高级过程控制试卷及答案

陕西科技大学研究生考试试卷
考试科目：工业过程高级控制
专业：控制理论与控制工程
年级：研036班
研究生姓名：高泽东
课程工业过程高级控制（研究生）班级
学号姓名
一、什么是解析控制器设计？试述基于继电反馈辨识的控制器设计的基本步骤。

（15分）
二、自整定控制器设计方法与自适应控制器设计方法之间有什么联系与区别？（10分）
三、什么是大时滞过程？该过程难以控制的根本原因是什么？试列举几个行之有效的大时滞过程控制方
法或控制策略。

（15分）
四、试画出IMC的基本结构框图，详细解释该控制器的主要性质（或优点）。

（10分）
五、试述前馈控制和推理控制的适用场合，画出推理控制的结构框图，阐述推理控制器的一般设计过程。

（15分）
六、软测量与推理控制的联系是什么？试述软测量技术实施的一般步骤，列举每一步中可采用的主要方
法。

（15分）
七、画出预测控制的结构框图，试述其基本特征。

（10分）
八、试解释鲁棒稳定性与鲁棒性能的联系与区别。

（10分）
注释：满分100分，考试时间180分钟。

课程工业过程高级控制（研究生）班级
学号姓名
一、什么是解析控制器设计？试述基于继电反馈辨识的控制器设计的基本步骤。

（15分）
答：
1、解析控制器设计就是在已经被控对象数学模型的基础上，通过表达式推导计算的方法得到满足控制要求的控制器的解析表达式。

从理论上讲，解析设计是最优控制的结果，意味着能过得到更好的控制效果；就实践而言，解析设计意味着设计者可以不用推导直接使用设计结果，从而极大地简化了设计过程。

解析控制器设计的基础是已知相对准确的被控对象数学模型，但由于技术和经济等方面的原因，精确的数学模型难以得到。

因此，在进行控制器解析设计时，必须充分考虑控制器或控制方案的鲁棒性。

2、基于继电反馈辨识的自整定控制器的工作步骤如下：
（1）首先通过人工控制使系统进入稳定状态；
（2）按下整定按钮，使系统产生等幅振荡，并获取等幅振荡的幅值和频率；
（3）根据修正后的极限环信息和具体的控制器参数整定方法计算PID参数；
（4）PID参数调整完毕，软开关自动切换到正常位置，进入PID闭环控制状态。

二、自整定控制器设计方法与自适应控制器设计方法之间有什么联系与区别？（10分）
答：
1、自整定控制器设计，其中自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定的过程。

2、自适应控制器系统是一个具有适应能力的控制系统，能自动地调整控制器的参数，以补偿过程特性和环境条件的变化。

至少由三部分组成：（1）辨识被控过程或辨识环境的结构和参数的变化，并建立过程的数学模型，估计出过程参数。

（2）品质的评价。

具有一个衡量控制系统控制效果的性能指标，并能测量和计算该性能指标，以便判断控制系统是否已偏离最优状态。

（3）自动调整控制器的规律或参数，以保证控制系统在最优的状态下运行。

3、自适应控制应用较广的有三类：（1）自整定控制，或称简单自适应控制系统。

它对环境和过程参数的变化，用一些简单、实用的方法进行辨识，同时采用比较简单的方法修正控制器参数或控制规律。

（2）自校正控制器。

它采用在线辨识的手段，实时获得过程数学模型的参数，然后，按照控制指标自行校正控制算法。

（3）模型参考自适应控制。

它首先采用了一个参考模型来代表系统的理想特性，即具有预期的性能指标；然后，依据参考模型与实际过程输出之间的偏差，来调整控制器参数或控制算法，使实际系统的特性尽量与参考模型靠拢。

三、什么是大时滞过程？该过程难以控制的根本原因是什么？试列举几个行之有效的大时滞过程控制方
法或控制策略。

（15分） 答：
1、工业过程中通用的纯滞后模型为
1
Ls
K e Ts -+，过程纯滞后对控制品质的影响不是决定与τ的绝对值大小，而是与过程惯性时间常数T 之比（L ）有关，当0.3L T ≤时，称为一般时滞过程，过程比较容易控制，常规PID 控制就能收到良好的控制效果，当0.5L T >时，称为大时滞过程，需要采取特殊的高级控制方法。

