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線性系統理論總結范文1
關鍵詞：線性動態系統；教學改革；案例教學；直線二級倒立
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）31-0085-03
一、引言
線性動態系統理論與設計是電氣工程、控制科學與工程等學科的專業基礎課程，包括清華大學、浙江大學、斯坦福大學、麻省理工學院等國內外重點大學均開設了類似課程。該課程的研究對象是各種實際系統抽象出來的、形式上具有統一性的具有線性屬性的一類動態系統，借助線性代數和矩陣分析的方法，進行系統分析與控制器設計方法的訓練，培養學生對系統進行數學建模、分析與推理能力，使學生具備利用數學工具對控制系統進行理論描述、系統分析和控制器設計的綜合能力[1-3]。
該課程作為控制科學與工程、電氣工程等學科碩士研究生核心課程之一，以往教學過程主要注重基礎理論和基本方法的講授，作為分析工具的數學在教學過程中所占比例較大。隨著研究生教育規模的擴大，根據地方普通高校研究生的現狀，需要在講授基礎理論和基本方法的基礎上，突出相關理論、方法的工程應用背景[4]。
二、教學案例設計
根據線性動態系統理論與設計課程的特點及在學科中的基礎性，教學案例需要在教學過程中結合學生基礎知識及課程基本理論、方法進行選擇與設計。根據多年的教學實踐，本課程選擇典型的直線二級倒立擺作為教學案例。直線二級倒立擺作為典型的機電一體化抽象模型，是人形機器人等實際系統的物理模型。該系統是一個非線性自然不穩定系統，通過該系統可更直觀地展現動態系統的穩定性、能控性以及系統狀態的收斂速度等抽象概念[3]。由于該系統的典型性，已有大量文獻資料可供參考，便于在Matlab/Simulink仿真環境中分析、驗證，結合實驗室原有的物理實驗裝置，可對線性動態系統的分析、綜合進行實際實驗驗證[5]。
（一）直線二級倒立擺物理模型
直線倒立擺是在直線運動模塊上裝有擺體組件，直線運動模塊有一個自由度，小車可以沿導軌水平運動，從而保持倒立擺系統的平衡與穩定，系統組成如圖1所示。為簡化系統，在建模時忽略了空氣阻力和各種摩擦，并認為擺桿為剛體。
其中，M為小車質量，m1為擺桿1的質量，m2為擺桿2的質量，m3為質量塊的質量，l1為擺桿1中心到轉動中心的距離，l2為擺桿2中心到轉動中心的距離，θ1為擺桿1與豎直方向的夾角，θ2擺桿2與豎直方向的夾角，F為作用在系統上的外力。
三、案例化教學方式實踐
結合實例在建立系統狀態空間模型后，可基于該系統模型對系統的能控性、能觀測性等進行分析，在課程內容的運動分析、能控性、能觀測性以及穩定性分析相關的基本理論與方法時，結合該系統進行講解，使抽象的、數學化的理論方法具有明確的物理含義，便于學生理解與掌握相關原理、方法。
1.系統開環仿真。結合該案例，要求學生利用Matlab/Simulink仿真環境建立系統模型，并進行相關算例的編程計算、系統分析。系統的Matlab/Simulink模型如圖2所示。
其中“State-Space”模塊為直線兩級倒立擺的狀態方程，雙擊模塊可打開模型進行參數設定。
建立好系統仿真模型后，對系統進行開環仿真，仿真結果如圖3所示。從仿真結果可以看出，系統發散，為使系統穩定，需要對其添加控制器。
2.控制器設計與仿真。為使系統穩定，需要針對該系統設計閉環控制器，采取狀態反饋的形式進行控制器設計，控制率采用線性二次型最優控制（LQR）方法，仿真模型如圖4所示。根據LQR控制方法的原理，可計算出控制器狀態反饋矩陣的參數為K=[1 73.818 -83.941 2.0162 4.2791 -13.036]，仿真結果如圖5所示。
由圖5可見，系統雖然可以穩定，但系統穩定時間過長，根據LQR的基本原理，可知要增加系統響應速度，需增加權重Q的值。
設Q11=300，Q22=500，Q33=500，對應的LQR控制器參數為K=[17.321 110.87 -197.57 18.468 2.7061 -32.142]，仿真結果如圖6所示。
由圖6可以看出，系統可以很好的穩定，在給定倒立擺干擾后，系統在2.5秒內可以恢復到平衡點附近。通過對參數的重新設置，觀察仿真結果，進而加深對相應控制方法的理解和掌握。
3.實時實驗驗證。根據上述仿真結果，選取具有較好響應的控制器參數進行實時控制實驗，對比驗證控制方法在實際系統上的控制效果，由于實際系統存在干擾信號、檢測信號噪聲、機械摩擦等實際情況，一般而言，實物系統上的控制效果與仿真結果會有一定差異。
