控制科学与工程专题资料

第一讲自动化学科的发展与挑战孙长银问题1:为什么要研究基于数据的控制理论及其方法？随着科学技术、特别是信息科学技术的快速，发展, 化工、冶金、机械、电 子、电力、交通运输和物流等企业发生了重大变化. 企业的规模越来越大,生产 工艺、生产设备和生产过程越来越复杂. 传统方法, 即依据物理化学机理建立精 确数学模型, 并对生产过程和设备进行控制、预报和评价已变得越来越困难. 相 当数量的企业每天都在产生并存储着大量的生产、设备和过程数据, 这些数据隐 含着工艺变动和设备运行等信息. 如何有效利用大量的在线数据和知识,建立受 控系统较准确机理模型实现对生产过程和设备的优化控制、预报和评价, 已成为 控制理论界迫切需要解决的问题. 因此, 发展数据驱动控制理论与方法是新时 期控制理论发展与重大应用的必然要求, 具有重要的理论与现实意义.问题2:什么是基于数据的控制理论及其方法？数据驱动控制定义: 控制器设计不包含受控过程数学模型信息, 仅利用受 控系统的在线和离线I/O数据以及经过数据处理而得到的知识来设计控制器， 并在一定的假设下, 有收敛性、稳定性保障和鲁棒性结论的控制理论与方法。或 者简单地讲， 就是直接从数据到控制器设计的控制理论和方法。目前， 国内外已存在的数据驱动控制理论和方法主要有8 种. 按照对数据 的利用特点， 这些方法又可以分为三类， 分别是: 基于在线数据的数据驱动控 制理论与方法; 基于离线数据的数据驱动控制理论与方法; 基于在线和离线数 据相结合的数据驱动控制理论与方法.问题3:基于数据的控制理论及其方法的研究面临的挑战有哪些？1. 基于数据的控制理论和方法的框架体系的建立.2. 面向控制任务的数据处理及其在基于数据控制系统设计中的应用是一个 具有标志性意义的研究方向.3. 基于数据控制的鲁棒性定义和分析方法也是基于数据控制理论和方法的 建立及发展必须要解决的重要问题之一.第二讲 遗传算法及其在路径规划中的应用 李擎问题:车内导航系统和移动机器人路径规划遗传算法有何不同？所谓车载导航系统路径规划，就是在电子地图中找到一条从起点到终点在距 离（或时间）上最短的路径。所谓移动机器人路径规划，就是在规划空间中找到一条从起点到终点，满足 某一性能指标（如距离最短、时间最短、能量消耗最小、转弯次数最少等）且和 障碍物无碰的路径。车内导航系统的路径是确定的，移动机器人路径是随机的。 车内导航系统的编码采用的是字符编码，但是移动机器人采用的是数字编码 因为需求指标的不同，如最短路径、最少时间等，它们的适应性算法可能会 不同。两者的交叉方式也不一样，为了避免产生回路或者是断路，车内导航系统必 须采用特殊的单点交叉。第三讲 太赫兹检测技术 张朝辉问题：时域太赫兹脉冲的宽度仅在皮秒数量级，如何采集出如此短暂的波形？THz 频率很高，远远超出了传统的电采样示波器的分辨率，光电导和电光取 样成为了目前最主要的两种相干 THz 波探测技术。光电导采样是光电导发射机理的逆过程：光选通脉冲在光电导介质中激发产 生自由载流子，THz电场作为偏置电场，促使载流子运动产生电流，尽管电流 I（t）只在0.3ps内积分，非常微弱，但当平台stage移动一次时会有多次电荷累积 在电容内，因此可以达到nA级别的电流。对该电流进行测量可以得到THz电场 的信息。由于待测 THz 场的频率太高，实时采样存在困难，所以超短脉冲的采样采 用等效时间采样，即通过在周期信号的不同周期上抽取采样点来重新构建待测信 号的波形，新组成的信号的形状与原始信号相似，可以在时间刻度上比原来的信 号宽展了若干倍。考题：太赫兹定性测定化学成分，有何优势？答：与可见光相比，投射能力比较强；与 X 光、伽马射线比较，不会导致 生物细胞电离损伤，是一种安全的检测；与红外线比较，频率分辨率更细，对于 大分子更适宜。