2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)過程智能控制技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.在化學(xué)過程控制中，智能控制主要解決傳統(tǒng)控制方法難以處理的（）問題。A.線性時不變B.強(qiáng)耦合C.小信號擾動D.頻繁啟停2.PID控制器中，積分（I）項的主要作用是（）。A.快速響應(yīng)B.提高系統(tǒng)阻尼C.消除穩(wěn)態(tài)誤差D.改善系統(tǒng)相位裕度3.模糊控制器的核心部分不包括（）。A.模糊化B.規(guī)則庫C.解模糊化D.狀態(tài)觀測器4.利用歷史數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立過程模型的技術(shù)稱為（）。A.機(jī)理建模B.半機(jī)理建模C.數(shù)據(jù)驅(qū)動建模D.系統(tǒng)辨識5.在過程辨識中，估計模型參數(shù)常用的方法不包括（）。A.最小二乘法B.最大似然估計C.預(yù)測控制算法D.奇異值分解6.化學(xué)反應(yīng)器智能控制中，前饋控制主要用來補(bǔ)償（）。A.模型不確定性B.測量噪聲C.被控變量的非線性D.外部干擾7.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通常適用于具有（）特點(diǎn)的復(fù)雜過程控制。A.線性B.魯棒性強(qiáng)C.強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、時變D.純滯后8.化學(xué)過程故障診斷中，利用專家知識庫進(jìn)行故障推理的方法屬于（）。A.基于模型的方法B.基于信號處理的方法C.基于數(shù)據(jù)挖掘的方法D.基于模糊邏輯的方法9.提高智能控制系統(tǒng)魯棒性的重要途徑是（）。A.增加控制回路B.采用更復(fù)雜的控制算法C.加強(qiáng)對模型不確定性和環(huán)境變化的適應(yīng)性D.提高傳感器精度10.將智能控制技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合，以實現(xiàn)過程操作目標(biāo)的優(yōu)化，稱為（）。A.智能監(jiān)控B.智能優(yōu)化控制C.智能故障診斷D.智能辨識二、填空題（每空1分，共10分。請將正確答案填在橫線上。）1.智能控制系統(tǒng)通常由傳感器、執(zhí)行器、______、知識庫、模型庫和數(shù)據(jù)庫等組成。2.在模糊控制器中，將精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的過程稱為______。3.用于描述模糊集合隸屬程度的函數(shù)稱為______。4.過程建模的目的是為了______和預(yù)測過程行為。5.系統(tǒng)辨識的實質(zhì)是根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)來______或修正過程模型。6.模糊控制器的核心是包含一系列“IF-THEN”規(guī)則的______。7.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力的核心在于其______結(jié)構(gòu)。8.化學(xué)過程智能控制的目標(biāo)是實現(xiàn)過程的______、______和效率優(yōu)化。9.故障診斷的目的是快速準(zhǔn)確地______故障類型并定位故障源。10.預(yù)測控制是一種基于模型的______控制策略，具有在線優(yōu)化和滾動時域的特點(diǎn)。三、名詞解釋（每題2.5分，共10分。請用簡明扼要的語言解釋下列名詞。）1.智能控制2.過程建模3.系統(tǒng)辨識4.模糊邏輯四、簡答題（每題8分，共24分。請簡要回答下列問題。）1.簡述模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器的主要區(qū)別。2.為什么說數(shù)據(jù)驅(qū)動建模在處理復(fù)雜化學(xué)過程中具有重要意義？3.比較前饋控制與反饋控制在化學(xué)過程控制中的應(yīng)用特點(diǎn)和局限性。五、計算題/應(yīng)用題（每題25分，共50分。請根據(jù)題目要求完成下列任務(wù)。）1.某化學(xué)反應(yīng)過程的被控變量y（反應(yīng)速率）是一個具有顯著非線性特征的量，受到主要擾動u1（反應(yīng)物濃度）和干擾u2（溫度）的共同影響。