控制科學(xué)與工程專題資料問題與答案

1、第一講 自動化學(xué)科的發(fā)展與挑戰(zhàn) 孫長銀問題 1：為什么要研究基于數(shù)據(jù)的控制理論及其方法？隨著科學(xué)技術(shù)、特別是信息科學(xué)技術(shù)的快速，發(fā)展 , 化工、冶金、機械、電 子、電力、交通運輸和物流等企業(yè)發(fā)生了重大變化 . 企業(yè)的規(guī)模越來越大 , 生產(chǎn) 工藝、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜 . 傳統(tǒng)方法 , 即依據(jù)物理化學(xué)機理建立精 確數(shù)學(xué)模型 , 并對生產(chǎn)過程和設(shè)備進行控制、 預(yù)報和評價已變得越來越困難 . 相 當(dāng)數(shù)量的企業(yè)每天都在產(chǎn)生并存儲著大量的生產(chǎn)、 設(shè)備和過程數(shù)據(jù) , 這些數(shù)據(jù)隱 含著工藝變動和設(shè)備運行等信息 . 如何有效利用大量的在線數(shù)據(jù)和知識 , 建立受 控系統(tǒng)較準(zhǔn)確機理模型實現(xiàn)對生產(chǎn)過程和設(shè)備

2、的優(yōu)化控制、 預(yù)報和評價 , 已成為 控制理論界迫切需要解決的問題 . 因此 , 發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與方法是新時 期控制理論發(fā)展與重大應(yīng)用的必然要求 , 具有重要的理論與現(xiàn)實意義 . 問題2：什么是基于數(shù)據(jù)的控制理論及其方法？數(shù)據(jù)驅(qū)動控制定義 : 控制器設(shè)計不包含受控過程數(shù)學(xué)模型信息 , 僅利用受 控系統(tǒng)的在線和離線 I/O 數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到的知識來設(shè)計控制器 , 并在一定的假設(shè)下 , 有收斂性、穩(wěn)定性保障和魯棒性結(jié)論的控制理論與方法。 或 者簡單地講 , 就是直接從數(shù)據(jù)到控制器設(shè)計的控制理論和方法。目前 , 國內(nèi)外已存在的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論和方法主要有 8 種. 按照對數(shù)據(jù) 的利用

3、特點 , 這些方法又可以分為三類 , 分別是 : 基于在線數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動控 制理論與方法 ; 基于離線數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與方法 ; 基于在線和離線數(shù) 據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制理論與方法 .問題3：基于數(shù)據(jù)的控制理論及其方法的研究面臨的挑戰(zhàn)有哪些？1. 基于數(shù)據(jù)的控制理論和方法的框架體系的建立2. 面向控制任務(wù)的數(shù)據(jù)處理及其在基于數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用是一個 具有標(biāo)志性意義的研究方向 .3. 基于數(shù)據(jù)控制的魯棒性定義和分析方法也是基于數(shù)據(jù)控制理論和方法的 建立及發(fā)展必須要解決的重要問題之一 第二講 遺傳算法及其在路徑規(guī)劃中的應(yīng)用 李擎問題：車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)和移動機器人路徑規(guī)劃遺傳算法有何不同？所

4、謂車載導(dǎo)航系統(tǒng)路徑規(guī)劃， 就是在電子地圖中找到一條從起點到終點在距 離（或時間）上最短的路徑。所謂移動機器人路徑規(guī)劃， 就是在規(guī)劃空間中找到一條從起點到終點， 滿足 某一性能指標(biāo)（如距離最短、時間最短、能量消耗最小、轉(zhuǎn)彎次數(shù)最少等）且和 障礙物無碰的路徑。車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑是確定的，移動機器人路徑是隨機的。車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的編碼采用的是字符編碼， 但是移動機器人采用的是數(shù)字編碼。因為需求指標(biāo)的不同， 如最短路徑、 最少時間等， 它們的適應(yīng)性算法可能會 不同。兩者的交叉方式也不一樣， 為了避免產(chǎn)生回路或者是斷路， 車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)必 須采用特殊的單點交叉。第三講 太赫茲檢測技術(shù) 張朝輝問題：時域太赫茲脈

5、沖的寬度僅在皮秒數(shù)量級，如何采集出如此短暫的波形？THz 頻率很高， 遠遠超出了傳統(tǒng)的電采樣示波器的分辨率， 光電導(dǎo)和電光取 樣成為了目前最主要的兩種相干 THz 波探測技術(shù)。光電導(dǎo)采樣是光電導(dǎo)發(fā)射機理的逆過程： 光選通脈沖在光電導(dǎo)介質(zhì)中激發(fā)產(chǎn) 生自由載流子， THz 電場作為偏置電場，促使載流子運動產(chǎn)生電流，盡管電流 I（t） 只在 0.3ps 內(nèi)積分，非常微弱，但當(dāng)平臺 stage移動一次時會有多次電荷累積 在電容內(nèi)，因此可以達到 nA級別的電流。對該電流進行測量可以得到 THz 電場 的信息。由于待測 THz 場的頻率太高，實時采樣存在困難，所以超短脈沖的采樣采 用等效時間采樣，即通過在

