利用最有用的特征通道，在上采样阶段加入了通道注意力机制；最后，使用改进的混合损失函数解决类不平衡的问题。在 Data Science Bowl 2018 和 TCGA 2 个数据集上进行实验，结果表明，所提出的算法能够提高对细胞核的分割性能。

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一种基于脑电信号的疲劳驾驶检测方法

王家曜 , 张震 , 宋光乐 , 马亮亮

控制工程. 2024, 31(6): 1091-1098.

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脑电信号一直被誉为疲劳检测的“金标准”，基于脑电信号的功率谱特征和微分熵特征，构建了基于 Conformer 和门控 Transformer 网络(gated Transformer network, GTN) 的脑电信号分类器。引入深度可分离卷积，实现了基于脑电信号的疲劳检测方法。该方法使用 SEED-VIG 数据集进行验证，同时引入了其他主流时序分类模型作为对比。采用所提方法对疲劳状态进行分类时，准确率最高可达 97.5%。通过混淆矩阵分析，证明了该方法识别各状态时都有很高的准确率。实验结果表明，微分熵特征在各分类器上的训练效果更好，相比其他模型，所提出的基于 Conformer 和 GTN 的分类器在 4 种特征处理数据集上的平均准确率达到 96.2%，具有明显优势。

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不确定性智能车辆转向系统的容错控制方法研究

卢中德 , 李红娟 , 王立刚

控制工程. 2024, 31(6): 1099-1106.

摘要 ( )

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对存在执行器死区、故障现象和模型不确定性的智能车辆转向系统的跟踪控制问题进行研究。首先，采用自适应模糊逻辑系统对转向系统中难以建模的非线性项进行在线逼近，并结合动态增益技术为智能车辆转向系统设计了自适应滑模控制器，以补偿系统控制增益未知、执行器死区和故障现象对控制性能的影响。此外，在该滑模控制器的设计中，采用一阶滤波技术消除了滑模控制器对转向系统造成的抖振。最后，结合李雅普诺夫稳定性理论分析可知，所设计的控制器可以实现智能车辆转向系统的渐近稳定，并通过数值仿真和整车实验验证了所设计的控制方法的合理性。

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多变量相关性 Gentle Adaboost 的风机叶片覆冰故障诊断

赵平, 赵健, 吴姗, 李芳芳, 张辉

控制工程. 2024, 31(6): 1107-1113.

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为进一步提高风电发电机组覆冰故障诊断模型的精度，缩短隐患消除的周期，提出基于多变量相关性平稳自适应增强(Gentle Adaboost)的风机叶片覆冰故障诊断方法。首先，对监控与数据采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)系统的多变量数据进行归一化处理，统一变量量纲；然后，通过一维卷积神经网络提取多变量间的相关性信息，并通过主成分分析法减少特征向量的维度，提取向量中的关键成分；最后，将特征向量导入具有强鲁棒性的集成学习算法 Gentle Adaboost 中进行学习，以获得具有高泛化能力的覆冰故障诊断模型。针对实际数据与 6 种经典算法进行了对比实验，结果表明，所提方法的覆冰故障诊断精度更高。

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基于改进 BSO 算法的 VAV 空调系统 GPC 参数整定

贺宁, 李俊辰, 李尚, 郝文斌

控制工程. 2024, 31(6): 1114-1122.

摘要 ( )

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针对变风量(variable air volume, VAV)空调系统具有大滞后、强耦合等控制难点，提出了一种基于改进天牛群优化(beetle swarm optimization, BSO)算法的 VAV 空调系统广义预测控制(generalized predictive control, GPC)参数整定方法。针对标准 GPC 整定算法只调节控制加权系数λ 导致控制性能不佳的问题，首先，提出一种改进 BSO 算法，通过动态化选取权重参数与学习因子获得较佳的寻优性能。其次，提出一种基于改进 BSO 算法的新型 GPC 参数整定方法，可同时整定控制器的控制加权系数λ 、控制时域 Nu 、预测时域 Np 及柔化系数α 。最后，结合实际 VAV 空调系统，开展仿真与半实物实验。结果表明，采用改进 BSO 算法调优后 GPC 的控制效果得到显著提升，调节时间仅为 7 s，超调量仅为0.28%。

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基于事件触发的奇异 semi-Markov 跳变系统的有限时间控制

刘雪华, 嵇小辅

控制工程. 2024, 31(6): 1123-1129.

