先进控制技术及其应用

随着工业生产过程控制系统日趋复杂化和大型化，以及对生产过程的产品质量、生产效率、安全性等的控制要求越来越严格，常规的PID控制已经很难解决这些具有多变量、强非线性、高耦合性、时变和大时滞等特性的复杂生产过程的控制问题^[]。

自上世纪50年代逐渐发展起来的先进控制技术解决了常规PID控制效果不佳或无法控制的复杂工业过程的控制问题。它的设计思想是以多变量预估为核心，采用过程模型预测未来时刻的输出，用实际对象输出与模型预测输出的差值来修正过程模型，从而把若干个控制变量控制在期望的工控点上，使系统达到最佳运行状态。目前先进控制技术不但在理论上不断创新，在实际生产中也取得了令人瞩目的成就。下面就软测量技术、内模控制和预测控制做简要阐述。

1.软测量技术

在生产过程中，为了确保生产装置安全、高效的运行，需要对与系统的稳定及产品质量密切相关的重要过程变量进行实时控制。然而在许多生产过程中，出于技术或经济上的原因，存在着很多无法通过传感器测量的变量，如石油产品中的组分、聚合反应中分子量和熔融指数、化学反应器反应物浓度以及结晶过程中晶体粒直径等。

在实际生产过程中，为了对这类变了进行实施监控，通常运用两种方法：

1).质量指标控制方法：对与质量变量相关的其他可测的变量进行控制，以达到间接控制质量的目的，但是控制精度很难保证。

2).直接测量法：利用在线分析仪表直接测量所需要的参数并对其进行控制。缺点是在线仪表价格昂贵，维护成本高，测量延迟大，从而使得调节品质不理想。

软测量的提出正是为了解决上述矛盾。

软测量技术的理论根源是20世纪70年代Brosilow提出的推断控制，其基本思想是采集过程中比较容易测量的辅助变量(也称二次变量)，通过构造推断器来估计并克服扰动和测量噪声对主导过程主导变量的影响。因此，推断估计器的设计是设计整个控制系统的关键。

软测量器的设计主要包括以下几个方面：

1)机理分析和辅助变量的选择。

首先是明确软测量的任务，确定主导变量。在此基础上深入了解和熟悉软测量对象及有关装置的工艺流程，通过分析确定辅助变量。

2)数据采集和预处理

采集被估计变量和原始辅助变量的历史数据包含了工业对象的大量相关信息，因此数据采集越多越好。但是为了保证软测量精度和数据的正确性以及可靠性，采集的数据必须进行处理，包括显著误差检测和数据协调，及时剔除无效的数据。

3)软测量建模

软测量模型是建立是软测量技术的核心。软测量建模的方法多种多样，一般可分为：机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学和现代非线性系统信息处理技术等。

此外还有混合模型，如图1所示的软测量模型就是结合了BP网络、RBF网络和部分最小二乘法建立的混合模型^[5]。

4)软测量模型的在线校正

由于软测量对象的时变性、非线性以及模型的不完整性会使得被控对象发生改变，如果软测量模型不作修正，测量精度会逐渐下降。在实际生产过程中，通常采用在线自校正和不定期更新的学习机制进行校正，以保证模型能跟踪过程的变化。

软测量器响应迅速，成本低，维护简单，精度高，目前已在过程控制与优化中得到了广泛应用，其理论体系也在不断完善。

2内模控制

内模控制（IMC）是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，其基本思想是将对象模型与实际对象相并联，控制器取模型的动态逆，对于单变量系统而言内模控制器取为模型最小相位部分的逆，并通过附加低通滤波器来增强系统的鲁棒性。

上世纪五十年代后期，出现的Smith的时滞预估补偿控制器以及Francis的基于内部模型的调节器都是早期的内模控制，由于逆模型的限制因此较难实现，所以这一时期的研究较为缓慢。在1982年美国学者C.E.Garcia和M.Morari提出来完整的内模控制，在此基础上，各国学者比较完整的分析了内模控制，为内模控制奠定了坚实了理论基础^[6]。90年代至今，随着神经网络、模糊控制以及非线性理论的发展，许多学者将内模控制与其他先进的控制方法结合、相互渗透，开拓了内模控制研究的新思路。