第四讲 无限传感器网络 肖文栋问题：无线传感器网络 WSN 的硬件结构分析无线传感器网络的硬件组成，主要研究其节点的硬件组成上。节点在硬 件设计上一般由传感器模块(感知模块)、处理器模块、无线收发模块、能量模 块、外部存储器模块五部分组成。传感器模块：主要用于监控区域内的信息采集 和数据交换。处理器模块：处理整个传感器节点的操作，存储和处理传感器采集、 其他节点传送的数据。无线通信模块：用于与其他节点进行无线通信，包括接收 与发送收集信息等。能量模块：主要为传感器提供运行所需的能量。外部存储模 块：用于存储用户的数据和程序运行所需的数据。这与具体的应用相挂钩。试题，当前无线传感器网络的研究中有哪些主要的挑战？为什么需要信息驱动的 网络设计？ 答：应用的信息需求与有限传感、通信、网络与计算资源的矛盾：信息驱动的跨 层优化设计；各种不确定性：需要高效的信号处理算法；动态环境：自适应、自 组织；可扩展到大规模(Scalability)：分层递阶、分布式设计与实现；网络的互 连互通与信息共享；基于传感信息的大数据处理。第二问不知道。11第五讲中立性延时系统的稳定性判据胡广大资料：无考题：中立型延时系统与线性定常系统的稳定性定义以及区别和联系。 答：不会。第六讲 write a research paper? 穆志纯不考第七讲 分布式发电、储能与微电网控制 孙瞿问题 1：什么是分布式发电？结构和特点？分布式发电(Distributed Generation)是指功率不大(一般几十kW到几十MW )、 建设在负荷中心附近的、模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、高 效、可靠的自主智能发电形式。结构：该系统由分布式电源、储能装置、AC/DC、DC/DC转换器等4个单元 组成，各单元通过直流总线连接，自主控制。特点：-接近终端用户-容量很小(几十kW至几十M W)-以孤立方式或与配电网并网方式，运行在380V或10kV-采用洁净或可再生能源(天然气、沼气、太阳能、生物质能、风能一小风 电、或水能小水电)。问题 2：什么是微电网？结构和特点微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为 主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式 的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体 化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满 足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。微电网可能组成中压或低压配电网的一部分，负荷通过分布式电源供电。根 据微电网的运行特性，微电网可能通过PCC连接到大电网并网运行，也可与之 断开进入孤网运行模式(IsolatedGrid, IG)。当微电网并网的时候，微电网的运 行和控制模式也在两种状态之间转换，即依赖于大电网的模式(Grid Dependent， GD)和独立于大电网的模式(Grid Independent，GI)。GD与GI模式的区别在 于微电网与大电网之间是否有功率交换。它们接在用户侧，具有成本低、电压低 以及污染小等特点。第八讲 高炉炉内料形监测与重构技术 陈先中资料：无 PPT 考题：好像是雷达测量原理？微波测量原理？以及获取这些数据有什么好处？ 答案：老师提示要和效率和可视化方面结合。问题：高炉炉顶面料检测方法？检测特点？