2016年6月+辽宁+东北大学+姜艺+杨翠娥+孔艳+王琳岩+B类
时间：2016-10-12
东北大学樱花交流计划总结
参与人员：姜艺
孔艳
杨翠娥
王琳岩
一、
樱花交流计划简介
亚洲正处于飞速发展的阶段。科学技术是打开亚洲未来之门的钥匙，加深亚洲未来的一代与日本青少年在科学技术领域的交流，对今后的亚洲和日本的未来都极为重要。
正是基于这样的认识，日本国立研究开发法人科学技术振兴机构(以下简称“JST”)从2014年开始启动了“日本·亚洲青少年科技交流项目”(樱花科技计划)。该项目通过产业界、学术界与官方之间的紧密合作，申报优秀的亚洲青少年对日本最尖端技术的关心度，为日本的大学·研究机构和企业培养将来所需要的海外优秀人材，以期为亚洲及日本科学技术的发展做贡献。
二、 参与学校简介
本次东北大学所申报的樱花科技计划参与学校分别是，中方为东北大学，日方为上智大学。
2.1 上智大学简介
上智大学(平假名：じょうちだいがく，希腊文：Σοφια，英文：Sophia)是日本的一所私立大学，该校于1913年由天主教耶稣会所创设，1928年升格大学。本部位于东京都千代田区纪尾井町7-1。在东京都内共有4处校区，另于神奈川县秦野市与大阪府大阪市设有分部。
上智大学是一所可以和早稻田大学和庆应义塾大学相媲美的一流大学、“最高的睿智”——这是日本东京上智大学(Sophia University)校名的由来。学校的本科文学系和外语系进入东京5大名校排名、与早稻田大学、庆应大学并称为“日本私立三大名门”、“早庆上”。上智大学在欧美国家知名度较高，拥有为数较多欧美留学生和外国人教员。
该校为一所天主教耶稣会大学，是由天主教耶稣会所创设，在1957年前，该学校只招收男性学生，现女性学生比例较重。上智大学现与中部地方的天主教大学－南山大学具有姊妹校关系，每年举行校际竞赛“上南战”，与世界各国的天主教会学校也有合作关系。
2.2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室
东北大学(Northeastern University)，简称东大(NEU)，中华人民共和国教育部直属的理工类研究型大学，坐落于东北中心城市沈阳，是国家首批“211工程”和“985工程”重点建设高校，由教育部、辽宁省、沈阳市三方重点共建，先后入选“2011计划”、“111计划”、“卓越工程师教育培养计划”、“国家大学生创新性实验计划”等，为“21世纪学术联盟”成员高校，是我国在上世纪八十年代最早设立研究生院的三十二所高校之一、研究生招生三十四所自主划线高校之一，是中共中央1960年、1978年确定的全国重点大学，国务院在1981年首批批准的具有博士学位授予权的高校。
东北大学始建于1923年4月，1928年8月至1937年1月，著名爱国将领张学良将军任校长。“九·一八”事变后，东北大学被迫迁徙北平、开封、西安、四川三台等地。在此期间，广大师生积极参加爱国抗日运动，是一二·九运动的先锋队和主力军。1950年8月，沈阳工学院、抚顺矿专和鞍山工专合组为东北工学院。1993年3月8日，复名为东北大学。东大建有中国第一个大学软件园，第一台模拟电子计算机，第一家上市的校办企业。
东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室原为自动化研究中心，创建于1992年。同时也是国家冶金自动化工程技术研究中心（沈阳分中心）、辽宁省自动化工程技术中心、沈阳市自动化工程技术中心。自动化中心致力于流程工业综合自动化新理论、新方法、新技术及其在有色、钢铁、建材等领域的应用研究，是集教学、科研、研发、产业化为一体的新型科研机构。
三、 参与人员简介
此次樱花计划，日方由上智大学申铁龙教授负责日程安排与整个樱花科技计划的科技交流指导，中方东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室共派出姜艺、孔艳、杨翠蛾、王琳岩等四位研究生。
3.1 上智大学申铁龙教授简介
申铁龙，男，1957年出生，1982年毕业于东北重型机械学院(现燕山大学)自动控制系，1989年4月赴日留学，1992年3月获日本东京上智大学博士(工学)学位。教授，博士生导师。主要从事非线性系统的鲁棒控制、自适应控制理论及其在机械系统、电动机械、机器人以及汽车动力系统中的应用等领域的研究工作。在国内外学生刊物发表论文70余篇；出版中、日、英文专著7部。申铁龙教授目前担任IEE Japan先进鲁棒与自适应控制理论委会委员长，中国自动化学会控制理论专业委员会委员，关肇直奖评委，IEEE Control System Society, The Conference Editorial Board 成员，Control Theory and Applications的Associate Editor, 以及International Journal of Robust and Nonlinear control 和Asian Journal of Control 的特邀编辑。
