面向LQG控制的IEEE 802.11ax网络资源调度方法

由于低成本、易维护和频带免授权等优点,IEEE 802.11ax网络被广泛用于工业控制应用。针对基于IEEE802.11ax的无线网络化控制系统,提出一种控制感知的资源调度方法以支持对多个控制系统的无线高速控制。首先,考虑IEEE802.11ax网络的传感数据丢包问题,给出控制系统的最优估计器和线性二次高斯(LQG)控制。然后,分析LQG指标与IEEE 802.11ax传输可靠性的依赖关系,给出期望LQG指标最小化的资源调度问题模型,进而提出一种面向LQG控制的资源调度(LCARS)方法。最后,通过大量仿真验证LCARS的有效性。LCARS可用于自动导引车集群导航、机器人远程控制等智能工厂应用。

基于云边自动化的工业控制系统关键技术及前景展望

本文探讨了基于云边自动化的工业控制系统的关键技术和未来发展前景。随着网络技术和人工智能的发展,工业控制系统正在从传统的分层、封闭架构向开放、平台化架构转变。云边自动化结合了云计算和边缘计算,优化了通信效率、系统灵活性和资源利用率。本文还讨论了虚拟化技术、网算控互动机制、新一代通信技术等方面的挑战和解决方案。最后,本文展望了云边自动化在设计制造一体化、IT/OT融合等领域的应用前景。

无线化工业控制系统:架构、关键技术及应用

大型生产设施的安全与能效监控,迫切需要低功耗、高精度的泛在感知,高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控.为此,本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统.然后,围绕感知、传输和控制等核心功能需求,系统阐述了高实时高可靠的工业无线网络设计及其时−空−频三元联合调控方法,感知终端的变周期精益采样和高能效精准时间同步方法,以及管控平台的语义化互操作和赋时工作流模型等核心关键技术.最后,研发了面向石油高效采收和电网全域安全监测的无线化工业控制系统,介绍了应用效果和成效.

基于二阶价值梯度模型强化学习的工业过程控制方法

为了实现对高延时、非线性和强耦合的复杂工业过程稳定准确的连续控制,提出了一种基于二阶价值梯度模型强化学习的控制方法。首先,该方法在模型训练过程中加入了状态价值函数的二阶梯度信息,具备更精确的函数逼近能力和更高的鲁棒性,学习迭代效率更高;其次,通过采用新的状态采样策略,可以更高效地利用模型进行策略学习。最后,通过在OpenAI的Gym公共实验环境和两个工业场景的仿真环境的实验表明:基于二阶价值梯度模型对比传统的基于最大似然估计模型,环境模型预测误差显著降低;基于二阶价值梯度模型的强化学习方法学习效率优于现有的基于模型的策略优化方法,具备更好的控制性能,并减小了控制过程中的振荡现象。可见该方法能有效地提升训练效率,同时提高工业过程控制的稳定性和准确性。

基于攻击意图的工业网络抗毁性评价研究

随着工业网络的迅猛发展,安全事件层出不穷,网络抗毁性成为了该领域关注的焦点之一。针对工业网络中的安全问题,以攻击意图为切入点,开展了工业网络抗毁性评价问题的研究。首先,通过对已知攻击案例的分析,识别了多种攻击类型及其潜在影响;然后,区别于现有针对网络系统本身特性的评价方法,将攻击的潜在意图纳入考量,构建了一个综合性的抗毁性评价方法;最后,在一个工业网络系统模型上,通过与现有流行的网络系统抗毁性评价方法对比,发现所提出的基于攻击意图的工业网络抗毁性评价方法具有更加客观、稳定的评估效果。该抗毁性评价方法综合考虑了外界攻击的意图、发生概率、影响范围以及可能的后果,有效刻画了不同场景下系统面对相同规模外界攻击时的抗毁性。