a 采用微波发射器、接收器和天线组成的微波高度计；b 60Co 放射性同位素检测仪c 炉顶工业电视，摄像仪 传统上对封闭高炉料面的监视一般仅限于用机械探尺采集数据; 机械探尺 虽然准确可靠, 但缺点是不能遍历炉顶料面的每一点, 造成分析炉内料面分布的 难度较大;炉窑的视频监测系统, 在高温下可以看见炉内的布料状态、炉内火焰和炉边 火焰的发展情况, 但在光线较暗、料位很低时, 看不见炉内的布料情况;红外成像技术, 对料面表面的红外图像进行分析, 通过检测高炉料面的温度 分布来间接推算高炉料面的分布, 优点是可以根据像素值和像素之间的关系构 造三维图像, 全面反映炉顶料面形状, 缺点是在低温区效果不好，同时容易受到 高温气流的干扰；由于微波信号的传播特点,使得雷达料位测量比起红外、超声、激光等料位 计在某些特殊环境下更具有优越性, 能够承受高温、压力、粉尘的影响, 回波数 据稳定,距离分辨率高, 料面仿真度好, 可靠性高。同时，雷达的布置和维护困难。 检测特点：（不全面）采用LFMCW （线性调频连续波）雷达测量原理高频发射模块产生频率随时间线性变化的连续高频等幅波，经功放后由发射通路 连接到天线向空间发射，接到目标平面后发射并由天线接收，通过接收通路与本 振信号施加到混频器上，在微波传播到目标并返回天线的这段时间内，发射信号 相比回波已经有了频率的变化，混频器输出端便得到频率与待测距离线性相关的 差拍信号，通过滤波放大和信号处理（FFT ）测出差拍信号频率就可以推导出目 标的距离。第九讲 非线性梯形建模理论及方法 PPt 尹怡欣 问题：非线性动态系统和线性动态系统的主要特点？主要有哪几种非线性系统模 型？非线性系统辨识的主要思路和方法？1. 非线性动态系统和线性系统的主要特点：a. 非线性系统: 不适用叠加定理； 稳定性分析复杂，非线性系统的稳定性不仅与系统的结构和参数有关，也与 初始条件以及系统的输入信号的类型和幅值有关；可能存在自持振荡(极限环)现象，自持振荡是指没有外界周期变化信号的 作用时，系统内部产生的具有固定振幅和频率的稳定周期运动； 频率响应发生畸变，非线性系统的频率响应除了含有与输入同频率的正弦信 号分量外，还含有W的高次谐波分量，使输出波形发生非线性畸变； G(s)、G(jw)对非线性系统不适用。b. 线性系统： 线性系统的稳定性只与系统的结构形式和参数有关，而与外作用及初始条件 无关；线性系统响应的形式与输入的幅值、系统的初始状态无关； 可能会产生自由周期运动，但是振幅和相位取决于初始状态，一旦受到扰动， 振幅和相位都会发生变化，这种周期运动是不稳定的。当输入是正弦信号时，系统的输出是同频率的正弦信号，仅幅值和相位不同。2. 主要有哪几种非线性系统模型： 典型的非线性环节包括：死区非线性、饱和非线性、间隙非线性、继电器非 线性等。3. 非线性系统辨识的主要思路和方法：a. Hammerstein模型辨识法主要分为3类：第1 类采用传统迭代法这种方法计算复杂, 并且不一定收敛.第2 类方法利用分离原理, 将稳态估计和动态辨识相结合, 但这种方法需要 严格假设输入为白噪声最新的研究中，是一种基于最小二乘法和特征值分解的辨识方法(L sES vD 法), 仅需假设输入为持续激励, 并可获得在有噪声情况下系统的有效辨 识.b. Wiener-Hammerstein 模型辨识方法：最小二乘神经网络非线性优化c. NARMAX模型辨识方法：可以拿神经网络进行辨识第十讲 非线性系统的工程控制方法 童朝南问题： 关于“模糊控制对于一个系统一定比精确控制带来的误差大”这种说法 对吗？为什么？这种说法不一定正确，模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制 器更能逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法。模糊控制属于智能控 制的范畴，它的最大优势在于它不需要对象的精确数学模型。由于模糊控制本质 上是非线性和自适应控制，对于具有参数波动或者检测信号不太精确的复杂非线 性多变量模糊控制也能很好的处理，对于参数波动和负载干扰的影响具有很强的 鲁棒性。