2、时域角度分析大时滞过程难控制的原因。

设无时滞的开环系统1o S ：其传递函数()11
o K
G s Ts =+，其对应的时域相应为：()()()()
111o y t L G s R s -=；设有时滞的开环系统2o S 传递函数
()21
Ls
o K G s e Ts -=
+，其对应的时域响应：()()()()()1221o y t L G s R s y t L -==-，则有时滞与无时滞的开环系统响应只相差响应滞后时间。

但是当取他们各自的输出构成反馈系统时，无时滞的开环系统1o S 构成的闭环系统1S 可以根据输出()1y t 与设定值()r t 的偏差来进行控制，使得输出值很快跟踪设定值()r t ；有时滞的开环系统2o S 构成的闭环系统2S ，由于在1t 时刻的()1r t ，只有等到
1t L +时刻才能反馈到输入端相减，在
0.5L T >时，与设定值()r t 相减的输出值可能
是经过一段时间滞后的以前的响应，这样就很有可能导致混乱，而发生振荡现象。

3、频域角度分析大时滞过程难控制的原因。

如图所示，选取开环传递函数为
0.51
Ls c
K e s -+
，
1
0o -180o 不同时滞下，系统临界稳定的Bode 图
在1L =，0.1L =，0.01L =三种情况下临界稳定下的Bode 图可见纯滞后的增加，引起了相位滞后的增大，从而使的相位穿越频率降低，另外可见系统临界稳定的增益值降低。

即随着纯滞后的引入，将出现两个不良后果：（1）相位穿越频率降低：这意味着进入系统的即便是低频周期性扰动，闭环响应也将更为灵敏。

（2）系统临界稳定增益降低：这就表示为了保证闭环响应的稳定，必须降低控制器的增益，导致过程响应的缓慢。

4、大时滞过程控制常用的而且行之有效的控制方法为：Dahlin 算法，Smith 预估器，内模控制器（IMC ），解析预估控制算法（APC ），观察补偿控制，预测控制（包括模型算法控制（MAC ），动态矩阵控制（DMC ），广义预测控制（GPC ）等）等。

四、画出IMC 的基本结构框图，详细解释该控制器的主要性质（或优点）。

（10分）
答：
基本框图如图所示。

IMC 控制器有三个基本性质： 由IMC 结构框图的可以导出：
()()()()()()()
()()()()()()
111I P P I P P I P I P G z G z Y z R z G z G z G z G z G z d z G z G z G z ∧
∧
∧
=
⎛⎫
+- ⎪
⎝⎭
-+
⎛⎫
+- ⎪
⎝⎭
性质1：理想控制器（Perfect Controller ）
当模型精确时，即()()P P G z G z ∧
=，为了使()()Y z R z =，可导出()()
1I P G z G z ∧
=
，对于外部扰
动，()0R z =，要求()0Y z =亦可导得()()
1I P G z G z ∧
=。

故称这种内部模型控制器为理想控制器。

如果对象包括非最小相位部分，按式()()()P P P G z G z G z ∧
∧
∧
-+=分解得到系统的最小相位部分
()P G z ∧-，其非最小相位部分为()P G z ∧
+。

若取()()
1I P G z G z ∧
-=
，则控制系统对镇定或跟踪控制都具有
最小输出方差。

性质2：对偶稳定性（Dual Stability ）
其特征方程为：()()()10P I P G z G z G z ∧
⎛⎫
+-= ⎪⎝⎭
；方程两边同除以()()I P G z G z 得到：
内模控制器的基本结构框图
()
z ()
d z (R z
()()()()()()
1
10P I I P I P G z G z G z G z G z G z ∧
+-=。