基于FPGA的图像处理硬件加速系统的设计

为解决图像处理算法越来越复杂,普通的计算平台已满足不了当前需求的问题,根据现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)的并行计算特点对FAST角点检测算法和Sobel边缘检测算法进行硬件加速,采用HLS(high-level synthesis, HLS)高层次综合技术对两种算法进行设计并进行相应的优化。为提升系统整体性能,在FPGA上实现全部视频输入输出接口和图像算法的完整通路,通过FPGA算法电路与OpenCV算法程序进行对比,前者的图像处理速度快于后者9~11倍,系统功耗也仅为1.9 W,图像检测可达56 fps,满足实时图像处理要求,为以后设计复杂的图像处理系统提供了参考。

基于IGWO的台车轮注油系统注油量控制方法研究

传统烧结机台车轮自动注油系统注油量控制存在控制精度低和鲁棒性差等问题,已经无法满足精确注油的需求。为改善注油性能,提出一种基于改进灰狼(IGWO)算法的烧结机台车轮注油量智能控制方法。利用MATLAB软件辨识注油量控制系统数学模型;搭建BP神经网络PID注油量控制系统;为了提高灰狼算法的收敛速度,引入非线性收敛因子和动态权重,设计IGWO算法实现对BP神经网络的最优初始值及阈值的寻优,输出最优PID控制参数;最后,在仿真环境下,将用IGWO算法优化前后的控制效果进行对比。结果表明:所设计的PID控制器超调小、控制精度高,能够实现注油量的智能控制,满足精确注油的需求。

绳系拖拽系统半物理仿真实验装置设计与控制

为有效清除太空垃圾,模拟空间中对废弃卫星的回收过程,采用半物理实验技术对绳系收放装置进行地面试验考核,验证绳系收放控制系统的性能。半物理仿真是一种通过实物或物理模型与数学模型相结合进行仿真的技术,通过地面半物理仿真实验对空间任务进行先验,大大减少了空间实验的成本,可有效指导空间任务的设计与控制。首先,对绳系卫星拖拽过程进行动力学建模,明确了拖拽过程的任务目标,确立了绳系拖拽半物理系统的机械组成。其次,设计了全物理仿真单元为被动加载单元,卫星质量采用等效惯量转台模拟。然后,为模拟目标在绳系拖拽作用下的动力学状态,仿真加载单元由半物理仿真方式设计。最后,针对实际试验过程中存在的张力测量误差扰动,设计了基于模型预测控制的控制策略,为了对拖拽过程的张力和绳长精确控制,实验使用双闭环电机联合控制,通过模型预测控制的方式联合张力位置双电机仿真。结果表明,基于模型预测控制的张力误差精度为5%,从而验证了绳系收放控制系统对拖拽过程的控制有效性。

基于多尺度时间卷积网络的多模态过程故障诊断方法

针对工业过程故障诊断面临的多模态、多尺度等混合特性问题,提出一种基于多尺度时间卷积网络的故障诊断方法。考虑到过程数据的多模态分布特性,采用基于余弦相似度的局部近邻标准化方法处理过程数据以消除多模态特性;针对过程数据的多尺度特性,使用变分模态分解获取数据的多尺度表示,对各分量构建采用注意力机制的时间卷积网络模型提取特征,并融合多尺度特征,以实现多尺度特征提取;在特征提取的基础上使用全连接层实现故障诊断。通过田纳西-伊斯曼(Tennessee-Eastman,TE)过程仿真实验验证了该方法的有效性和可行性。

面向工业超高可靠低时延通信的5G网络上行混合重传策略

5G网络支持更细粒度、更灵活的通信资源分配,对于保障工业自动化的可靠、实时无线传输将发挥关键作用.本文提出一种面向工业超高可靠低时延通信的5G网络上行混合重传策略(Hybrid Uplink Retransmission Scheme,HURS).考虑上行周期性工业数据的传输场景,HURS将优势互补的按需重传机制和循环重传机制相结合,基于对两种重传机制的可靠性建模,在线选择最可靠的重传机制;最后,大量仿真验证了HURS的传输可靠性和最坏时延不仅优于其他重传方法,还满足工业URLLC要求.