6、周期信號的不同周期上抽取采樣點來重新構(gòu)建待測信 號的波形， 新組成的信號的形狀與原始信號相似， 可以在時間刻度上比原來的信 號寬展了若干倍?？碱}：太赫茲定性測定化學(xué)成分，有何優(yōu)勢？答：與可見光相比，投射能力比較強；與 X 光、伽馬射線比較，不會導(dǎo)致 生物細胞電離損傷，是一種安全的檢測；與紅外線比較，頻率分辨率更細，對于 大分子更適宜。第四講 無限傳感器網(wǎng)絡(luò) 肖文棟問題：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN的硬件結(jié)構(gòu)分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件組成， 主要研究其節(jié)點的硬件組成上。 節(jié)點在硬 件設(shè)計上一般由傳感器模塊(感知模塊) 、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、能量模 塊、外部存儲器模塊五部分組成。 傳感器模塊： 主要

7、用于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的信息采集 和數(shù)據(jù)交換。處理器模塊：處理整個傳感器節(jié)點的操作， 存儲和處理傳感器采集、 其他節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)。 無線通信模塊： 用于與其他節(jié)點進行無線通信， 包括接收 與發(fā)送收集信息等。 能量模塊： 主要為傳感器提供運行所需的能量。 外部存儲模 塊：用于存儲用戶的數(shù)據(jù)和程序運行所需的數(shù)據(jù)。這與具體的應(yīng)用相掛鉤。試題，當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中有哪些主要的挑戰(zhàn)？為什么需要信息驅(qū)動的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計？ 答：應(yīng)用的信息需求與有限傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)與計算資源的矛盾：信息驅(qū)動的跨 層優(yōu)化設(shè)計；各種不確定性：需要高效的信號處理算法；動態(tài)環(huán)境：自適應(yīng)、自 組織；可擴展到大規(guī)模( Scalability)

8、：分層遞階、分布式設(shè)計與實現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)的互 連互通與信息共享；基于傳感信息的大數(shù)據(jù)處理。第二問不知道。11. 第五講 中立性延時系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)胡廣大資料：無考題：中立型延時系統(tǒng)與線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性定義以及區(qū)別和聯(lián)系穆志純答：不會第六講 write a research paper?不考第七講 分布式發(fā)電、儲能與微電網(wǎng)控制 孫瞿問題 1：什么是分布式發(fā)電？結(jié)構(gòu)和特點？分布式發(fā)電（Distributed Generation）是指功率不大（一般幾十 kW到幾十 MW）、 建設(shè)在負荷中心附近的、模塊式采用先進信息控制技術(shù)的、清潔環(huán)保、經(jīng)濟、高 效、可靠的自主智能發(fā)電形式。結(jié)構(gòu)：該系統(tǒng)由分布式電源、儲

9、能裝置、 AC/DC 、DC/DC轉(zhuǎn)換器等 4個單元 組成，各單元通過直流總線連接，自主控制。特點：接近終端用戶容量很?。◣资?kW 至幾十 M W ）以孤立方式或與配電網(wǎng)并網(wǎng)方式，運行在 380V 或 10kV采用潔凈或可再生能源 （天然氣、沼氣、太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能小風(fēng)電、或水能小水電 ） 問題 2：什么是微電網(wǎng)？結(jié)構(gòu)和特點微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)， 以靠近分散型資源或用戶的小型電站為 主，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、 分散式 的供能網(wǎng)絡(luò)。 微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分， 能實現(xiàn)內(nèi)部電源和負荷的一體 化運行，并通過和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制， 可平滑接入主

10、網(wǎng)或獨立自治運行， 充分滿 足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求。微電網(wǎng)可能組成中壓或低壓配電網(wǎng)的一部分， 負荷通過分布式電源供電。 根 據(jù)微電網(wǎng)的運行特性，微電網(wǎng)可能通過 PCC 連接到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可與之 斷開進入孤網(wǎng)運行模式( IsolatedGrid， IG)。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)的時候，微電網(wǎng)的運 行和控制模式也在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換， 即依賴于大電網(wǎng)的模式 ( Grid Dependent， GD)和獨立于大電網(wǎng)的模式( Grid Independent，GI )。GD 與 GI 模式的區(qū)別在 于微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間是否有功率交換。 它們接在用戶側(cè)， 具有成本低、 電壓低 以及污染小等