摘要 ( )

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为减少不必要的网络资源传输，解决实际复杂系统的有限时间问题，提出一种基于事件触发方案的奇异 semi-Markov 跳变系统的有限时间控制器设计方法。在事件触发方案下，用系统的时滞表示网络诱导时延，闭环系统可以建模为一个时滞系统。首先，通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii 泛函，以严格矩阵不等式的形式给出充分条件，以使事件触发方案下的闭环系统正则、无脉冲、随机有限时间有界；然后，通过求解矩阵不等式，得到状态反馈控制器的参数；最后，给出一个数值示例，通过仿真证明所提方法的有效性。

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卷到卷制程中基于降维观测器的优化状态反馈控制方法

何展鹏, 陈智华, 黄学勤, 马东

控制工程. 2024, 31(6): 1130-1137.

摘要 ( )

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卷到卷(roll-to-roll, R2R)制程普遍应用于柔性材料的量化生产中，其套色精度是产品质量的关键因素。R2R 制程是一个多输入多输出、强耦合的复杂生产过程，实现高速高精度套色控制是其基本要求。首先，根据 R2R 印刷系统的状态空间模型，设计了基于降维观测器的状态反馈控制方法，同时通过粒子群优化算法对状态反馈的极点进行优化，实现了套色误差的高精度控制。将提出的套色控制方法与最新发表的全解耦比例微分(fully decoupled proportional-derivative, FDPD)套色控制方法进行对比，所提方法在套色精度上获得了 50%~80%的提升，调节时间缩短了 50%~65%，控制量绝对值之和仅为 FDPD 控制方法的 46%~57%，这不仅减少了对执行机构的冲击，也节约了能量。对比结果证实了降维观测器的估值准确性，也表明所提方法能够明显提高控制性能。

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基于多因素分析的烘丝机智能调控研究

张风光, 张思明, 林敏, 叶明樵, 周萍芳, 蒋鹏冲, 刘西尧, 温延

控制工程. 2024, 31(6): 1138-1145.

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烘丝过程中影响出口烟丝水分和温度的干扰因素较多，为了保障出口烟丝水分与温度的稳定性，首先基于烘丝过程的历史数据，采用相关性分析方法对影响因子进行筛选。其次，选取出口烟丝水分和出口烟丝温度为目标值，通过对各机器学习模型的对比分析选取了能够快速建模与预测的极限学习机(extreme learning machine, ELM)作为建模方法，以通过模型求解运算，得出预测值。最后，采用模拟退火(simulated annealing, SA)算法，实时优化热风风速和排潮风门开度的设定值，实现对出口烟丝水分和温度的预测和控制。实验结果表明，极限学习机模型的预测效果良好，预测当前出口水分的均方根误差为 0.015，出口温度的均方根误差为 0.638，误差较小，保障了烘丝机智能调控方法的调控精度。

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电石炉电极电流智能切换控制系统

孙江鹏

控制工程. 2024, 31(6): 1146-1152.

摘要 ( )

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当原料、炉况和加料过程发生未知变化时，电石炉电极控制系统的特性发生变化，导致 PI 控制系统难以满足电石炉的控制目标。将电石炉的动态特性与模糊自适应 PI 控制、规则切换控制相结合，提出了电石炉电极控制系统智能切换控制方法。设计了可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)系统软硬件平台，开发了基于所提控制方法的应用软件并研发了电石炉电极电流控制系统，成功应用于神木电化发展有限公司电石分厂。长期运行结果表明，采用所研制的电石炉电极电流控制系统，实现了生产过程的安全稳定运行，可以将电石炉电极电流控制在工艺规定的目标值范围内，提高了产品质量，降低了生产能耗，提高了企业的经济效益。

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2024年, 第31卷, 第6期　
刊出日期：2024-06-20

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