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        多策略改進(jìn)SSA算法優(yōu)化下電梯起重機(jī)械節(jié)能多目標(biāo)平衡控制

        2025-02-20 00:00:00汪保良徐柏程李偉杰
        中國標(biāo)準(zhǔn)化 2025年4期
        關(guān)鍵詞:舒適度

        摘 要:為了提升電梯起重機(jī)械控制的適應(yīng)性,確保節(jié)能效果和客戶舒適度,本文提出多策略改進(jìn)SSA算法優(yōu)化下電梯起重機(jī)節(jié)能多目標(biāo)平衡控制方法。綜合考慮在電梯的啟動、停止、勻速不同運行狀態(tài)和相應(yīng)載荷變化下電梯起重機(jī)械能耗和乘客舒適度之間的平衡,構(gòu)建電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型和約束條件,以確保在不同運行模式下節(jié)能的同時,也能為乘客提供便捷的乘坐體驗。采用多策略改進(jìn)的麻雀搜索算法,通過Sine混沌映射優(yōu)化初始種群,結(jié)合邊界學(xué)習(xí)策略更新發(fā)現(xiàn)者位置,求解最優(yōu)節(jié)能控制策略。實驗結(jié)果表明,所提方法改進(jìn)的算法求解過程均勻分布,易跳出局部極值,可以在不同運行模式、載荷變化下降低能耗,節(jié)省乘坐時間,提升乘客舒適度。

        關(guān)鍵詞:多策略,麻雀搜索算法,電梯起重機(jī)械,節(jié)能控制,舒適度,邊界學(xué)習(xí)策略

        DOI編碼:10.3969/j.issn.1002-59442025.04.031

        0 引 言

        在節(jié)能減排環(huán)境下,在高層建筑中能耗占比較大的電梯作為垂直交通的重要工具,其能耗問題日益受到人們的關(guān)注[1]。電梯起重機(jī)械作為電梯系統(tǒng)的核心部分,其能耗直接關(guān)系到整個電梯系統(tǒng)的能源利用效率[2]。因此,研究電梯起重機(jī)械的節(jié)能控制方法具有重要意義[3]。

        當(dāng)前,電梯起重機(jī)械的節(jié)能控制方法已成為研究熱點之一。眾多學(xué)者和工程師致力于開發(fā)新的控制策略和技術(shù)手段,以優(yōu)化電梯起重機(jī)械的運行過程[4],減少不必要的能量消耗。例如,彭云建等[5]以最少乘客平均候梯時間為優(yōu)化目標(biāo),并結(jié)合電梯系統(tǒng)的服務(wù)時間與能耗等指標(biāo),建立電梯系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,達(dá)到降低能耗的目的。依據(jù)等間隔運行模式思想,設(shè)計候梯等間隔派梯規(guī)則,實現(xiàn)電梯群組的動態(tài)調(diào)度節(jié)能。該方法的節(jié)能控制假設(shè)電梯以固定的時間間隔運行,但在實際應(yīng)用中,特別是高峰時段、低峰時段,難以同時滿足節(jié)能目標(biāo)和乘客舒適度目標(biāo),導(dǎo)致在節(jié)能控制時無法降低乘坐時間,影響乘客的舒適度。劉宇等[6]通過考慮調(diào)度環(huán)境、電梯行為和調(diào)度目標(biāo),在訓(xùn)練過程中不斷學(xué)習(xí)并優(yōu)化調(diào)度策略,以適應(yīng)不同調(diào)度環(huán)境下的電梯行為變化,完成電梯節(jié)能控制。該方法使用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)A3C算法需要高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)的潛在解集合存在分布不均勻的問題時,該算法對最優(yōu)解的求解效果不佳,影響方法的節(jié)能控制效果。Lee等[7]通過捕捉乘客的手勢或身體動作來識別其意圖,進(jìn)而控制電梯的運行。通過引入加權(quán)K-最近鄰算法,實現(xiàn)電梯節(jié)能控制。在高峰時段,電梯的運行模式和乘客需求模式會發(fā)生變化,乘客的進(jìn)出頻率和目的地分布也會有所不同。然而,該方法使用的加權(quán)K-最近鄰算法主要依賴于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識別,對于實時變化的運行模式則無法迅速適應(yīng),從而導(dǎo)致節(jié)能效果不佳。顧玲麗等[8]通過引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制,使蟻群算法在搜索過程中能夠不斷學(xué)習(xí)和調(diào)整策略,以適應(yīng)不同高層住宅電梯群的實際運行需求。將用戶體驗和能耗作為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建電梯調(diào)度問題的數(shù)學(xué)模型,并利用蟻群算法的并行搜索能力和全局優(yōu)化特性求解該模型,尋找最優(yōu)的電梯調(diào)度方案,降低電梯能耗。該方法使用的強(qiáng)化蟻群算法無法全面地搜索解空間,在迭代和試錯容易陷入局部最優(yōu)解,影響電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型求解效果,導(dǎo)致電梯起重機(jī)械能耗較大。