假設(shè)已通過實驗獲得部分?jǐn)?shù)據(jù)，并初步建立了該過程的近似機(jī)理模型，但模型存在一定誤差?，F(xiàn)要求：a.簡要說明在此情況下，采用模糊控制器進(jìn)行過程控制的優(yōu)勢。b.假設(shè)設(shè)計了如下模糊控制規(guī)則（部分示例）：IF(Δy是負(fù)大)AND(Δu1是正小)THEN(Δu是負(fù)中)IF(Δy是正小)AND(Δu2是負(fù)大)THEN(Δu是正中)（其中Δy和Δu分別是當(dāng)前誤差和控制量變化量，Δu1和Δu2是主要擾動和干擾的變化量）。請解釋該規(guī)則的含義。c.闡述該模糊控制系統(tǒng)在實際運(yùn)行中，如何處理模型誤差和外部擾動的影響。2.考慮一個精餾塔的提餾段溫度控制問題。假設(shè)通過辨識得到該過程的傳遞函數(shù)模型為G(s)=2/(s+1)*exp(-2s)，其中塔頂產(chǎn)品質(zhì)量由提餾段溫度T1衡量。現(xiàn)采用基于模型的預(yù)測控制（MPC）策略進(jìn)行控制。a.簡述MPC控制的基本思想。b.闡述在MPC控制器設(shè)計中，選擇控制目標(biāo)、預(yù)測時域、控制時域和約束條件時需要考慮的因素。c.假設(shè)設(shè)定點(diǎn)為T1s=100℃，當(dāng)前溫度T1(k)=98℃，預(yù)測時域Np=5，控制時域Nh=2。請簡述如何利用該模型和當(dāng)前信息計算MPC的最優(yōu)控制輸入（例如，第一時刻的控制閥開度變化量）。（無需進(jìn)行具體計算，只需說明計算步驟和涉及的數(shù)學(xué)工具或概念）。試卷答案一、單項選擇題1.B2.C3.D4.C5.C6.D7.C8.A9.C10.B二、填空題1.控制器2.模糊化3.隸屬度函數(shù)4.描述過程動態(tài)5.建立或估計6.規(guī)則庫7.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)8.安全、穩(wěn)定、高效9.識別10.模型三、名詞解釋1.智能控制：模仿人類智能（如學(xué)習(xí)、推理、適應(yīng)、感知）實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制，能夠處理不確定性、非線性和模型未知或時變等問題的一種控制策略。2.過程建模：根據(jù)過程的物理化學(xué)原理或利用實驗數(shù)據(jù)，建立能夠描述過程輸入輸出關(guān)系或內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型或概念模型的過程。3.系統(tǒng)辨識：利用系統(tǒng)的輸入輸出測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建與實際系統(tǒng)特性盡可能接近的模型，從而認(rèn)識或估計系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的過程。4.模糊邏輯：一種處理不確定性和模糊信息的計算理論，它用模糊集合和隸屬度函數(shù)來表示模糊概念，并通過模糊推理進(jìn)行決策。四、簡答題1.答：模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器的主要區(qū)別在于：①PID控制基于精確的數(shù)學(xué)模型和確定性算法，而模糊控制基于模糊邏輯和規(guī)則庫，不要求精確模型，能處理模糊信息和不確定性；②PID控制是線性控制器，而模糊控制本質(zhì)上是非線性控制器，能更好地適應(yīng)過程的非線性特性；③PID控制規(guī)則固定，而模糊控制規(guī)則可以根據(jù)經(jīng)驗和知識靈活設(shè)定和修改。2.答：數(shù)據(jù)驅(qū)動建模在處理復(fù)雜化學(xué)過程中具有重要意義，因為：①許多復(fù)雜化學(xué)過程難以建立精確的機(jī)理模型，或機(jī)理模型過于復(fù)雜；②數(shù)據(jù)驅(qū)動建模直接利用過程產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)理模型難以體現(xiàn)的內(nèi)在規(guī)律和復(fù)雜關(guān)系；③對于具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、時變或強(qiáng)噪聲干擾的過程，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)）通常能提供更好的控制性能；④數(shù)據(jù)驅(qū)動方法易于實現(xiàn)和在線更新，適應(yīng)過程變化。