电子技术实验线上线下混合教学模式改革

针对兰州理工大学电子技术实验教学过程存在的问题,以课程能力目标为导向,借助现代信息技术,结合现代仿真工具和GWL实验平台,从实验教学内容、线上教学资源、虚拟实验平台、混合教学模式和考核评价方式等方面开展了一系列改革与探索,形成适合欠发达地区工科高校量大面广的电子技术实验课程“线上+线下”混合教学新模式,并于2020年和2021年在机械设计制造及其自动化、机械电子等16个专业的电子技术、电工学基础等实验课程中完成两轮验证与迭代。

基于CPS的控制系统计算机仿真教学改革与实践

在贯彻落实OBE理念、实施工程教育过程中,针对控制系统计算机仿真课程所承载的知识、能力、素质有机融合不足,学生的学习积极性不高等问题,提出基于CDIO+PBL+SPOC的CPS教学改革探索与实践路径。主要包括教学体系优化和教学内容整合、教学方法和教学手段改革、注重形成性评价的能力达成等。从学生的表现和三年的课程达成情况分析可以看出,课程改革有效提高学生的学习兴趣,极大提升其自主学习能力与工程实践能力,为有效的毕业达成发挥本门课程应有的作用。

新型ADETCS下工业信息物理系统综合安全控制

针对一类虚假数据注入(FDI)攻击与故障共存的工业信息物理系统(ICPS),在新型自适应离散事件触发通信机制(ADETCS)下,研究了综合安全控制与通信的协同设计问题。引入ADETCS取代传统离散事件触发通信机制,构建安全与通信可自适应协同优化运行的ICPS架构;通过对ADETCS中阈值函数的优化设计,获得一种可随系统动态行为双向连续变化的新型ADETCS;在该机制下,基于主动容侵和容错的思想,通过构造Lyapunov泛函,借助新型Bessel-Legebdre不等式、锥补线性化(CCL)等少保守性技术,在统一的自适应变采样框架下,推证出鲁棒估计器与综合安全控制器的求解方法,使ICPS可同时防御FDI攻击与故障,并具有更优的自适应通信调节能力。仿真结果表明:新型ADETCS中阈值函数的巧妙设计及CCL的应用,相较现存通信机制和设计方法,可使ICPS的综合安全控制性能与资源节约获得更优的折中平衡。

具有介质访问约束的网络化控制系统H∞状态估计

研究了一类存在介质访问约束和信号量化的网络化控制系统的H∞状态估计问题。首先,考虑到介质访问约束和信号量化的影响,将信号量化误差转化为扇形有界的不确定性,对由于访问约束而未获得网络传输的系统输出采用加权补偿策略,根据网络介质的随机访问机制将网络化系统建模为具有不确定性的马尔可夫跳跃系统。然后,在此基础上借助李雅普诺夫稳定性理论和H∞性能约束条件,利用线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)方法给出状态估计器存在的充分条件,所设计的状态估计器使得估计误差系统渐近稳定且具有给定的H∞性能。最后,通过仿真实例验证了该设计方法的有效性。

具有访问约束和数据丢包的网络化系统H_(∞)鲁棒控制

针对同时存在访问约束和数据丢包的网络化控制系统,研究了H_(∞)鲁棒控制方法的设计问题.首先,采用Bernoulli随机过程来描述系统的数据丢包过程,并根据介质访问约束的随机访问机制建立了离散时间马尔可夫跳变系统模型;其次,通过Lyapunov稳定性理论和LMI技术导出闭环系统随机稳定的充分条件,并设计了相应的H_(∞)鲁棒控制器,使得闭环系统随机稳定并具有给定的H_(∞)性能;最后,通过仿真算例验证了所提控制方案的正确性和有效性.

工程教育专业认证背景下控制类课程群体系构建与实践

依据工程教育专业认证标准,结合兰州理工大学自动化专业人才培养模式,探讨控制类课程群体系构建与实践。围绕毕业要求能力达成,首先构建“控制理论与工程实践”课程群,明确各课程对毕业要求能力达成的支撑关系;进而制定更新课程群能力型课程目标;最后重组优化课程群教学内容,有机融合课程群所承载的知识、能力与素质,培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维能力。实践证明,“控制理论与工程实践”课程群对自动化专业学生能力的提升收效显著,对其他工程类专业核心课程群的构建与实施有一定的示范与推广意义。

“自动控制原理”课程目标达成度统计分析与持续改进

反思以往教学,课程目标达成度分析更多只是关注了课程整体修读学生的平均达成情况,难以为学生个体能力目标的持续改进提供更具针对性的指导。因此,本文以兰州理工大学“自动控制原理”课程为例,构建课程目标达成度形成性综合量化考核方式,利用柱状图、散点图等统计分析方法,及时诊断学生学习状况,双向反馈课程、学生目标达成信息,迭代优化教与学的效果。教学实践表明,学生对知识的掌握和能力的训练效果明显。