        為了解決上述研究方法的不足,提升電梯起重機(jī)械節(jié)能效果和乘客舒適度,研究基于多策略改進(jìn)麻雀搜索算法的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制方法。綜合考慮在電梯的啟動、停止、勻速不同運行狀態(tài)和相應(yīng)載荷變化下電梯起重機(jī)械能耗和乘客舒適度之間的平衡,構(gòu)建電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型和約束條件,以確保在不同運行模式下實現(xiàn)節(jié)能的同時,也能為乘客提供便捷的乘坐體驗。利用多策略改進(jìn)麻雀搜索算法,增強(qiáng)控制模型的全局搜索能力,解決陷入局部最優(yōu)解的問題,優(yōu)化電梯起重機(jī)械節(jié)能控制效果。

        1 電梯起重機(jī)械節(jié)能控制

        1.1 電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型構(gòu)建

        電梯啟動和停止時,電梯的起重機(jī)械需要消耗能量來克服靜止或運動狀態(tài)的慣性,使電梯能夠平穩(wěn)地開始運行或停下來。在電梯勻速運行時,為了維持電梯穩(wěn)定的運動狀態(tài),電梯的起重機(jī)械同樣需要消耗一定的能量。電梯起重機(jī)械節(jié)能控制需要在電梯的啟動、停止、勻速不同運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)載荷變化下靈活自適應(yīng)調(diào)整起重機(jī)械能量,降低起重機(jī)械消耗能量。為此,需要節(jié)能控制的電梯起重機(jī)械的能耗主要包含兩部分,分別是控制電梯啟動和停止耗能Ga,以及控制電梯勻速運行耗能Gb。其中,Ga為電梯起重機(jī)械從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運行狀態(tài),以及電梯到達(dá)目的地起重機(jī)械準(zhǔn)備結(jié)束運行狀態(tài)的能耗[9-10],即加速和減速能耗。Gb為電梯起重機(jī)械為了克服轎廂和乘客的重力,以及維持電梯穩(wěn)定運行所消耗的能量[11]。在勻速階段,電梯起重機(jī)械會以恒定的功率運行,確保電梯在樓層之間平穩(wěn)移動。令電梯起重機(jī)械數(shù)量是 ,電梯起重機(jī)械的總能耗為:

        依據(jù)式(4)構(gòu)建最小能耗的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制目標(biāo)函數(shù),公式如下:

        F=min G(5)

        考慮到實際應(yīng)用中,控制系統(tǒng)為了節(jié)能,會降低電梯的運行功率,或者減少同時運行的電梯數(shù)量或優(yōu)化??繕菍?,這可能會導(dǎo)致乘客感覺電梯運行變慢,尤其是在高峰時段或需要快速到達(dá)目的地時會增加乘客的等待時間。為此,電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型需要綜合考慮能耗和乘客舒適度之間的平衡,以確保在節(jié)能的同時,也能為乘客提供便捷的乘坐體驗。為此,基于不同時間段,將乘客乘坐電梯的舒適度作為控制模型的約束條件。