下面以磁悬浮小球的内模PID控制为例进行具体说明。

通过对磁悬浮球系统的分析可知，磁悬浮小球系统为本质非线性的不稳定系统，常规的PID控制作为一种简单有效的控制策略可以有效的实现对磁悬浮小球系统的控制，也取得了不错的控制效果，再此基础上引入内模控制。

由于磁悬浮系统为本质不稳定系统，首先引入反馈控制器对不稳定磁悬浮系统进行镇定，和q组成广义被控对象。继续按照二阶系统进行镇定，控制器选择PD控制器，取阻尼系数为，经计算，广义的被控对象为：

然后设计IMC_PID控制器。

首先取广义被控对象的逆，,这是一个二阶的环节，为了构造IMC_PID控制器，再次引入一阶滤波器：，式中的为滤波常数。

则内模控制器为：

然后按照标准反馈控制的控制器进行整理：   

可得

这就是最终的IMC_PID控制器, 控制器中仅有一个参数，大大简化了参数整的过程，系统的仿真结构图如图2所示，经过多次调试，取；仿真效果如图3所示。

实验结果证明，内模控制作为一种先进的控制策略，结合应用最为广泛的PID控制，可以实现对磁悬浮球系统的控制，并且设计简单、参数整定方便，相对于常规PID拥有更好的动态和稳态性能。

内模控制在工业领域的应用取得了瞩目的成就，近年来，形成了内模控制与其他先进控制策略相结合的发展方向，形成了综合的控制策略，来发挥各个控制的优势，取得了不错的效果，也是内模控制发展的方向。

3模型预测控制

模型预测控制是一种基于模型的先进控制策略，在上世纪80年代左右由J.Richalet和Culter首先提出，其基本原理是：预测过程未来行为的动态模型，在线反复进行优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈矫正。由于模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点，并且可以有效的克服过程的不确定性及非线性，可以有效的控制复杂的多变量的工业被控对象，因此他一出现就收到了国内外工控界的广泛重视，已在石油、化工、冶金、航空、汽车、机械等领域得到了广泛应用^[9]。

预测控制发展迅速，算法种类丰富多样，究其根本结构模式，大致可分为如下三类：

1)基于非参数模型的预测控制算法。这类算法利用测试被控对象的脉冲响应或阶跃响应即可得到预测模型，无需考虑模型的结构和阶次，可将过程的时滞环节包含在模型中，因此尤其适合表示动态响应不规则的对象特征，适合处理开环不稳定多变量过程约束问题的控制。

2)与经典自适应控制相结合的一类长程预测控制算法。这类算法融合了自校正控制和预测控制的优点，以长时段多不优化取代了经典最小方差控制中的一步预测优化，从而适用于时滞和非最小相位系统，具有良好的鲁棒性。代表的算法有广义预测控制（GPC）、受控自回归积分滑动平均模型预测控制（CARIMA）等。

3)基于结构设计不同的另一类预测控制算法。这类算法由LQ或LQG发展而来，代表的有推理控制（IC）、滚动时域控制（RHC）等。

各种算法虽然在模型、控制以及性能方面各有差异，其核心都是基于滚动时域原理，算法中均包含了预测模型、滚动优化和反馈矫正三个基本原理。

近年来，随着对预测控制的深入研究，研究人员在对预测控制深入研究的同时，摒弃了对单一控制算法的研究，开始将预测控制与自适应控制、极点配置、鲁棒控制、解耦控制和非线性控制等算法相结合，诞生了一批先进预测控制策略。与此同时，随着智能控制理论的发展，智能预测控制也是预测控制发展的新方向，如模糊预测控制、神经网络预测控制、遗传算法预测控制等都取得了丰硕的研究成果。将各种先进控制策略互相融合，优势互补，共同来解决复杂非线性控制系统已成为当前控制领域研究的热点，在理论和实际应用中都有重要意义。

参 考 文 献

[1]          王树青等.先进控制技术及应用.北京：化学工业出版社，2001.

[2]          李国勇.过程控制系统[M].北京：电子工业出版社，2009:76～98.

[3]          薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京：清华大学出版社，2006:17～33，183～309

[4]          刘瑞兰.软测量技术若干问题的研究及工业应用.浙江大学博士学位论文，2004.

[5]          傅永峰.软测量建模方法研究及其工业应用.浙江大学博士学位论文，2007

[6]          赵曜.内模控制发展综述[J].信息与控制,2000,26(6):526～530.

