控制科學(xué)與工程專題資料問題與答案

1、多練岀技巧巧思岀碩果第一講自動(dòng)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(jī)械、電 子、電力、交通運(yùn)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(jī)理建立精 確數(shù)學(xué)模型，并對(duì)生產(chǎn)過程和設(shè)備進(jìn)行控制、預(yù)報(bào)和評(píng)價(jià)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(chǔ)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(dòng)和設(shè)備運(yùn)行等信息.如何有效利用大量的在線數(shù)據(jù)和知識(shí)，建立受 控系統(tǒng)較準(zhǔn)確機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程和設(shè)備的優(yōu)化控制、預(yù)報(bào)和評(píng)價(jià)，已

2、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(dòng)控制理論與方法是新時(shí) 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(shí)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(dòng)控制定義：控制器設(shè)計(jì)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(shí)來設(shè)計(jì)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?；蛘吆唵蔚刂v，就是直接從數(shù)據(jù)到控制器設(shè)計(jì)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(dòng)控制理論和方法主要有 8種.按照對(duì)數(shù)據(jù) 的利用特點(diǎn)，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(dòng)控 制理論與方法；基

3、于離線數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)中的應(yīng)用是一個(gè) 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(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃遺傳算法有何不同？所謂車載導(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(diǎn)到終點(diǎn)在距 離（或時(shí)間）上最短的路徑。所謂移動(dòng)機(jī)器人路

4、徑規(guī)劃，就是在規(guī)劃空間中找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)， 滿足 某一性能指標(biāo)（如距離最短、時(shí)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(dòng)機(jī)器人路徑是隨機(jī)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(dòng)機(jī)器人采用的是數(shù)字編碼。因?yàn)樾枨笾笜?biāo)的不同，如最短路徑、最少時(shí)間等，它們的適應(yīng)性算法可能會(huì) 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(diǎn)交叉。第三講太赫茲檢測技術(shù)張朝輝問題：時(shí)域太赫茲脈沖的寬度僅在皮秒數(shù)量級(jí)，如何采集出如此短暫的波形？THz頻率很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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

5、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(jī)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，盡管電流 l（t）只在0.3ps內(nèi)積分，非常微弱，但當(dāng)平臺(tái)stage移動(dòng)一次時(shí)會(huì)有多次電荷累積 在電容內(nèi)，因此可以達(dá)到nA級(jí)別的電流。對(duì)該電流進(jìn)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(shí)時(shí)采樣存在困難，所以超短脈沖的采樣采 用等效時(shí)間采樣，即通過在周期信號(hào)的不同周期上抽取采樣點(diǎn)來重新構(gòu)建待測信 號(hào)的波形，新組成的信號(hào)的形狀與原始信號(hào)相似，可以在時(shí)間刻度上比原來的信 號(hào)寬展了若干倍。考題：太赫茲定性測定化學(xué)成

6、分，有何優(yōu)勢？答：與可見光相比，投射能力比較強(qiáng)；與 X光、伽馬射線比較，不會(huì)導(dǎo)致 生物細(xì)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(xì)，對(duì)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勺硬件結(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(diǎn)的硬件組成上。節(jié)點(diǎn)在硬 件設(shè)計(jì)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(chǔ)器模塊五部分組成。傳感器模塊：主要用于監(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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理傳感器采集、 其他節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)。無線通信模塊：用于與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，包括接收 與發(fā)送收集信

7、息等。能量模塊：主要為傳感器提供運(yùn)行所需的能量。 外部存儲(chǔ)模 塊：用于存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)和程序運(yùn)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(dòng)的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)？ 答：應(yīng)用的信息需求與有限傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算資源的矛盾：信息驅(qū)動(dòng)的跨 層優(yōu)化設(shè)計(jì)；各種不確定性：需要高效的信號(hào)處理算法；動(dòng)態(tài)環(huán)境：自適應(yīng)、自 組織；可擴(kuò)展到大規(guī)模(Scalability)：分層遞階、分布式設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)胡廣大資料：無考題：中立型延時(shí)系統(tǒng)與線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性定義

8、以及區(qū)別和聯(lián)系 答：不會(huì)穆志純第六講 write a research paper?不考第七講分布式發(fā)電、儲(chǔ)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(diǎn)？分布式發(fā)電（Distributed Gen eration）是指功率不大（一般幾十kW到幾十MW ）、 建設(shè)在負(fù)荷中心附近的、模塊式采用先進(jìn)信息控制技術(shù)的、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、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(chǔ)能裝置、AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器等4個(gè)單元組成，各單元通過直流總線連接，自主控制。特點(diǎn)：-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(yùn)行在 380V或10kV-

9、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)能一小風(fēng) 電、或水能一小水電） 問題2:什么是微電網(wǎng)？結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)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(jí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源和負(fù)荷的一體 化運(yùn)行，并通過和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，可平滑接入主網(wǎng)或獨(dú)立自治運(yùn)行， 充分滿 足用戶對(duì)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(fù)荷通過分布式電源供電。根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性，微電網(wǎng)可能通過 PCC連接到大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可與之 斷開進(jìn)入孤網(wǎng)