        乘客乘坐電梯的舒適度R與電梯等候時間t w、樓梯層間運行時間te、啟動與停止時間taλ,以及乘客上下梯時間等存在密切關(guān)聯(lián)。t w為乘客按下電梯按鈕到電梯到達(dá)并開門的時間。te為電梯從起始樓層到目標(biāo)樓層所需的時間。較長的tw、te會給乘客帶來不便,直接影響乘客乘坐電梯的R。 taλ為電梯從靜止?fàn)顟B(tài)開始加速到勻速運行所需的時間,以及電梯從勻速運行減速到靜止?fàn)顟B(tài)所需的時間。 tsλ為乘客進(jìn)出電梯所需的時間。這個時間雖然較短,但在高峰期或電梯容量有限時,如果上下梯時間過長,可能導(dǎo)致電梯等待時間增加,影響乘客的整體體驗,降低乘客乘坐電梯的R 。基于上述舒適度分析,R主要與乘客乘坐時間有關(guān),則R 的計算公式為:

        式中: λ為電梯起重機(jī)械控制電梯啟動與停止的次數(shù);M為電梯運行期間,起重機(jī)械控制電梯啟動與停止的總次數(shù);A為最大乘載人數(shù); δλ/A為擁擠系數(shù); δλ為經(jīng)過 λ次啟動與停止后的實際乘客數(shù)量。

        則基于乘客乘坐電梯舒適度的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型約束條件,即令消耗時間不高于乘客期望等待時間,具體表述為:

        通過結(jié)合節(jié)能目標(biāo)函數(shù)式(5)與舒適度約束條件式(7),構(gòu)建電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型 。為了提升電梯起重機(jī)械節(jié)能控制的自適應(yīng)性,獲得平滑節(jié)能目標(biāo)和舒適度目標(biāo)的多目標(biāo)平衡最優(yōu)控制方案,需要對控制模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解。

        1.2 基于多策略改進(jìn)SSA算法的節(jié)能多目標(biāo)平衡控制優(yōu)化實現(xiàn)

        通過結(jié)合節(jié)能目標(biāo)函數(shù)式(5)與舒適度約束條件式(7),構(gòu)建電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型 。為了提升電梯起重機(jī)械節(jié)能控制的自適應(yīng)性,獲得平滑節(jié)能目標(biāo)和舒適度目標(biāo)的多目標(biāo)平衡最優(yōu)控制方案,需要對控制模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解。

        1.2 基于多策略改進(jìn)SSA算法的節(jié)能多目標(biāo)平衡控制優(yōu)化實現(xiàn)麻雀搜索算法求解1.1小節(jié)構(gòu)建的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型Z ,獲得最小能耗和最優(yōu)舒適度對應(yīng)的起重機(jī)械節(jié)能控制策略。

        為了解麻雀搜索(Sparrow Search Algorithm,SSA)算法求解電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型過程中的適用性和局限性,并有針對性地提出改進(jìn)策略,需要先利用SSA算法求解電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型,再以此為基礎(chǔ),設(shè)計多策略改進(jìn)SSA算法,解決SSA算法存在的不足,提升模型求解精度。具體步驟如下:

        步驟1:初始化。令每個麻雀個體均為一個潛在的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略(即啟動與停止的 臺電梯)Z 。初始化種群內(nèi)存在N 個麻雀個體,即N個潛在的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略。令第 個麻雀個體的表達(dá)形式為Z^i=(Z^i,1,Z^i,2…,Z^i,D),D為電梯控制能耗潛在解的空間維度。

        步驟2:更新發(fā)現(xiàn)者位置Zτ^i,^j。Zτ^i,^j為已經(jīng)找到較為節(jié)能的啟動與停止電梯控制數(shù)量的個體,它們通過不斷地搜索和嘗試[12],為整個啟動與停止電梯群體提供優(yōu)化的方向。Zτ^i,^j的更新公式如下:

        式中:γ1、γ2為(0 ,1)內(nèi)的任意數(shù),且在這個范圍內(nèi),每個數(shù)被選中的概率都是相等;γ3為(0.5,1)內(nèi)的任意數(shù);τ為迭代次數(shù);τmax為τ值;^j為維度編號;ζ為電梯運行速度任意數(shù),且遵循一種特殊的概率分布。

        步驟3:更新電梯能耗跟隨者位置Z'τ+1 ^i,^j。跟隨者根據(jù)發(fā)現(xiàn)者提供的節(jié)能控制策略進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,以期望找到更優(yōu)的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略[13-15]。

        在SSA算法中,發(fā)現(xiàn)者位置更新方式易于陷入局部極值,應(yīng)用在節(jié)能控制模型多目標(biāo)平衡求解任務(wù)中,影響求解效果。通過邊界學(xué)習(xí)策略改進(jìn)發(fā)現(xiàn)者未發(fā)現(xiàn)較優(yōu)電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略時的位置更新方式,可有效解決上述問題,增強(qiáng)全局優(yōu)化搜索能力。