[7]          周勇，陈庆伟，胡维扎.内模控制研究的新发展[J].控制理论与应用，2004,21(3):475～480.

[8]          戴文战，丁良，杨爱萍.内模控制研究进展[J].控制工程，2011,12(4):487～494.

[9]          胡耀华.广义预测控制综述[J].信息与控制.2000,29(3):248～256

[10]      张日东.非线性预测控制及应用研究.浙江大学博士学位论文,2007.

[11]      李果.磁悬浮小球系统内模控制方法的研究.太原科技大学硕士学位论文，2013

[12]      Garcai C.E., Morari M.A unifying review and some new results. Internalmodel control[J].1982,21:308～323.

[13]      Carcai C.E. Quadratic Programming solution of dynamic matrixcontrol[J].1986,46:73～87.

[14]      Richalet J. Model predictive heuristic control: application to industrial processed[J]. Automation ,1978,14(4):413～428.

[15]      Culter C.R., Model predictive control-theory and practice-a survey[J].Automatica,1989,25:335～348.

[16]      Richalet J. Industrial application of model based predictive control[J]. Automatica,1993,29:1251～1274.

第二篇：期末论文总结--留白

留白 开启学生智慧的钥匙

――阅读教学艺术初探

有这样一幅画：一只小船静立不动，一个渔翁正坐在船头悠然垂钓，其实，整幅画中没有一丝水，但却让人感受到烟波浩渺，满幅皆水的美妙景象。这就是中国画中的此时无声却有声的留白艺术。留点空白，予人以想象之余地，留点空白，让人感受着墨处的美妙。

留白是一种智慧，也是一种境界，现在已被广泛运用于文学、电影、戏剧、摄影、装饰、书法等领域之中。

我不由得想起我们的语文阅读教学：我们总以为教学就是要达到一种满的效果，因此老师们唯恐课堂容量不大，唯恐学生在课堂中收获太小，总喜欢把整堂课安排得满满的，用琐碎的讲解代替了学生的阅读，用自己的理解代替了学生的感受，特别是对于那些基础较差的学生，更是要强调再强调，重复再重复。留给学生的是疲惫的身影，麻木的脑壳，课堂效果微乎其微。

我突发奇想：语文阅读教学也是一种开放性、多向性、艺术性很强的教学活动。为什么我们不可以在语文阅读教学中运用留白艺术呢？如果教师在教学过程中主动留白，让孩子们积极去思考，主动去求索，就一定能激发学生的求知欲，引起学生的联想和想象，让学生有所思考，有所探索，有所创造，学生的主体意识也会得以充分发挥，课堂教学效率也一定会大大提高。那么，如何在阅读教学中有意“留白”呢？我认为可以从以下几方面进行：

一、问题留白，让学生探索的热情燃起来

孔子曰：“不愤不启，不悱不发。” “愤”和“悱”，实际上是学生进入积极思维状态前的心理状态上的空白，此时，学生的注意力、思维、情感、意志等交织在一起，是智力发展的最佳时刻。教师要善于创设这样的空白情境，引导学生进入“愤”和“悱”的状态，点燃

学生探索的热情，激活学生的思维。

例如，教学《山中访友》时，我没有急于让学生读课文，而是让学生看题目，然后问：“通过题目你都想知道哪些问题？”“谁山中访友了？” “我为什么要到山中访友？”“我在山中访问了些什么朋友？” “我和这些山中朋友的感情怎么样？”……学生所提问题几乎涵盖了课文的所有内容。于是我“乘胜追击”，让学生带着这些问题读课文，看谁最快找到答案。这正是“留白”价值的体现：学生表面凝神屏息，而内心却如即将喷发的熔岩。所以不一会儿，就举起了一片小树林似的小手。