如果对象模型是精确的，即模型与对象匹配时，有
()()P P G z G z ∧
=，则上式化简为：
()()
1
0I P G z G z =。

由上式可知：内模控制系统特征的特征方程的根由两部分组成：
()
1
0I G z =的根和
()
10P G z =的根。

因此在对象模型精确的条件下，当控制器()I G z 和对象()P G z 都稳定时，内模控制系统一定稳定。

对于开环稳定的对象，只要控制器稳定且模型准确，就可保证闭环稳定：即使控制器是非线性的，只要输入输出稳定，也能使闭环系统稳定。

对于开环不稳定对象，可先设计一个反馈控制系统使其稳定，然后再采用内模控制。

性质3：无静差（Zero Offset ）
根据终值定理，在设定值作单位阶跃函数变化时()1
1
1R z z -=
-，可得到输出的稳态值为：
()()
()()()()()()()()()()1
1lim 1
lim
11lim 1t z P I P I z P I P y y t z Y z z
G z G z R z G z G z d z z z G z G z G z →∞
→∧
∧→∞=-=⎛⎫
+- ⎪-⎝⎭=⎛⎫
+- ⎪
⎝⎭
在()()P P G z G z ∧
=，()()
1I P G z G z ∧
=
两个条件下，可以导出：
()()1111
lim
11lim 11
z z z y R z z z z z →-→-∞=⨯-=⨯-=。

这表明满足上述条件，内部模型控制不存在稳态偏差。

五、试述前馈控制和推理控制的适用场合，画出推理控制的结构框图，阐述推理控制器的一般设计过程。

（15分） 答：
1、前馈控制是一种利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制。

由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。

如
果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。

这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。

这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。

故可知：前馈控制适用于扰动是可以测量的场合。

2、而推断控制应用于扰动变量无法直接测量的场合。

3、同样单纯的推理控制系统也是开环控制系统。

因此，要完全对不可直接测量的扰动和不可直接测量的主输出变量的影响进行补偿以实现无余差控制，必须精确知道过程模型和扰动模型。

然而，这在实际工业过程控制中是十分困难的。

为了克服模型误差及其他扰动所导致的过程主要输出的稳态误差，在可能的条件下，推理控制常与反馈控制系统结合起来，以构成推断反馈控制。

推断反馈控制器的一般设计过程是：
（1） 选择辅助测量变量()Z s ，最常用的是可测辅助变量是温度和压力。

（2） 过程传递函数的()P G s ∧
，()PS G s ∧
，()A s ∧
，()B s ∧。

推断反馈控制系统的成败在于是否有可靠的不可测输出估计器，而这又决定于对过程的了解程度，也即过程传递函数的精确程度。

（3） 设计推断控制器估计出不可测量输出量()()
()
()()()
()()()P PS B s B s Y s Z s G s G s U s A s A s ∧
∧
∧∧
⎡⎤=+-⎢⎥⎣⎦ （4） 以此推断出来的()Y s ∧
反馈和设定值构成反馈，设计控制器。

六、软测量与推理控制的联系是什么？试述软测量技术实施的一般步骤，列举每一步中可采用的主要方
)
s )
s R )
推理控制结构图
法。

（15分）
答：
1、软测量的基本思想是根据某种最优准则，选择一组容易测量又与过程主要变量有密切关系的过程辅助变量（辅助变量），通过构造某种数学模型，并通过软件计算实现对不易测量的过程主要输出变量的在线估计。

2、推理控制是利用过程中可直接测量的变量，如温度、压力和流量等作为辅助变量，来推断不可直接测量的扰动对过程输出入产品成分等的影响，然后基于这些推断估计量来确定控制输入u，以消除不可直接测量的扰动对过程主要输出即被控变量的影响，改善控制品质。