3.2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室研究生简介
姜艺，男，1992年生，湖北鄂州人，东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室2014级研究生，研究方向为工业过程运行优化控制。
孔艳，女，1991年生，山东济宁人，北大学流程工业综合自动化国家重点实验室2014级研究生，研究方向为工业过程过程控制。
杨翠娥，女，1990年生，河南开封人，北大学流程工业综合自动化国家重点实验室2014级研究生，研究方向为多目标优化。
王琳岩，女，1992年生，辽宁沈阳人，北大学流程工业综合自动化国家重点实验室2015级研究生，研究方向为工业过程运行优化控制。
四、 樱花计划具体行程
7月3日上午，我们一行人在沈阳桃仙机场，乘坐全日空航班飞机到达日本东京成田国际机场，在上智大学康铭鑫博士后的带领下，在东京成田国际机场乘坐新干线到达入住酒店，开始了为期10日的樱花科技交流计划。
7月4日上午，我们一行人经东京地铁来到了上智大学，在理工学院，我们见到了上智大学的申铁龙老师，在申铁龙老师的指导下与康铭鑫博士后的汇报中，我们初步的了解了一下本次樱花科技交流计划的学术背景。申铁龙老师的实验室主要研究内容为汽车发动机的控制问题，而本次我们一行人的研究问题为如何将汽车发动机的空气燃油比AFR控制在最优值。
汽车发动机的空气燃油比AFR控制物理结构图如下图所示：
图4.1 汽车发动机的空气燃油比控制物理结构图
当驾驶员踩下油门踏板后，汽车发动机的电子控制单元(ECU)根据油门踏板的角度，使汽车发动机的进气(空气)阀门保持一定的角度，这时候，需要设计控制器控制喷油量，使空气燃油比AFR保持在14.7，就可以保证燃油燃烧的效率最高，达到节能的目的。该问题可以简化为如下框图：
图4.2 汽车发动机的空气燃油比控制简图
根据原理，空气燃油比AFR满足以下公式：
(4.1)
其中，
为进气流量，
为喷油量，
可由如下公式求得：
(4.2)
其中，
为发动机转速，
为油门踏板角度，
为未知非线性函数。
空气燃油比AFR与喷油量
的关系为：
(4.3)
根据以上模型，控制结构如下：
图4.3 汽车发动机的空气燃油比控制结构图
控制器包括两个部分，前馈部分与反馈部分，前馈部分使用静态补偿
，反馈设计相应的控制器。
下午，我们与上智大学实验室的人一同乘坐新干线来到了静冈县的丰田东富士研究所，这个研究所担负着丰田安全、最新科技等核心技术研发，该所匹配了丰田最新研究设备，是丰田的技术研究和开发中心。致力于提高汽车的基本性能和安全性，更是将目标放在处理人·社会·地球环境之间的和谐关系。不断挑战各种未来的各种可能性。在东富士研究所内，还设有具有世界领先水平的驾驶模拟装置。它在主动安全技术开发中为探索研究有效降低事故方法而发挥作用。
丰田作为日本本土最大的车辆制造商，丰田专门在东富士研究所中开辟出一块占地面积3.5公顷的智能交通系统Intelligent Transport System,简称ITS)专用测试场，这也是目前规模最大的ITS专用测试场地。智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。
在丰田东富士研究所内，我们参观到了丰田工程师开发的空气燃油比AFR半实物仿真控制系统，该系统使用真实的ECU，而发动机、油门则使用电路进行模拟，该系统可以有效的节省空气燃油比AFR控制系统的开发成本。
7月5日上午，我们一行人在丰田东富士研究所内，学习了丰田工程师给我们做的汇报，汇报包括两个部分，一个部分是《基于概率密度函数控制的发动机爆震控制》，该论文已经发表在了控制理论领域顶级会议控制于决策会议CDC上，第二部分是《空气燃油比AFR控制》。通过这两次汇报，我们学到了很多关于汽车发动机的知识。下午，我们乘坐新干线回到了东京。
图4.4 上智大学汽车发动机控制实验室
7月6日，我们参观了上智大学的汽车发动机控制实验室。在那里我们看到了汽车发动机实物，并学习如何在该系统上进行实验。下午我们在该实验室进行了算法设计，设计了空气燃油比AFR控制的三种反馈控制器，分别是PID控制器、LQR控制器、模型预测控制控制器。
(1) PID控制器
控制器采用常规的PID算法，simulink仿真结构图如下：
图4.5 PID算法simulink仿真结构图
仿真结果如下：
图4.6 AFR控制PID算法simulink仿真结果
图4.7 AFR控制PID算法simulink仿真控制器输出
(2) LQR控制器