11、特點。第八講 高爐爐內(nèi)料形監(jiān)測與重構(gòu)技術(shù) 陳先中資料：無 PPT考題：好像是雷達測量原理？微波測量原理？以及獲取這些數(shù)據(jù)有什么好處？答案：老師提示要和效率和可視化方面結(jié)合。問題：高爐爐頂面料檢測方法？檢測特點？a 采用微波發(fā)射器、接收器和天線組成的微波高度計；b 60Co 放射性同位素檢測儀c 爐頂工業(yè)電視，攝像儀傳統(tǒng)上對封閉高爐料面的監(jiān)視一般僅限于用機械探尺采集數(shù)據(jù) ; 機械探尺 雖然準(zhǔn)確可靠 , 但缺點是不能遍歷爐頂料面的每一點 , 造成分析爐內(nèi)料面分布的 難度較大 ;爐窯的視頻監(jiān)測系統(tǒng) , 在高溫下可以看見爐內(nèi)的布料狀態(tài)、 爐內(nèi)火焰和爐邊 火焰的發(fā)展情況 , 但在光線較暗、料位很低時 ,

12、 看不見爐內(nèi)的布料情況 ;紅外成像技術(shù) , 對料面表面的紅外圖像進行分析 , 通過檢測高爐料面的溫度 分布來間接推算高爐料面的分布 , 優(yōu)點是可以根據(jù)像素值和像素之間的關(guān)系構(gòu) 造三維圖像 , 全面反映爐頂料面形狀 , 缺點是在低溫區(qū)效果不好，同時容易受到 高溫氣流的干擾；由于微波信號的傳播特點 ,使得雷達料位測量比起紅外、超聲、激光等料位 計在某些特殊環(huán)境下更具有優(yōu)越性 , 能夠承受高溫、壓力、粉塵的影響 , 回波數(shù) 據(jù)穩(wěn)定,距離分辨率高, 料面仿真度好, 可靠性高。同時，雷達的布置和維護困難。檢測特點：（不全面）采用 LFMCW （線性調(diào)頻連續(xù)波）雷達測量原理高頻發(fā)射模塊產(chǎn)生頻率隨時間線性變

13、化的連續(xù)高頻等幅波， 經(jīng)功放后由發(fā)射通路 連接到天線向空間發(fā)射， 接到目標(biāo)平面后發(fā)射并由天線接收， 通過接收通路與本 振信號施加到混頻器上， 在微波傳播到目標(biāo)并返回天線的這段時間內(nèi)， 發(fā)射信號 相比回波已經(jīng)有了頻率的變化， 混頻器輸出端便得到頻率與待測距離線性相關(guān)的 差拍信號，通過濾波放大和信號處理（ FFT）測出差拍信號頻率就可以推導(dǎo)出目 標(biāo)的距離。第九講 非線性梯形建模理論及方法 PPt 尹怡欣 問題：非線性動態(tài)系統(tǒng)和線性動態(tài)系統(tǒng)的主要特點？主要有哪幾種非線性系統(tǒng)模 型？非線性系統(tǒng)辨識的主要思路和方法？1. 非線性動態(tài)系統(tǒng)和線性系統(tǒng)的主要特點：a. 非線性系統(tǒng)：不適用疊加定理；穩(wěn)定性分析復(fù)

14、雜，非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性不僅與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，也與 初始條件以及系統(tǒng)的輸入信號的類型和幅值有關(guān)；可能存在自持振蕩(極限環(huán))現(xiàn)象，自持振蕩是指沒有外界周期變化信號的 作用時，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的具有固定振幅和頻率的穩(wěn)定周期運動；頻率響應(yīng)發(fā)生畸變，非線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)除了含有與輸入同頻率的正弦信 號分量外，還含有 w的高次諧波分量，使輸出波形發(fā)生非線性畸變；G( s) 、G( jw )對非線性系統(tǒng)不適用。b. 線性系統(tǒng)：線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)有關(guān)，而與外作用及初始條件 無關(guān)；線性系統(tǒng)響應(yīng)的形式與輸入的幅值、系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)； 可能會產(chǎn)生自由周期運動， 但是振幅和相位取決于初始狀態(tài)

15、， 一旦受到擾動， 振幅和相位都會發(fā)生變化，這種周期運動是不穩(wěn)定的。當(dāng)輸入是正弦信號時， 系統(tǒng)的輸出是同頻率的正弦信號， 僅幅值和相位不同。2. 主要有哪幾種非線性系統(tǒng)模型：典型的非線性環(huán)節(jié)包括：死區(qū)非線性、飽和非線性、間隙非線性、繼電器非 線性等。3. 非線性系統(tǒng)辨識的主要思路和方法：aHammerstein模型辨識法主要分為 3 類：第 1 類采用傳統(tǒng)迭代法這種方法計算復(fù)雜 , 并且不一定收斂 .第 2 類方法利用分離原理 , 將穩(wěn)態(tài)估計和動態(tài)辨識相結(jié)合 , 但這種方法需要 嚴(yán)格假設(shè)輸入為白噪聲最新的研究中 , 是一種基于最小二乘法和特征值分解的辨識方法 (L sE 一S v D 法 ),