“电工学”项目中心课程教学实践研究与探索

“电工学”面向工科非电类本科生开设,针对课程培养学生获得跨学科交叉融合能力、服务新工科建设的特点,采用“学期内轮动、学期间复刻、学科间交叉”的思路,从情境创设、问题中心、目标导向、价值引领四个方面探讨了项目中心课程教学模式的应用。该模式已在兰州理工大学完成九轮学期内轮动、三轮学期间复刻的教学实践,提升了学生发现问题、分析问题、解决问题、检验问题和反思问题的能力。

网络攻击下基于观测器的信息物理系统输出反馈控制

针对信息物理系统中随机发生的虚假数据注入攻击和数据包丢失现象,提出了一种基于观测器的信息物理系统输出反馈安全控制方法.首先,考虑到虚假数据注入攻击和数据包丢失的影响,建立了一类具有网络攻击、数据包丢失和外部扰动等多种约束参数的马尔可夫跳变系统模型;其次,借助李雅普诺夫稳定性理论、随机系统理论和线性矩阵不等式方法给出系统随机稳定的充分条件,进而设计了具有给定H∞性能的信息物理系统输出反馈控制器;最后,通过仿真实例验证了所提控制方法的正确性和有效性.

数值界不确定直流微电网的鲁棒H_(∞)控制

针对直流微电网中参数不确定问题,提出了基于LMI的鲁棒H_(∞)控制方法,以保证系统直流母线电压稳定.首先,建立直流微电网的范数有界不确定小信号模型.其次,根据Lyapunov稳定性原理,推导了基于LMI的控制器存在的充分条件,把鲁棒H_(∞)控制器的设计转化为具有线性矩阵不等式的优化问题,进而求出状态反馈控制律,使得每个子系统和关联大系统都可镇定,且鲁棒H_(∞)控制器存在可行解.最后,通过Matlab进行数值仿真,分析了微电网结构变化、连接线路参数和负载参数变化情况下直流母线电压的特性,验证了该控制方法的可行性.

虚假数据注入攻击下信息物理系统动态输出反馈控制

针对受到虚假数据注入攻击的信息物理系统安全控制问题,将虚假数据注入攻击作为一类特殊的外部扰动,提出了一种具有攻击防御能力的H_(∞)动态输出反馈控制策略.首先,考虑虚假数据注入攻击对测量通道与随机时延对通信网络的影响,建立了一类具有网络攻击、随机时延和外部扰动等多种约束的闭环系统模型;其次,借助李雅普诺夫稳定性理论推导出攻击下闭环系统渐近稳定的充分条件,并基于线性矩阵不等式技术给出了H_(∞)动态输出反馈控制器的设计方法;最后通过一个仿真算例验证了所述方法的可行性和有效性.

融合可解释机器学习的成品汽油调和配方质量预测评价与致因分析

受成品汽油调和配方需“先验”评价与修正的驱动,本研究将轻量级梯度提升树(LightGBM)与可解释机器学习(SHAP)方法相结合,兼顾复杂模型精度高与后验SHAP可解释性强的各自优势,提出了一种调和配方质量预测评价及致因分析方法。该方法先引用改进遗传算法(IGA)优化LightGBM的超参数,建立了可同时预测成品汽油性能和环保指标的模型,并结合汽油国ⅥA标准与企业生产实际制定了配方质量评价标准,实现配方“先验”评价;再基于SHAP的全局和局部致因分析,对缺陷配方给出了易于操作的单变量定性修正建议。实验结果表明:相比于传统BP网络和随机森林(RF)、以及采用随机搜索和GA优化参数的LightGBM等模型,IGA_LightGBM模型可得到更全面和精准的预测指标,SHAP致因分析可给出契合实际的修正建议。该方法是智能算法代替人工的有益探索。

基于复杂网络理论的变电站直流偏磁治理研究

为解决特高压直流输电引起的直流偏磁现象,提出了在直流偏磁条件下,基于复杂网络理论的送端电网关键站点识别方法。在PSCAD中建立自耦变压器模型,进行变压器直流偏磁仿真研究,为治理酒泉地区变电站中存在的直流偏磁,基于实际电网结构参数建立仿真模型,对受偏磁电流影响大的关键站点进行识别治理,定义节点熵和线路熵的概念,其大小反映被治理地区节点电流和线路电流分布是否均匀,规定直流偏磁治理标准,用以评判治理效果是否合格。仿真结果表明,进行关键站点识别与治理后,节点熵和线路熵有明显的下降,该地区的总偏磁电流得到了有效抑制。