被控对象为：
(4.4)
定义性能指标为：
(4.5)
则有哈密顿函数与伴随方程为：
(4.6)
(4.7)
则最优输入为
(4.8)
因为
，所以可知：
(4.9)
而
(4.10)
所以可以得到Riccati方程为：
(4.11)
求解Riccati方程，得到最优控制器为：
(4.12)
simulink仿真结构图如下：
图4.8 LQR算法simulink仿真结构图
仿真结果如下：
图4.9 LQR控制PID算法simulink仿真结果
图4.10 LQR控制PID算法simulink仿真控制器输出
(3) 模型预测控制控制器
被控对象为：
(4.13)
定义性能指标为：
(4.14)
定义模型预测控制器为：
(4.15)
稳定性证明：假设k步的最优输入序列为：
(4.16)
则有预测输出为：
(4.17)
性能指标值为：
(4.18)
在k+1步定义输入序列为：
(4.19)
由于
，则该序列是可行解，所以性能指标值为：
(4.20)
由于
，所以
，则
是Lyapunov函数，稳定性证毕。
simulink仿真结构图如下：
图4.11 MPC算法simulink仿真结构图
仿真结果如下：
图4.12 MPC控制PID算法simulink仿真结果
图4.13 LQR控制PID算法simulink仿真控制器输出
7月7日，我们参加了申铁龙老师的一位博士Madam Kumar的毕业答辩，他的论文题目是《Cycle-to-Cycle Transient Modeling and Optimal Control for Gasoline Engines》，在他的论文中，我们更加细致的了解了发动机的控制。
7月8日，我们与上智大学的副校长衫村美纪，我们互相介绍了一下自己的学校，并表示渴望进行更深层次的学术交流。
图4.14 上智大学副校长接见樱花科技计划一行人
下午，我们在上智大学的发动机实验室进行了实物实验，由于模型预测控制器算法过于复杂，无法在发动机实验室进行实物实验，以下是PID算法与LQR算法的结果图。
图4.15 PID算法实物实验结果
图4.16 LQR算法实物实验结果
7月9日，我们参观了日本未来科技博物馆，在该馆中，我们看到了日本开发的机器人实现了跑步与单脚跳的功能，让我们感觉到日本控制技术的先进，我们作为中国控制界的学生，一定要好好学习，努力研发出更好的机器人。
图4.17 日本未来科学馆实时地球天气
7月10日休息，我们去参观了东京铁塔skytree，看了看浅草寺。
7月11日，我们在上智大学进行了汇报，汇报了我们樱花科技交流计划的成果。
7月12日，我们在东京成田机场乘坐飞机回到了沈阳。
五、 后续计划
回到沈阳之后，我们拟采用系统辨识、神经网络前馈补偿、简化计算量的模型预测方法，实现AFR的控制，并计划与上智大学合作发表论文。
六、 总结
在参加日本“樱花计划”的过程中，我们不仅亲身感受了日本文化，开阔视野，还学习到了一些关于科学和人生的哲理，终身受用。
在参观上智大学、丰田富士研究所和未来科学馆中，我们参观了日本大学和企业的科研设备，感受到了日本先进的机械、控制、工艺和科技水平。这不仅体现在他们专业的科研室中，也体现在学校角角落落的设施里。这些先进的科技，无疑激发了我们无尽的求知欲和探索欲，助长了我们努力学习科学文化知识的热情。
在申铁龙教授的实验室中，我们学习到了汽车发动机的原理，并与实验室的其它学生一起，完成了汽车发动机的控制实验，在这个过程中，我们深刻的感受到了中国在汽车发动机控制工艺的不足，我们更应该好好学习，为中国的制造业的发展做出自己的一番贡献。过程中，我们时时刻刻能感受到实验室学生对科研工作抱有的无限精力和对我们的满满诚意。
在日本未来科学馆中，我们见到了日本开发出的机器人，这些机器人的控制水平之高，完成的动作之难让我感到惊讶，其中，最让我感觉惊讶的是机器人完成单腿蹦的动作，这个动作对于机器人控制来说，是非常难的，不仅如此，工作人员看到面对展品抱有疑惑的我们，主动地热心的讲解和演示。对此我心怀感激和敬意。
在一次和申铁龙教授的谈话中，他说到为什么日本在这些方面的发展为什么这么好，他说日本人都有一种工匠精神，凡事都要做到最好最好，哪怕是像拖地扫地这样一件小事情。日本人的工匠精神让我感触很深，其实我们的科研，乃至人生也是这样，只要把一件一件的小事情都做好，经过一点一滴的积累，就一定可以创造出巨大的成就。
就日本而言，在日本度过的七天，让我领会到了日本的干净、秩序和礼貌，这些优秀的品质值得我们借鉴和思考。同时，我们拥有了感受日本文化，与国际友人交流的机会，这让我们因同样的对于科学的热枕而紧密联系在一起，缔结了深厚的友谊。
日本“樱花计划”将告一段落，但我深知这不是终止。就如同站在科学未来馆中仰望那不断滚动的蓝色星球时所感到的宇宙的无限与我们的渺小，这将成为我们探索世界，追求真理的第一步。