铝电解阳极压降采集传输系统设计与实现

为了实现在铝电解现场高温、高腐蚀、强电磁环境下,长时间稳定准确监控铝电解槽阳极压降变化,设计一种阳极压降采集传输系统。系统以STM32微处理器为核心,控制多路通道采集模块实时采集阳极压降信号,利用高精度模数转换模块将模拟阳极压降信号转换成数字信号,并通过以太网通信模块传输至监控服务器;最后安装在实际现场进行测试实验,实验结果证明系统监测的阳极压降信号相对误差小于2%,且能够长时间稳定运行。

第二十二讲:面向工业控制系统的资产安全探测方法

资产探测是实现工业控制系统自动化资产管理的主要途径,是构建工业控制系统网络安全协同防御体系不可或缺的基础性关键技术。然而现有资产探测方法在工业控制系统内网资产探测方面,面临着主动探测安全性难以保障,被动探测指纹信息匮乏等难题。为解决上述问题,本文提出了基于指纹空间构建的工控设备安全探测方法,有效解决了工控设备指纹及其标签难以获取以及工控设备指纹分辨率较低等问题,相比于已有的工控设备厂商及类型识别方法,提高了准确率。

部分连接宽带毫米波全双工MIMO系统混合波束成形设计

毫米波全双工MIMO系统是满足未来无线通信大带宽、低时延等需求的一种可行方案.本文针对采用有限精度移相器和部分连接结构的宽带毫米波全双工MIMO系统的混合波束成形问题进行研究,提出了一种可行的混合波束成形方法.首先,不考虑自干扰信号,利用上行/下行各子信道的奇异值分解和注水算法得到各子带最优全数字发送和接收波束成形矩阵;然后,将得到的全数字波束成形矩阵分解为满足部分连接结构的模拟波束成形矩阵和各子带数字波束成形矩阵;最后,利用最小均方误差准则更新各子带数字接收波束成形矩阵以降低自干扰信号对频谱效率的影响.分析表明,所提方法的算法复杂度较低;仿真结果表明,所提方法的频谱效率要优于相关研究和半双工毫米波通信.

基于DenseNet+FPN网络的视频帧内CU快速划分算法

针对多功能视频编码(versatile video coding,VVC)帧内编码中编码单元(coding units,CU)划分存在计算复杂度过高的问题,本文提出了一种基于DenseNet+FPN(feature pyramid network)的CU快速划分算法。该算法能够大幅度降低VVC的编码复杂度,减少编码时间。首先,本文提出了一种基于纹理复杂度的CU分类算法,来评估CU块的纹理复杂度。其次,提出一种基于DenseNet+FPN的网络模型,利用多尺度信息来优化CU划分,以适应多尺度情况下的编码需求。最后,设计了一个新的自适应的质量复杂度均衡损失函数,用于平衡编码质量和计算复杂度。所提算法进行了大量的实验分析,结果证明,与公共参考软件(WC test model 10.0,VTM10.0)相比,所提算法的帧内编码平均时间减少了44.268%,而BDBR(bj?ntegaard delta bit rate)仅增加了0.94%。

智能电网环境下空调系统多目标优化控制算法

提出了一种居民用户空调系统运行控制算法。该算法根据室外温度的预测值和电力公司发布的电价信号对空调系统的运行进行控制。为此,在用电费用指标的基础上,引入了定量反映用户舒适度的指标,建立了同时优化用电费用指标和用户舒适度指标的多目标优化模型。建模过程中采用蒙特卡洛仿真法和情景消减技术来处理室外温度预测误差带来的不确定性。采用改进的粒子群算法对模型进行求解。对提出的算法进行了仿真实验,并与传统的恒温控制模式和以最小化用电费用为目的的单目标优化控制算法进行了对比。实验结果表明,多目标优化算法能更好地兼顾用户的经济需求和舒适度需求,从而验证了该算法的有效性。