16、 僅需假設(shè)輸入為持續(xù)激勵 , 并可獲得在有噪聲情況下系統(tǒng)的有效辨 識.bWiener-Hammerstein 模型辨識方法：最小二乘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性優(yōu)化cNARMA模X型辨識方法：可以拿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行辨識第十講 非線性系統(tǒng)的工程控制方法 童朝南問題： 關(guān)于“模糊控制對于一個系統(tǒng)一定比精確控制帶來的誤差大”這種說法 對嗎？為什么？這種說法不一定正確，模糊控制是利用模糊集合來刻畫人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：裕?使控制 器更能逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經(jīng)驗與方法。 模糊控制屬于智能控 制的范疇， 它的最大優(yōu)勢在于它不需要對象的精確數(shù)學(xué)模型。 由于模糊控制本質(zhì) 上是非線性和自適應(yīng)控制， 對于具有

17、參數(shù)波動或者檢測信號不太精確的復(fù)雜非線 性多變量模糊控制也能很好的處理， 對于參數(shù)波動和負載干擾的影響具有很強的 魯棒性。精確控制追求對系統(tǒng)精確的數(shù)值分析和描述 ,用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式 ,特別是用微分 方程配合大量參數(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特性進行描述 ,并通過解方程求解系統(tǒng)從而進行 控制 .是以精確數(shù)學(xué)為前提的 .在精確控制中 ,在建立數(shù)學(xué)模型時 ,為了簡便計算 ,總 是要做一些假設(shè) ,忽略一些次要因素 .這樣 ,精確的描述中就包含了模糊的描述 ,數(shù) 學(xué)模型中就包含了模糊的因素 .同時 ,當(dāng)系統(tǒng)處在的環(huán)境發(fā)生變化 ,系統(tǒng)的參數(shù)也 會跟著變化 ,這時控制會發(fā)生偏差 ,也可以說精確控制就不是絕對精確了 ,其

18、中也 存在模糊化的因素 . 而且許多工業(yè)被控對象或過程往往具有非線性、時變性、變 結(jié)構(gòu)、多層次、多因素等各種不確定性，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型。第十一講 復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測 彭開香資料：手機上有部分 PPT照片考題： PCA模型基本思路及解決的問題，具體見 PPT？答： PCA監(jiān)測模型基本原理：PCA統(tǒng)計過程監(jiān)測模型描述了正常工況下個過程變量之間的關(guān)系， 這種變量間的 內(nèi)在聯(lián)系是由物料平衡、 能量平衡以及操作限制等約束條件所形成的， 具體建模 方法是將過程數(shù)據(jù)向量投影到兩個正交的子空間 （主元空間和殘差空間） 上，并 分別建立相應(yīng)的統(tǒng)計向量進行假設(shè)檢驗，以判斷過程的運行狀況。PCA監(jiān)測

19、模型作用：PCA監(jiān)測模型本身只具有檢測過程變化的功能， 不具有明確的、定量的故障重構(gòu)、 識別和分離等高級功能。主要是提供一種“經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?，這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建 立的模型與精確的機理模型在過程檢測中作用地位是類似的； 在數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程 檢測方法中 PCA模型是用于提供變量和正常范圍或控制限。第十二講 雷達技術(shù) 藍金輝問題： ATR（Automatic Target Recognition） 的主要關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、處理器、存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、算法與程序。考題：目標(biāo)識別關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，并舉出該技術(shù)的實用例子。答：傳感器技術(shù)：包括紅外凝視焦平面陣列技術(shù)，固體激光雷達技術(shù)等；處 理器DSP芯片和 FPGA芯片，如果采用兩種傳感器還需開發(fā) MSP（多傳感器處理器） 芯片；存儲技術(shù)：微處理器技術(shù)和相關(guān)的存儲器技術(shù)與器件；數(shù)據(jù)庫：相關(guān)目標(biāo) 區(qū)域的數(shù)字基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)庫，包括可見光圖像、紅外圖像、激光圖像等數(shù)據(jù)庫；算 法與程序：與自動目標(biāo)識別相關(guān)的算法和軟件系統(tǒng)。第十三講 紅外技術(shù) 付冬梅無題目 有課件第十四講 多?？刂?李曉理1 直接多模型自適應(yīng)控制 ：特點是：有一個預(yù)先給定的控制序