實物實驗驗證在實驗室的直線二級倒立擺平臺上進行，控制算法仍可基于Matlab/Simulink進行。實時控制系統如圖7所示。
四、結論
案例化教學方式的實施，除了教學案例的引入、課程教學組織的變化，學生的深度參與對于教學效果更為重要，在教學過程中要求學生在仿真環境中自行建立系統模型，對系統性質進行分析，在此基礎上，嘗試設計控制器，可覆蓋課程大部分內容，通過案例將各知識模塊和方法有機聯系在一起，使學生進一步明確課程內容對于實際系統的作用，一方面可提升學生學習的目的性、積極性，同時訓練了學生分析問題、解決問題的能力。
參考文獻：
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線性系統理論總結范文2
關鍵詞：電力穩定器；低頻振蕩；參數整定；勵磁系統
1 電力系統穩定器結構與特點
電力系統穩定器的通用框圖一般由隔直、放大、超前滯后、限制增益等環節組成，如圖1所示：
因滿足不同的需要與不同公司的產品，電力穩定器（PSS）的具體功能與構架均有所不同，美國IEEE電力生產委員會于1992年的《用于電力系統穩定研究的勵磁系統參考模型》中，推薦了兩種經典的電力系統穩定器模型：PSS1A型和PSS2A型，分別如圖2與圖3所示。
PSS1A型與PSS2A型分別為單輸入型與雙輸入型，前者的輸入信號VSI一般采用頻率、角速度或者頻率，其結構簡單明朗，便于電力穩定器參數的修改與設定，使用方便；后者的輸入信號一般采用頻率、角速度或功率、功率中的組合信號，引入的另外一個輸入信號（角速度或頻率），可以抑制單純由功率或頻率信號做為輸入而引起的無功反調現象，因此電路比較復雜。有研究證明：在大部分情況下，參數整定適當的PSS1A型可得到與PSS2A型穩定器相近的效果 。
在電力穩定器的實際投運中，不同特性、處于電網不同節點的機組應采用相應的PSS，PSS的實際投運經驗證明：汽輪發電機組采用以Pe為輸入信號的PSS1A型時，只要整定的參數合理，反調現象不明顯，不需要采用特殊的措施去抑制機組的反調；滯后特性較強的勵磁系統，一般采用PSS1A型穩定器，輸入信號適宜選擇Pe；滯后角較小的自并勵系統或高起始勵磁系統，可以采用PSS1A或PSS2A型電力穩穩定器，輸入信號可以采用Pe或Pe與f；水輪發電機組的有功調節速度較快，此時必須要考慮反調的影響，一般采用Pe與f相加作為輸入信號的PSS2A型穩定器，必要時需專門設計對抑制反調更為有效的控制電路。
2 低頻振蕩的定義及其產生的原理
在電力系統中，眾多發電機組在電網中并列運行，當電網中發生小擾動（比如電壓波動）時，發電機轉子之間會發生相對搖擺，若此時的電力系統缺乏必要的正阻尼，就會失去動態穩定[3]。構成電力系統的元件大多為非線元件，系統整體呈現非線性特性，動態失穩時發電機轉子之間會出現持續的搖擺振蕩，輸送的功率也會發生相應的振蕩，從而影響功率的輸送。由于這種持續振蕩的頻率很低，一般在0.2～2.5Hz之間，故稱為低頻振蕩。從電力系統中出現過的低頻振蕩來看，低頻振蕩較容易出現在負荷重、輸電距離遠的線路上，或者電網之間的的弱聯絡線上。隨著電力系統的規模不斷擴大，發電機組的勵磁系統普遍采用數字電路與晶閘管，勵磁系統的調節時間常數從幾秒減少到毫秒級，大大降低了電力系統的阻尼，甚至產生負阻尼，導致自發性的低頻振蕩。
電力系統低頻振蕩的產生原理，國內外有過眾多的研究與分析，總結起來主要有以下幾種：
（1）負阻尼機理；
（2）強制性共振機理；
（3）分叉理論；
（4）參數諧振；
（5）混沌現象。
上述五種振蕩機理可以劃分為三類：
1）電力系統的固有頻率與擾動信號或輸入信號存在某種內在的關系，從而引發了較大幅度的共振或諧振，當該頻率處于低頻區域時，即產生了低頻振蕩。
2）從線性系統來分析，當存在小擾動時，由于系統自動裝置的參與調節，改變了系統的特性，于是特征根的相限也變化，產生了附加的負阻尼，抵消了系統固有的正阻尼，于是振蕩不衰減甚至振蕩加劇。
3）電力系統采用了大量非線性原件，當擾動發生時，導致系統的參數也跟著變化，于是導致系統的穩定結構也發生變化，從而產生系統的振蕩。
受益于線性系統理論的成熟與完善，在所有的低頻振蕩原理中，負阻尼機理研究已經形成了一套比較完整的理論體系，并且在實際工程中得到了廣泛的應用。從理論上來考慮，非線性系統在特定的條件下（比如系統發生了小擾動時），可以看成是有外加的非線性影響的線性系統，于是不論是線性系統還是非線性系統，導致電力系統產生低頻振蕩的基本原因是負阻尼。在電網建設或者工程建設時，才主要考慮共振和諧振理論?；煦缋碚摃簳r還停留在理論上的研究。分叉理論目主要用于低階單變量系統。