        引入邊界學(xué)習(xí)策略后,發(fā)現(xiàn)者位置更新公式如下:

        式中:ρ為(0,1]內(nèi)的任意數(shù),且在這個范圍內(nèi),每個數(shù)被選中的概率都是相等的。

        利用Sine混沌映射策略和邊界學(xué)習(xí)車輛,設(shè)計多策略改進(jìn)SSA算法,求解1.1小節(jié)構(gòu)建的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型,尋找能夠在滿足約束條件(乘客乘坐電梯的舒適度)的前提下,最小化電梯起重機(jī)械能耗的最優(yōu)節(jié)能控制策略,具體步驟如下:

        步驟1:利用Sine混沌映射策略,初始化電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型的潛在解集合。

        步驟2:求解各麻雀的適應(yīng)度與適應(yīng)度均值。

        步驟3:依據(jù)邊界學(xué)習(xí)策略,更新^Zτ+1 ^i,^j為整個群體提供電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型求解的優(yōu)化方向。

        步驟4:更新Zτ w、Fw、Zτ u、Fu,并分析算法是否達(dá)到τmax,若達(dá)到τmax,則輸出最小能耗和等待時間對應(yīng)的電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略。反之,返回步驟2。由此完成電梯起重機(jī)節(jié)能多目標(biāo)平衡控制。

        2 實驗分析

        2.1 實驗環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

        在電梯起重機(jī)械節(jié)能控制方法的研究和實驗中,實驗對象是由電梯的驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng),以及傳感器等共同構(gòu)成的電梯起重機(jī)械,該電梯起重機(jī)械的相關(guān)參數(shù)見表1。該電梯起重機(jī)械節(jié)能控制的實驗環(huán)境如圖1所示。

        在圖1所示的NICE3000+型號電梯控制柜內(nèi),進(jìn)行電梯起重機(jī)械節(jié)能控制實驗,分析本文方法的節(jié)能控制效果。將傳感器采集的電梯運行速度、不同速度能耗、電梯轎廂質(zhì)量等信號輸入到電梯控制核心處理器STC89C52單片機(jī)中。在電梯控制核心處理器中搭載Windows 10操作系統(tǒng)和MATLAB仿真平臺。仿真平臺運行Python編程語言采用Tensorflow深度學(xué)習(xí)框架訓(xùn)練文中設(shè)計算法。設(shè)置SSA算法參數(shù),控制模型解(麻雀個體)D:10個;潛在解的空間維度N:5;任意數(shù)γ1、γ2、γ3分別為0.5、0.5、0.6;最大迭代次數(shù)τmax為450;任意數(shù)ζ為5;任意數(shù)ν為-0.5;電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型潛在解的上、下限ψ'、ψ'為-1、1;控制參數(shù)-ω為8;任意數(shù)ρ為0.5。

        2.2 實驗結(jié)果分析

        2.2.1多策略改進(jìn)SSA算法求解性能測試

        利用本文設(shè)計的多策略改進(jìn)S SA算法求解電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型,得到最佳的節(jié)能控制策略,初始種群個體在電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型潛在解空間內(nèi)的分布情況如圖2所示。

        由圖2可知,不同種類潛在解分布不均勻,算法可能陷入局部最優(yōu)解,而全局最優(yōu)解的搜索難度較大。在此條件下,本文方法利用Sine混沌映射策略改進(jìn)后,求解電梯起重機(jī)械節(jié)能控制模型,測試算法改進(jìn)后的迭代求解性能,結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可知,算法改進(jìn)前,求解最優(yōu)方案適應(yīng)度在55次時出現(xiàn)降低,且在適應(yīng)度值達(dá)到0.8時即輸出最優(yōu)解,說明算法陷入了局部最優(yōu)解。而本文方法通過Sine混沌映射策略,使得初始種群在求解空間內(nèi)均勻分布,然后利用邊界學(xué)習(xí)策略提高算法的全局搜索能力,易于跳出局部極值,提高求解的準(zhǔn)確性和有效性,利于提升電梯起重機(jī)械節(jié)能控制效果。