基于改进P&O与MPC算法的光伏MPPT控制研究

在光伏发电系统中,针对传统的最大功率点跟踪控制方法难以同时满足追踪精度与追踪速度的问题,提出了一种新的改进P&O和MPC相结合的光伏MPPT控制方法,先将扰动之后的电压和电流作为参数输入MPC控制器,再由控制器的两步长函数分析预测出未来变量的动作并生成输出曲线。仿真结果表明,相较于传统的扰动观察法,该算法可以同时满足追踪精度与追踪速度的要求。

液压型风力发电机组调速系统的DMC预测控制方法研究

以液压型风力发电机组调速系统为研究对象,针对变量马达的恒转速控制问题,结合动态矩阵控制(DMC)原理,提出一种基于DMC的液压型风力发电机组调速系统预测控制方法,并通过Simulink-AMESim联合仿真技术分析预测步长与控制步长对转速控制的影响规律。研究结果表明,与经典PID控制方法相比,基于DMC的预测控制方法提升了液压型风力发电机组调速系统的控制性能,可为后续工程实际应用提供理论指导。

基于单神经元PID自适应的液压型风力发电机组恒转速控制

以新型液压型风力发电机组为研究对象,针对风速随机变化引起变量马达转速恒定困难的问题,提出一种基于单神经元PID自适应控制的方法,深入研究单神经元PID自适应控制器参数对变量马达恒转速控制性能的影响。利用AMESim仿真软件建立定量泵-变量马达液压模型,联合MATLAB/Simulink仿真软件进行了仿真研究。仿真结果表明:相比于经典的PID控制方法,单神经元PID自适应控制方法对变量马达恒转速控制具有良好的效果,增强了系统的抗扰动能力,提高了变量马达恒转速输出精度。

基于多模型的无人机故障诊断与容错控制方法

针对四旋翼无人机执行器易发生恒增益、恒偏差等常见故障问题,提出了一种基于多模型的四旋翼无人机故障诊断与容错控制策略。首先,建立了具有几类执行器故障的四旋翼无人机系统模型,并在此基础上建立了包含正常与各类故障的模型集合库;其次,根据分段的系统性能容忍度指标对系统进行故障检测,并大致判断出故障类型;最后,结合统一的模型失配度指标进行模型匹配,进而调用相应的控制律。仿真结果表明,文中具有分段系统性能容忍度的多模型主动容错策略,能迅速可靠地检测到执行器的各类故障,并及时进行容错控制,有效地提高了四旋翼无人机系统的安全可靠性能。

基于双重速率QDMC的液压型风力发电机组变量马达转速控制

由于二次动态矩阵控制(quadratic dynamic matrix control,QDMC)算法中二次规划求解计算量大、实时性差等问题,难以满足液压型风力发电机组变量马达转速的高精度快速控制需求。该文提出一种双重速率二次动态矩阵控制算法(dual rate QDMC,DR-QDMC),将控制增量的求解分解为快速层和慢速层2个时间尺度进行,利用AMESim-Simulink/Matlab联合仿真平台构建液压型风力发电机组的AMESim仿真模型并研究分析DR-QDMC算法性能。仿真实验结果表明,DR-QDMC算法不仅可增强系统控制实时性,而且还能提升变量马达转速控制的快速性和抗扰性。

DoS攻击下CPS双重安全控制与通讯的协同设计

针对一类具有执行器故障与DoS攻击的CPS,基于边缘计算理念,并结合事件触发通讯机制,研究了CPS双重安全控制与通讯的协同设计问题.首先,基于边缘计算的资源分配,提出DETCS下的CPS双重安全控制架构,并把有限能量的DoS攻击转化为一种特殊的时延,在DETCS下建立了具有故障与攻击的闭环CPS模型;其次,借助时滞系统理论,通过构造适当的Lyapunov-Krasovskii泛函,利用仿射Bessel-Legendre等不等式,分别给出了DoS攻击下状态与故障估计鲁棒观测器、执行器故障和DoS攻击双重安全控制与通讯协同设计的方法;最后,通过对四容水箱系统的仿真验证了文中理论结果的有效性与可行性.

“自动控制原理”课程思政研究与实践

立德树人作为高校的根本任务,全面推进课程思政建设是开展立德树人的重要举措之一。以自动化及相关专业的重要专业基础课“自动控制原理”为例,在一流课程建设背景下,从课程特点与定位、课程思政内涵分析、课程思政元素提炼等几个方面,进行了专业课中开展课程思政的探讨,并以课程中“负反馈控制原理”为例,进行了实施路径探索与实践研究。