精确控制追求对系统精确的数值分析和描述,用统一的数学表达式,特别是用微分 方程配合大量参数对系统结构及特性进行描述,并通过解方程求解系统从而进行 控制.是以精确数学为前提的.在精确控制中,在建立数学模型时,为了简便计算,总 是要做一些假设,忽略一些次要因素.这样,精确的描述中就包含了模糊的描述,数 学模型中就包含了模糊的因素.同时,当系统处在的环境发生变化,系统的参数也 会跟着变化,这时控制会发生偏差,也可以说精确控制就不是绝对精确了,其中也 存在模糊化的因素. 而且许多工业被控对象或过程往往具有非线性、时变性、变 结构、多层次、多因素等各种不确定性，难于建立精确的数学模型。第十一讲 复杂工业系统的故障诊断与预测 彭开香资料：手机上有部分PPT照片考题：PCA模型基本思路及解决的问题，具体见PPT?答：PCA监测模型基本原理：PCA统计过程监测模型描述了正常工况下个过程变量之间的关系，这种变量间的 内在联系是由物料平衡、能量平衡以及操作限制等约束条件所形成的，具体建模 方法是将过程数据向量投影到两个正交的子空间（主元空间和残差空间）上，并 分别建立相应的统计向量进行假设检验，以判断过程的运行状况。PCA监测模型作用：PCA监测模型本身只具有检测过程变化的功能，不具有明确的、定量的故障重构、 识别和分离等高级功能。主要是提供一种“经验模型”，这种由数据驱动方法建 立的模型与精确的机理模型在过程检测中作用地位是类似的；在数据驱动的过程 检测方法中PCA模型是用于提供变量和正常范围或控制限。第十二讲 雷达技术 蓝金辉问题：ATR（Au toma tic Target Recog nit io n）的主要关键技术： 传感器技术、处理器、存储技术、数据库、算法与程序。考题：目标识别关键技术相关的内容，并举出该技术的实用例子。 答：传感器技术：包括红外凝视焦平面阵列技术，固体激光雷达技术等；处理器DSP芯片和FPGA芯片，如果采用两种传感器还需开发MSP （多传感器处理器） 芯片；存储技术：微处理器技术和相关的存储器技术与器件；数据库：相关目标 区域的数字基准图数据库，包括可见光图像、红外图像、激光图像等数据库；算 法与程序：与自动目标识别相关的算法和软件系统。第十三讲红外技术付冬梅无题目有课件第十四讲多模控制李晓理1 直接多模型自适应控制： 特点是：有一个预先给定的控制序列；如何切换到下一个控制器直接由系统 输出决定。2 间接多模型自适应控制：a.需要有一个模型的集合。b.需要有一个指标切换函数；c.要建立多个模型控制器；d有监督函数，用来决定什么时候切换到哪一个控制器。3 加权多模型自适应控制的基本思想：a.对每个模型给出权值。b.对每个模型的权值给出它变化的递推方程。c.根据加权和求 出控制器。4 离散时间系统多模型切换控制基本思想：a.预先必须给出控制序列。b.什么时候切换控制器由系统的输出决定。5 鲁棒控制a) 鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。b) 一般以最差的情况为基础，因此一般不工作在最优状态。c) 一旦设计好控制器，参数不能改变且控制性能能够保证。第十五讲、李希胜地磁匹配导航关键技术研究问题：地磁导航的定义？地磁场是地球的基本物理场，地球周围空间的物体都处于地磁场中。利用磁 传感器可以测量地磁场的各要素，包括总磁场强度、东向分量、北向分量、垂直 分量、磁偏角、磁倾角以及磁场梯度。地磁场具有全天时、全地域和短期稳定性 等特征，并且在不同方位具有不同的磁场要素，故可将其作为导航场。地磁导航就是利用地磁场的特征进行导航的新方法。地磁导航同中立导航、 地形导航一样，是一种自主、隐蔽的导航技术。地磁导航的一个重要特点是当前 值估计状态与过去无关，即误差不随时间积累。当把地磁导航与惯性导航组合并 应用于导航系统时，可校正导航系统的时间累积误差，提高惯性系统的精度。