2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化中的應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題8分，共32分）1.請(qǐng)簡(jiǎn)述自適應(yīng)控制與常規(guī)控制的主要區(qū)別，并說(shuō)明為何農(nóng)業(yè)環(huán)境系統(tǒng)通常需要采用自適應(yīng)控制策略。2.在農(nóng)業(yè)智能化系統(tǒng)中，傳感器扮演著關(guān)鍵角色。請(qǐng)列舉至少三種用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器類型，并簡(jiǎn)述其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)控制中的作用。3.請(qǐng)解釋模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（MRAC）的基本原理，包括其核心組成部分（誤差測(cè)量、適應(yīng)律設(shè)計(jì)）及其工作機(jī)制。4.針對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，描述一個(gè)自適應(yīng)控制方案可能需要考慮的關(guān)鍵因素，并簡(jiǎn)述如何利用自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)對(duì)土壤濕度測(cè)量的不確定性。二、論述題（每題12分，共24分）5.試論述將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境調(diào)控（如溫度和濕度控制）的優(yōu)勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)。請(qǐng)結(jié)合系統(tǒng)本身的特性進(jìn)行分析。6.假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一個(gè)用于番茄生長(zhǎng)階段自適應(yīng)變量施肥系統(tǒng)。請(qǐng)論述在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，你需要考慮哪些關(guān)鍵環(huán)節(jié)（包括模型建立、傳感器選擇、控制策略設(shè)計(jì)、性能評(píng)估等），并簡(jiǎn)述自適應(yīng)控制在其中的具體作用。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析題（共24分）7.考慮一個(gè)簡(jiǎn)化的單輸入單輸出農(nóng)業(yè)過(guò)程模型：`dx/dt=-ax+u`，其中`x`代表某個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)變量（如土壤濕度），`u`代表控制輸入（如灌溉流量），`a`是一個(gè)未知的正定常數(shù)，代表系統(tǒng)固有特性。假設(shè)該過(guò)程受到外部擾動(dòng)`w(t)`的影響。現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）的系統(tǒng)，使其能夠跟蹤一個(gè)期望的狀態(tài)軌跡`x_ref(t)`，并適應(yīng)參數(shù)`a`的變化以及外部擾動(dòng)`w(t)`的影響。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)：a.選擇一個(gè)合適的模型參考系統(tǒng)，并給出其方程。b.設(shè)計(jì)誤差信號(hào)`e(t)`。c.設(shè)計(jì)參數(shù)估計(jì)算法（適應(yīng)律），用于估計(jì)參數(shù)`a`的變化。d.簡(jiǎn)述該自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本工作原理，并說(shuō)明其如何實(shí)現(xiàn)參數(shù)適應(yīng)和擾動(dòng)抑制。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：自適應(yīng)控制與常規(guī)控制的主要區(qū)別在于，自適應(yīng)控制能夠在線地、根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整其控制參數(shù)或結(jié)構(gòu)，以保持系統(tǒng)性能；而常規(guī)控制是在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)模型確定固定的控制參數(shù)，不隨運(yùn)行狀態(tài)變化。農(nóng)業(yè)環(huán)境系統(tǒng)通常具有強(qiáng)非線性、時(shí)變性、不確定性（如天氣變化、作物生長(zhǎng)速率變化）等特點(diǎn)，使得精確的數(shù)學(xué)模型難以建立且難以保持有效，因此需要自適應(yīng)控制來(lái)應(yīng)對(duì)這些變化和不確定性，維持控制效果。2.答案：用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器類型包括：土壤濕度傳感器（測(cè)量土壤含水量，用于精準(zhǔn)灌溉決策）、光照傳感器（測(cè)量光照強(qiáng)度，用于作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和溫室補(bǔ)光控制）、溫濕度傳感器（測(cè)量空氣溫度和濕度，用于溫室環(huán)境調(diào)控）。這些傳感器為自適應(yīng)控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境狀態(tài)信息，是進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、模型參考和控制器調(diào)整的基礎(chǔ)，使得控制策略能夠根據(jù)實(shí)際環(huán)境變化而動(dòng)態(tài)優(yōu)化。3.答案：模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（MRAC）的基本原理是使一個(gè)可調(diào)整的輔助系統(tǒng)（模型系統(tǒng)）的輸出跟蹤一個(gè)期望的參考信號(hào)，同時(shí)保持模型系統(tǒng)與被控實(shí)際系統(tǒng)之間的誤差信號(hào)（或其導(dǎo)數(shù)）滿足一定的穩(wěn)定性和收斂性要求。其核心組成部分包括：一個(gè)期望輸出的參考信號(hào)`x_ref`；一個(gè)與被控對(duì)象結(jié)構(gòu)相似的、參數(shù)可調(diào)的模型系統(tǒng)`x_m(t)`；一個(gè)誤差測(cè)量部分，通常測(cè)量參考信號(hào)與模型輸出之差或其導(dǎo)數(shù)`e(t)=x_ref-x_m(t)`或`ze(t)`；以及一個(gè)適應(yīng)律，根據(jù)誤差信號(hào)`e(t)`或其導(dǎo)數(shù)來(lái)在線調(diào)整模型系統(tǒng)的參數(shù)，使誤差趨向于零或某個(gè)穩(wěn)定的小值。工作機(jī)制是：通過(guò)比較參考信號(hào)和模型輸出，計(jì)算出誤差；根據(jù)誤差和預(yù)設(shè)的適應(yīng)律，調(diào)整模型參數(shù)，使模型的行為越來(lái)越接近實(shí)際系統(tǒng)，從而間接使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)（包括被控對(duì)象和調(diào)整后的模型）的輸出跟蹤參考信號(hào)。4.