10、運(yùn)行模式（IsolatedGrid, IG）。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)的時(shí)候，微電網(wǎng)的運(yùn) 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 Dependen， GD）和獨(dú)立于大電網(wǎng)的模式（Grid Independen，Gl）。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 以及污染小等特點(diǎn)。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(dá)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(diǎn)？a采用微波發(fā)射器、接收器和天線組成的微波高度計(jì)；b 6

11、0Co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(duì)封閉高爐料面的監(jiān)視一般僅限于用機(jī)械探尺采集數(shù)據(jù) ；機(jī)械探尺 雖然準(zhǔn)確可靠，但缺點(diǎn)是不能遍歷爐頂料面的每一點(diǎn)，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(shí)，看不見爐內(nèi)的布料情況；紅外成像技術(shù)，對(duì)料面表面的紅外圖像進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)是在低溫區(qū)效果不好，同時(shí)容易受到 高溫氣流的干擾；由于微波信號(hào)的傳播特點(diǎn)，使得雷達(dá)料位測量比起

12、紅外、超聲、激光等料位 計(jì)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(shí)，雷達(dá)的布置和維護(hù)困難。檢測特點(diǎn)：（不全面）采用LFMCW （線性調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)測量原理高頻發(fā)射模塊產(chǎn)生頻率隨時(shí)間線性變化的連續(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(hào)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(shí)間內(nèi)， 發(fā)射信號(hào) 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(hào)，通過濾波放大和信號(hào)處理（FFT）測出差拍信號(hào)頻率就可以推導(dǎo)出目

13、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(dòng)態(tài)系統(tǒng)和線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)？主要有哪幾種非線性系統(tǒng)模 型？非線性系統(tǒng)辨識(shí)的主要思路和方法？1. 非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：a.非線性系統(tǒng)：不適用疊加定理；穩(wěn)定性分析復(fù)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(hào)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(hào)的作用時(shí)，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(yùn)動(dòng)；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(hào)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；qs）

14、、qjw）對(duì)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(huì)產(chǎn)生自由周期運(yùn)動(dòng)，但是振幅和相位取決于初始狀態(tài)，一旦受到擾動(dòng)，振幅和相位都會(huì)發(fā)生變化，這種周期運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的。當(dāng)輸入是正弦信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出是同頻率的正弦信號(hào)，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(shí)的主要思路和方法：a. Hammerstein模型辨識(shí)法主要分為3類：第1類采用傳統(tǒng)迭代法這種方法計(jì)算復(fù)雜，并且不一定收

15、斂第2類方法利用分離原理，將穩(wěn)態(tài)估計(jì)和動(dòng)態(tài)辨識(shí)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(shí)方法 （L sE 一S vD法）,僅需假設(shè)輸入為持續(xù)激勵(lì)，并可獲得在有噪聲情況下系統(tǒng)的有效辨識(shí)b. Wiener-Hammerstein 模型辨識(shí)方法：最小二乘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性優(yōu)化c. NARMAX型辨識(shí)方法：可以拿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí)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(duì)于一個(gè)系統(tǒng)一定比精確控制帶來的誤差大”這種說法 對(duì)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：?，使控制器更能逼真地模仿熟練操?/p>

16、人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(duì)于具有參數(shù)波動(dòng)或者檢測信號(hào)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(duì)于參數(shù)波動(dòng)和負(fù)載干擾的影響具有很強(qiáng)的 魯棒性。精確控制追求對(duì)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(dá)式，特別是用微分 方程配合大量參數(shù)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行描述，并通過解方程求解系統(tǒng)從而進(jìn)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(shí)，為了簡便計(jì)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(shí),

17、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(huì)跟著變化，這時(shí)控制會(huì)發(fā)生偏差，也可以說精確控制就不是絕對(duì)精確了 ，其中也 存在模糊化的因素而且許多工業(yè)被控對(duì)象或過程往往具有非線性、時(shí)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(jī)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(jì)過程監(jiān)測模型描述了正常工況下個(gè)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(gè)正交的子空間 （主元空間和

18、殘差空間）上，并 分別建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)向量進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，以判斷過程的運(yùn)行狀況。PCA監(jiān)測模型作用：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(shí)別和分離等高級(jí)功能。主要是提供一種“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?，這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法建 立的模型與精確的機(jī)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(dòng)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(dá)技術(shù)藍(lán)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(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、算法與程序?？碱}：目標(biāo)識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，并舉出該技術(shù)的實(shí)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(dá)技術(shù)等；處 理器DS芯片和FPG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(chǔ)技術(shù)：微處理器技術(shù)和相關(guān)的存儲(chǔ)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(dòng)目標(biāo)識(shí)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?？刂评顣岳?直接多模型自適應(yīng)控制：特點(diǎn)是：有一個(gè)預(yù)先給定的控制序列；如何切換