二、读书留白，让学生自我体验和感受。

《语文新课程标准》把朗读放到了极其重要的地位。的确，读的过程本身就是一种享受，学生随情入文，在“身临其境”中体验和感受，在情感和认知活动中获得了自然而真切的感悟，不仅加深了对课文的理解，也积累了语感。但是我们不要总习惯于给学生提出一个问题去读，然后又急于要学生回答，并过于强求统一的答案，而应该给学生留白，因为课文中本来就存在很多“只可意会不可言传”的情景、意境和情愫，一些文质兼美、引人入胜的美文和诗词，更是只有反复阅读、反复感悟体味才解其中滋味。《最后一头战象》一文故事感人，情感深厚。当学生诵读“它站在江滩的卵石上，久久凝望着清波荡漾的江面。然后，它踩着哗哗流淌的江水……发出震耳欲聋的吼叫。”时，我们就应该把时间充分让给学生，让他们在自读中展开想象的翅膀，他们就可能从“久久凝望”这个神态描写中联想到大象一定又看到了二十六年前惊天地、泣鬼神的战斗。从“震耳欲聋的吼叫”中感悟到嘎羧也许是在深情呼唤战友们的灵魂，也许又是在诉说对战友的深深怀念……答案不一而足，让学生在驰骋的思维中获得美的享受，得到情感的熏陶，感受到语言艺术的魅力。

三、知识留白，让学生自我发现自我构建。

一堂好的语文课不能用帮助学生解决多少问题来衡量，而应该看

它是否引出了有趣、有益的问题，是否能够激发学生读写的兴趣。关键的时候点到为止，给学生留有充分想像的余地和自主构建的空间，让学生能够自由发挥他们的想象力、思考力和创造力。在课堂上，把某些知识有意识地留下不讲，给学生暂时性的知识“空白”，这会使学生迫不及待地到广阔的知识海洋中去寻找、去发现。这种空白的设计并不是对于部分知识的舍弃，而是通过空白的设计去调动学生思维的主动性与积极性，通过自己的探索研究去获得空白处的内容，从而达到对知识的掌握。

例如在讲授说明文说明方法的知识时，我结合课文《只有一个地球》，只对其中列数字作了较详细的分析，其余的有意让学生自己去观察、发现和总结，结果学生很快就找到了举例子，打比方，作比较，引用等说明方法。通过这样的留白，学生必然会在自学中形成系统的认识。不仅形成了良好的认知结构，而且培养了探究能力。

四、拓展留白，让学生的视野更广阔。

我们在处理拓展阅读这一环节时，不必每节课都把这一环节纳入课堂，而可以在课堂中通过布置练习的方式“留白”，激发学生阅读期待心理，引导他们查找相关资料，培养动手实践、主动获取知识的习惯和能力。如第六单元“轻扣诗歌大门”，我们可以通过师生商讨设计这样一些课外拓展类练习：查找收集写春夏秋冬四季的诗歌，写边塞的诗，思乡的诗，爱国的诗，阅读写四季自然景物的诗歌并与课文进行比较阅读，等等。留白处让学生阅读积累，使他们的视野更宽更广。

再如《穷人》一课的教学，有许多联想想象的空间：西门死前发生了些什么事？她是怎样做的？桑娜收养了西门的两孩子后会发生些什么事情等等，如果仅仅在课内大而化之地说几句，我觉得是对课文“培养学生联想和想象能力”这一教材资源的淡化。在课内“留白”，在课外通过写作练笔加以强化，岂不是更充分的挖掘了教材资源？

五、作业留白，让学生自主选择显个性

传统的作业布置，教师往往要求学生在一定的时间内完成同一的内容，期望达到同一的目标，忽视了学生的个性特点。其实学生是有差异的，发展性教学理论认为“差异是一种资源”。在布置作业时，教师不妨和学生共同研究作业的形式和内容，并尊重学生的个性差异。布置一些自选作业，给学生留下自主学习的空间。这样做体现了教学从首先关注知识转向了首先关注人。学生就会将学习视为一种自主的、赏心悦目的、最具创造性的活动。

例如，教学《月光曲》一文后。我问学生：“学习了课文后你想做什么作业呢？”有学生说：“想抄写这篇课文的生字。”有学生说：“想默写第9自然段。”有的学生说：“想把贝多芬怎样创作成功月光曲的故事讲给家长听。”有的学生说：“想收集与贝多芬有关的故事。”还有学生说：“想把《月光曲》中月亮下的大海画出来。” ……于是我布置了必须共同完成的基本题后。还让学生自由选择讨论时提出的一两题作业认真完成。结果学生做作业的积极性大增。连一些有差异的学生也兴趣盎然、信心十足。

总之，语文教学是一门以学生为主体的“主体艺术”，语文课堂教学中的留白艺术正是这种“主体艺术”的具体显现。它是开启学生智慧的钥匙，对于调动学生学习的主观能动性具有举足轻重的作用。我们应充分利用它，让学生的综合素质在这种留白艺术的课堂教学中得到真正的提高。