3、由上面对两者概念的叙述，容易知道软测量技术作为推理控制器的一部分而存在。

推理控制器由两部分组成，其中一部分就是由软测量构成的对主要输出变量估计的估计器；另一部分是根据估计器输出得到的控制器。

事实上，由于推理控制器往往是针对具体的对象设计的，所以估计器和控制器往往是一体的。

这也就是所谓的推理控制器。

4、软测量技术实施的一般步骤如下：
（1）辅助变量的初选。

根据工艺的机理分析，在可测变量集合中，初步选择所有被估计变量有关的原始辅助变量，这些变量中部分可能是相关变量。

（2）现场数据的采集与处理。

采集被估计变量和原始辅助变量的历史数据，数据数量越多越好。

现场数据必须经过显著误差检测和数据协调，保证数据的准确性。

由于软测量一般为静态估计，要采集装置平稳进行时的采集，并注意纯滞后的影响。

过程数据处理可以分为两类：一对过程数据的标准化；二对过程数据校正。

原始数据采集后必须进行标准化：一是进行数据格式的标准化，统一数据格式；二是分布特性的标准化，使同一变量对应的数据满足标准正态分布，亦即使其其为均值为零，方差为1；三是数据的归一化，以防止计算过程出现病态数据。

一般有两种方法：一种是把数据通过线性变换变换到[0,1]之间；另一种是通过线性变换把数据变换到[-1,1]之间。

数据校正是显著误差和数据协调的统称。

数据校正可以是稳态数据校正，有两种校正方法：一是基于Lagrange的数据校正方法，二是基于统计的显著误差侦破方法；亦可以是基于过程模型的动态数据校正，一般的方法是Kalman滤波方法。

（3）辅助变量的精选，即输入数据降维。

通过机理分析，可以在原始辅助变量中，找出相关的变量，选择响应灵敏，测量精度高的变量为最终的辅助变量。

进行辅助变量选择的方法有奇异值分解法、主元分析法、Karhunen-Loeve方法和相关分析等。

更为有效的方法是主元分析法，即利用现场的历史数据作统计分析计算，将原始辅助变量与被测变量的关联序排序，实现变量精选。

（4）软测量模型的结构选择。

根据工艺特点选择模型的类型：线性、非线性和混和型等。

对于非线性系统，若历史数据反映出系统工作在多个典型的稳态工作点，是选用单个复杂非线性模型，还是建立
多个典型的线性模型，需通过分析比较，进行选择。

（5）软测量模型的在线校正。

在软仪表的使用过程中，随着生产条件、对象特性的变化，生产过程的工作点会发生一定程度的漂移，因此需要对软仪表进行校正以适应新的工况。

通常对软仪表的在线校正仅校正模型的参数。

具体的方法有自适应（Ming et al, 1991）、增量法（罗荣富等，1992）和多时标法（Lenartson, 1988）。

七、画出预测控制的结构框图，试述其基本特征。

（10分） 答：
1、预测控制就是以某种模型为基础，利用过去的输入输出数据来预测未来某时段内的输出，
再通过具有控制约束和预测误差的二次目标函数的极小化，得到当前和未来几个采样周期的最优控制规律。

在下一采样周期，利用最新数据，重复这一优化计算过程。

2、预测控制有三个基本特征：
（1）预测模型。

预测控制需要一个描述系统动态行为的模型称为预测模型。

它应具有预测功能，即能够根据系统的现时刻和未来时刻的控制输入及其过程的历史信息，预测过程输出的未来值。

（2）反馈校正。

预测控制中，通过输出的测量值与模型的预估计值进行比较，得到模型的预测误差，再利用模型预测误差来校正模型的预测值，从而得到更为准确的将来输出的预测值。

（3）滚动优化。

通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用。

八、试解释鲁棒稳定性与鲁棒性能的联系与区别。

（10分） 答：
1、鲁棒稳定性（Robust stability ）：一个具体的控制器()C s ，如果对一个模型族中的每个对象都能保证反馈系统内稳定，那么就称其为鲁棒稳定的。

2、鲁棒性能（Robust performance ）：一个具体的闭环控制系统，当一定范围的参数不确定性及一定程度的未建模动态存在时，若其仍能保持内稳定并保证一定的动态性能品质，则称为系统具有鲁棒性能。

预测控制的结构图
)
y k i +
3、简单地说，鲁棒性能的要求比鲁棒稳定性高。

鲁棒性能包括：信号跟踪、干扰抑制、响应性和最优性等动态性能，其中稳定性仅仅是其前提条件。

通常控制系统在不稳定前其性能已经显著下降，因此鲁棒控制的最终目的是使系统满足所要求的鲁棒性能。

注释：满分100分，考试时间180分钟。