工业控制系统入侵检测技术的研究及发展综述

针对工控系统入侵检测技术的研究与应用,分别从检测特征、算法设计、应用环境等角度对目前的研究工作进行总结,介绍入侵检测在保障系统安全运行中的实际应用,讨论了工控入侵检测技术研究的关键问题。为提高工控入侵检测技术的异常行为防御能力,根据工控系统环境的复杂性和入侵检测的特殊性,对相关研究中存在的问题与不足进行分析,并结合工业控制系统网络化与信息化的发展现状和不断增强的安全防御要求,对工控入侵检测研究进行展望,提出了与大数据处理融合、智能化检测系统等的发展方向。

单类支持向量机在工业控制系统入侵检测中的应用研究综述

通信行为的异常检测是工业控制系统入侵检测的难点问题。在现有研究工作基础上,阐述了工业控制系统入侵检测技术的国内外研究现状,归纳和总结了现存的问题,指出单类支持向量机(OCSVM)算法在工业控制系统入侵检测中的优越性。结合工业控制系统的专有协议特点,介绍了单类支持向量机在工业控制系统入侵检测中的应用原理及其现有工作;最后指出了单类支持向量机在工业控制系统入侵检测中存在的问题及发展方向。

以角速度为转向动作反馈的拖拉机自动导航控制系统

针对传统农机导航控制系统中转向角度传感器安装麻烦、可靠性较低的缺点,采用角速度计作为拖拉机转向动作的反馈传感器,结合拖拉机加装的基于CAN总线结构的导航控制装置,设计了串级PID自动导航控制系统,内环PID控制器用于转向控制,外环PID控制器用于路径跟踪控制。由于角速度计噪声误差较大,为避免对角速度的积分运算引起误差持续累积增大,角速度计的测量数据仅直接用作内环PID控制器的反馈;外环PID控制器的控制量也设计为角速度值。因此,在以转向角为控制量的比例控制算法基础上,本文又推导、设计了以角速度为控制量的外环PID控制算法。路面实验结果表明,本文设计的以角速度为转向动作反馈的拖拉机自动导航控制系统,直线路径的稳态跟踪误差平均值约为4.1cm,误差绝对值最大为12.9cm,验证了角速度计在农机导航控制系统中应用的可行性及所提控制方法的正确性。

基于Smith-模糊PID控制的变量喷药系统设计及试验

为实现精准变量喷药技术,该文设计了旁路节流式变量喷药控制系统用于变量喷药和幅宽调节控制,运用流体网络理论建立系统的数学模型,将模糊PID控制与基于喷药流体网络模型的Smith预估控制结合起来喷药量的调节,并对国产3W-250型喷杆喷雾机进行改造并构建喷药试验平台。试验结果表明,基于喷药流体网络模型的Smith-模糊PID控制算法的动态响应更快,降低了变量喷药系统滞后性和非线性的不利影响,超调量小于13.1%,稳态误差小于3.52%,且具有较好的适应能力和鲁棒性,为精准变量喷药控制提供一种实现方法。

工业控制系统安全可信环境构建技术及应用

针对目前工业测控系统中传统PLC自身信息安全防护能力低下的问题,文章提出一种基于工业控制系统嵌入式设备安全防护关键技术的可信计算环境构建方法。文章首先介绍了现有可信计算在系统应用中的研究工作和不足;然后详细给出了面向工业嵌入式设备的安全技术架构设计,包括基于总线仲裁机制的可信PLC主控单元、基于虚拟化沙盒技术的可信PLC运行环境和基于白名单访问控制的可信PLC网络安全单元。实验证明,文章提出的可信计算环境构建方法能够用于为传统工控设备组建安全可信的系统网络,实现设备的内建安全能力。