3.答：前饋控制主要用于補(bǔ)償確定性或可預(yù)測的擾動，其特點(diǎn)在于：①控制作用與擾動直接相關(guān)，當(dāng)擾動發(fā)生時能迅速產(chǎn)生補(bǔ)償控制量，理論上可以完全補(bǔ)償可測量的擾動；②不依賴于被控變量的反饋，因此不影響系統(tǒng)的固有穩(wěn)定性；局限性在于：①只能補(bǔ)償可測量的擾動，對未測量或不可測擾動無效；②要求擾動與被控變量間存在確定的、可測量的傳遞關(guān)系；③設(shè)計前饋補(bǔ)償器需要精確的擾動模型。反饋控制主要用于克服過程模型誤差、未建模動態(tài)和測量噪聲等不確定性因素，其特點(diǎn)在于：①控制作用基于被控變量的當(dāng)前偏差，具有檢測和糾正誤差的能力；②結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛；局限性在于：①存在控制滯后，對快速變化的擾動響應(yīng)慢；②對未建模動態(tài)可能產(chǎn)生過校正；③當(dāng)系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確時，可能引起系統(tǒng)振蕩甚至不穩(wěn)定。五、計算題/應(yīng)用題1.a.答：采用模糊控制器進(jìn)行過程控制的優(yōu)勢在于：①能夠處理過程的非線性、時變特性，適應(yīng)性強(qiáng)；②不需要精確的數(shù)學(xué)模型，適合機(jī)理模型難以建立或精度不高的情況；③可以利用操作人員的經(jīng)驗知識和專家規(guī)則，將經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為控制策略；④對于具有顯著模糊特征（如“快”、“慢”、“大”、“小”）的過程變量，模糊控制能更自然地描述和決策。b.答：該規(guī)則的含義是：如果被控變量（反應(yīng)速率）的當(dāng)前變化量Δy是負(fù)大（即反應(yīng)速率下降很快），并且主要擾動（反應(yīng)物濃度）的變化量Δu1是正?。捶磻?yīng)物濃度略微上升），那么控制器應(yīng)輸出一個負(fù)中（即略微關(guān)小控制閥或降低反應(yīng)物進(jìn)料）的控制量變化Δu，目的是抑制反應(yīng)速率的快速下降。c.答：該模糊控制系統(tǒng)處理模型誤差和外部擾動的影響方式通常為：①對于模型誤差，由于模糊控制本身不依賴精確模型，對模型的不確定性具有較好的魯棒性；②對于外部擾動，模糊控制器可以通過在線調(diào)整模糊化參數(shù)、隸屬度函數(shù)或控制規(guī)則，或者引入基于擾動估計的補(bǔ)償機(jī)制，來適應(yīng)擾動變化并維持被控變量的穩(wěn)定。同時，系統(tǒng)的反饋部分（如果存在）也能對擾動產(chǎn)生影響。2.a.答：MPC控制的基本思想是：①在每個控制周期，基于系統(tǒng)的模型和當(dāng)前測量狀態(tài)，預(yù)測未來一段時間內(nèi)（預(yù)測時域）被控變量的行為；②在預(yù)測的基礎(chǔ)上，尋找一個控制序列，使得被控變量在末端盡可能接近目標(biāo)值（設(shè)定點(diǎn)），同時滿足各種運(yùn)行約束（如操作限制、安全限制）；③將這個控制序列的第一個控制量實施到實際過程中，并在下一個周期重復(fù)此過程。MPC通過在線優(yōu)化解決控制問題。b.答：MPC控制器設(shè)計中選擇控制目標(biāo)時需考慮主要控制指標(biāo)（如穩(wěn)定性、快速性、超調(diào)）和優(yōu)化目標(biāo)（如能耗最小、分離效率最高）；選擇預(yù)測時域Np需平衡預(yù)測精度和控制響應(yīng)速度，過長會計算量大且預(yù)測不準(zhǔn)，過短則精度低；選擇控制時域Nh需確?？刂苿幼鞯钠交院涂尚行?；設(shè)置約束條件時需考慮實際設(shè)備的物理限制（如閥門開度、溫度、壓力范圍）、安全限制（如避免進(jìn)入危險操作區(qū)域）和操作平穩(wěn)性要求（如變化率限制）。c.答：計算MPC最優(yōu)控制輸入的步驟和涉及的數(shù)學(xué)工具或概念通常為：①利用給定的過程模型G(s)和當(dāng)前狀態(tài)，通過求解離散時間最優(yōu)控制問題（通常轉(zhuǎn)化為線性二次調(diào)節(jié)器LQR或二次規(guī)劃QP問題）來獲得最