答案：設(shè)計(jì)自適應(yīng)灌溉控制方案時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括：土壤濕度的空間變異性（不同區(qū)域可能需要不同灌溉量）、時(shí)間變異性（晝夜變化、天氣影響）、作物種類和生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求差異、灌溉水源的限制、能源消耗等。利用自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)對(duì)土壤濕度測(cè)量的不確定性，可以通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)灌溉控制器，使其根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的土壤濕度、天氣預(yù)報(bào)信息以及歷史數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉時(shí)間和灌溉量。例如，采用基于參數(shù)自適應(yīng)的控制器，可以根據(jù)估計(jì)的土壤水分消耗速率和下滲率的變化，在線調(diào)整灌溉策略，使得灌溉決策能夠更好地適應(yīng)未知的土壤濕度變化，避免過(guò)度或不足灌溉。二、論述題5.答案：自適應(yīng)控制應(yīng)用于溫室環(huán)境調(diào)控的優(yōu)勢(shì)在于：能夠有效應(yīng)對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境（溫度、濕度、光照等）的時(shí)變性、非線性和不確定性（如室外天氣突變、作物生長(zhǎng)放熱變化），通過(guò)在線調(diào)整控制策略（如通風(fēng)量、遮陽(yáng)網(wǎng)開度、加濕/除濕設(shè)備運(yùn)行），保持溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定在作物生長(zhǎng)的最佳區(qū)間，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，降低能源消耗。面臨的挑戰(zhàn)包括：溫室環(huán)境是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，溫度、濕度、CO2濃度、光照等相互影響，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器需要考慮這種耦合性，避免控制沖突；傳感器在惡劣環(huán)境下的精度和穩(wěn)定性可能受到影響，影響自適應(yīng)律的調(diào)整效果；自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)需要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性，尤其是在參數(shù)變化劇烈或存在較大擾動(dòng)時(shí)；系統(tǒng)建模的復(fù)雜性，精確描述溫室熱濕傳遞過(guò)程和作物生理響應(yīng)模型難度較大，可能影響自適應(yīng)控制的效果。6.答案：設(shè)計(jì)番茄生長(zhǎng)階段自適應(yīng)變量施肥系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及自適應(yīng)控制的作用如下：首先是系統(tǒng)分析與建模，分析番茄不同生長(zhǎng)階段對(duì)氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收規(guī)律和需求特點(diǎn)，研究土壤養(yǎng)分分布的不均勻性，建立能夠描述作物營(yíng)養(yǎng)狀況和土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型（可以是機(jī)理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型）。其次是傳感器選擇與布局，選擇合適的土壤養(yǎng)分傳感器（如pH、EC、氮磷鉀含量傳感器）和作物長(zhǎng)勢(shì)傳感器（如冠層光譜儀、高光譜成像），合理布置傳感器網(wǎng)絡(luò)以獲取準(zhǔn)確的空間分布信息。然后是自適應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基于這些傳感器信息的自適應(yīng)施肥控制器，例如，根據(jù)實(shí)時(shí)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和作物長(zhǎng)勢(shì)模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整施肥種類、數(shù)量和時(shí)機(jī)。自適應(yīng)控制的作用在于能夠根據(jù)作物的實(shí)際營(yíng)養(yǎng)需求和環(huán)境條件的變化（如土壤養(yǎng)分揮發(fā)、作物吸收效率變化），實(shí)時(shí)調(diào)整施肥方案，避免養(yǎng)分過(guò)剩或不足，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率，減少環(huán)境污染。最后是系統(tǒng)性能評(píng)估與優(yōu)化，通過(guò)仿真或?qū)嶋H試驗(yàn)評(píng)估自適應(yīng)施肥系統(tǒng)的控制效果（如作物產(chǎn)量、品質(zhì)提升，肥料利用率提高，環(huán)境改善），并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)模型和控制策略進(jìn)行優(yōu)化。自適應(yīng)控制在整個(gè)過(guò)程中貫穿于控制策略的制定與調(diào)整，使其能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)未知的、時(shí)變的作物營(yíng)養(yǎng)需求和環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)或次優(yōu)的施肥管理。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析題7.答案：a.選擇一個(gè)與被控對(duì)象具有相同結(jié)構(gòu)的模型參考系統(tǒng)，其狀態(tài)方程為：`dx_m/dt=-a_m(t)x_m(t)`，其中`a_m(t)`是模型參考系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)。b.設(shè)計(jì)誤差信號(hào)為：`e(t)=x_ref-x_m(t)`。c.為了使模型參數(shù)`a_m(t)`能夠跟蹤真實(shí)的參數(shù)`a`，可以設(shè)計(jì)如下的參數(shù)估計(jì)算法（適應(yīng)律）：`da_m/dt=-k_pe(t)x_m(t)`，其中`k_p`是一個(gè)正的調(diào)整增益。d.該自適應(yīng)控制系統(tǒng)的工作原理如下：期望軌跡`x_ref`提供了系統(tǒng)期望達(dá)到的狀態(tài)。模型參考系統(tǒng)`x_m`的參數(shù)`a_m(t)`通過(guò)適應(yīng)律不斷調(diào)整，使其行為越來(lái)越接近實(shí)際系統(tǒng)。誤差信號(hào)`e(t)`反映了實(shí)際系統(tǒng)與期望系統(tǒng)之間的差距。適應(yīng)律根據(jù)誤差`e(t)`和模型狀態(tài)`x_m(t)`的乘積來(lái)調(diào)整模型參數(shù)`a_m(t)`。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)偏離期望狀態(tài)時(shí)，誤差`e(t)`產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整信號(hào)，通過(guò)適應(yīng)律改變`a_m(t)`，進(jìn)而調(diào)整模型系統(tǒng)的行為。如果模型參數(shù)`a_m(t)`的變化趨勢(shì)與實(shí)際參數(shù)`