        2.2.2 電梯起重機(jī)械節(jié)能控制性能測試

        利用改進(jìn)算法求解節(jié)能控制模型后,可獲取最優(yōu)電梯起重機(jī)械節(jié)能控制策略,見表2。

        基于表2控制參數(shù)對電梯起重機(jī)械進(jìn)行節(jié)能控制。

        1)電梯不同運行速度、不同載荷狀態(tài)下電梯起重機(jī)械能耗測試

        由表1中的電梯起重機(jī)械參數(shù)可知,起重機(jī)系統(tǒng)空載時自重載荷為2000 kg,額定重載載荷為3600kg。測試經(jīng)過本文方法、文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法控制前后,該電梯在2000~3600 kg不同載荷狀態(tài)下,起重機(jī)械在啟動、停止、勻速不同加減速運行狀態(tài)(0~1.6 m/s)下的能耗變化情況如圖4所示。

        從圖4中可以看出,隨著載荷重量與運行速度的增長,該電梯起重機(jī)械的能耗均呈上升趨勢,經(jīng)過本文方法控制前,最高能耗達(dá)到1500 kJ。而應(yīng)用文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法方法控制后,能耗明顯降低,但在1200 kJ以上。而應(yīng)用本文方法控制后的電梯起重機(jī)械能耗,均明顯低于其他方法,降至900kJ以下。對比實驗證明:本文方法可有效完成電梯起重機(jī)械節(jié)能控制,并降低電梯起重機(jī)械的能耗。

        2)不同時段內(nèi)電梯起重機(jī)節(jié)能控制后的乘客舒適度測試

        測試高峰時段和空載時段,電梯起重機(jī)節(jié)能控制后的在不同樓層100名乘客包括等待時間和上下梯時間的總乘坐時間,總乘坐時間越少,有利于提升乘客舒適度,也能證明該方法進(jìn)行節(jié)能控速過程中對乘客便利體驗影響較小。測試結(jié)果如圖5所示。

        由圖5可知,在5:0 0—8:0 0、10:0 0—13:0 0、17:00—19:00這三個乘客高峰時段,應(yīng)用本文方法進(jìn)行電梯起重機(jī)節(jié)能控制后,總乘坐時間低于控制前和其他方法,控制在5 min以內(nèi)。這是因為本文方法有效控制電梯的速度和加速度,在減少能源消耗的同時,還可以實時交通流量和乘客需求次數(shù)優(yōu)化電梯的運行,減少空載和半載運行,減少乘客的等待時間和電梯的??看螖?shù),提高乘客的滿意度和舒適度。

        由于本文方法在舒適度約束中建立了舒適度評價指標(biāo),乘客乘坐電梯的舒適度指標(biāo)置信度越大,說明乘客乘梯越舒適。因此分析應(yīng)用本文方法控制后,該電梯的乘客乘梯舒適度,分析結(jié)果如圖6所示。

        從圖6中可以看出,在早、中、晚乘客流量較高時,舒適度指標(biāo)置信值較低,表示此時乘客乘梯的舒適度有所下降。但本文方法控制后不同時刻舒適置信度均未低于閾值,而其他方法存在低于閾值情況。這說明應(yīng)用本文方法后,該電梯的乘客乘梯舒適度較優(yōu),可為乘客提供較好的乘梯體驗。

        3 結(jié) 論

        研究多策略改進(jìn)SSA算法優(yōu)化下電梯起重機(jī)節(jié)能多目標(biāo)平衡控制方法。實驗結(jié)果證明,該方法在電梯運行模式、載荷變化下能夠自適應(yīng)調(diào)整起重機(jī)械能量,在降低起重機(jī)械消耗能量的同時降低乘客乘坐時間,提升舒適度。同時在理論上引入多種策略對傳統(tǒng)的SSA算法進(jìn)行改進(jìn),有效地克服了傳統(tǒng)算法在求解控制模型時容易陷入局部最優(yōu)的缺點,使得SSA算法在全局搜索和局部精細(xì)調(diào)整之間取得了良好的平衡,提高求解的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

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        作者簡介

        汪保良,通信作者,碩士研究生,高級工程師,主要從事機(jī)電類特種設(shè)備檢驗工作。

        (責(zé)任編輯:袁文靜)

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