3 PSS抑制低頻振蕩原理的分析
根據單機無窮大系統模型，又稱為Phillips-Heffron模型[1]，發電機勵磁系統是一個滯后特性單元，由發電機的磁場滯后角和勵磁系統的滯后角構成，通過K6閉環，系統傳遞函數為：。總滯后角+。勵磁控制系統框圖如下：
勵磁系統傳遞函數GES（s）是滯后特性的，當K5為負值時，電壓調節器會產生負阻尼，其產生的電磁轉矩ME在ω軸上投影為負；設定PSS的輸入信號為ω，PSS通過參數整定設置為超前相位補償，相位角 ，于是PSS在 軸上產生與 同相位的附加力矩，然后通過PSS參數的整定，使得該附加轉矩TPSS對應的正阻尼大于由電壓調節器對應的電磁轉矩Me所對應的負阻尼，從而使勵磁系統從整體上來講是提供正阻尼的，于是就可以有效的抑制低頻振蕩[2]。當機組負荷較高時，此時K5小于0，單機無窮大系統的電磁轉矩M位于第四象限，如此時勵磁系統能提供一個位于第一象限的附加電磁轉矩M，那么M與M的合成矢量和就可能位于第一象限，位于第一相限的的電磁轉矩會向系統提供正阻尼，起到抑制低頻振蕩的作用[3]。這個位于第一象限的附加電磁轉矩M可通過合理整定PSS的參數來獲得。為了簡明，只單獨考慮由PSS提供的附加電磁轉矩 M ，根據單機無窮大系統的框圖（以輸入ω信號為例，來推導出PSS的傳遞函數），ω信號經過傳遞函數GPSS（S）的PSS環節送到Uref疊加點處，附加信號ω所產生的電磁轉矩M的路徑如圖5所示。
上圖中高放大倍數快速勵磁系統的傳遞函數為Ge（s）=，其中KA為勵磁系統的增益；TA為勵磁系統的時間常數。G3（s）=當Uref=0時，附加勵磁轉矩為M=，將Ge（s）、G3（s）代入該式中，經過整理可以得到：
其中：-無阻尼自然振蕩頻率，=；=。設，則。
從上面可以看出，若GPSS（S）與d（s）相等，則該兩項抵消； M與ω不但成正比，而且M與ω軸向同相，于是就向系統提供了正的阻尼轉矩。在實際PSS參數整定中，不要求GPSS（s）與d（s）完全相等而抵消，只要滿足在低頻振蕩的頻率范圍內，兩者的超前相角與滯后相角基本上抵消，PSS提供的是正的而不是負的阻尼轉矩 ，所以PSS必定設置有超前環節，于是其傳遞函數為：GPSS（s）=，該式子通常作為PSS通用傳替函數，只是當輸入的信號不同時，組成PSS的具體環節稍微有所不同，以及為了防止PSS的輸出幅值過大造成的發電機過電壓危險，PSS還設置了限幅環節[5]，實際投運中的PSS，考慮到信號的失真、測量信號的處理難度，還設置有濾波單元、測量單元等。
4 電力穩定器參數整定在韶關發電廠低頻振蕩抑制中的應用
電力穩定器是勵磁系統的一部分，要合理整定PSS的參數，一般是采用時域和頻域相結合的方法來進行研究[6]，首先建立勵磁系統的模型與測得其各個環節的參數與頻譜特性，在此基礎上結合機組勵磁系統的增益與反調現象，對PSS的參數進行整定與校核[7]。在廣東電力科學研究院的幫助下，對韶關電廠10號發電機勵磁系統模型進行了參數測試，完成了勵磁調節器模型各個環節的頻譜特性測試、勵磁系統空載特性數據的測試、發電機空載階躍響應數據的測試，發電機負載調差極性和調差系數數據的測試，等等，通過仿真系統進行仿真，與實際試驗結果進行比對，驗證了勵磁控制系統的模型參數[8]，最終確立了韶關電廠10號發電機的勵磁系統模型參數，在此基礎之上，對10號機組勵磁系統PSS各環節參數進行了設計與優化，通過仿真試驗，確定了最終優化參數，并結合現場生產調試，將韶關電廠發電機組的PSS投入運行，使之滿足在整個低頻振蕩頻率段上均能提供良好的正阻尼，能夠有效地抑制與本機強相關的振蕩模式[9]，提高了粵北電力系統的動態穩定性。
韶關電廠10號發電機是東方電機廠生產的汽輪發電機組，額定功率為300MW，型號為QFSN-300-2-20，勵磁系統采用的是南瑞電控勵磁調節器，其PSS是PSS-2B模型，模型框圖如圖6所示：
根據現場試驗結果，將10號機組的PSS參數整定如下：Tw1=Tw2=Tw3=3s，T7=3s，T8=0s，T9=0.1s，M=5，N=1，T1=0.14s，T2=0.03s，T3=0.14s，T4=0.02s，T5=T6=0s，Ks1=6.09，Ks2=0.39，PSS輸出限幅：±5%。
投運PSS后機組的各項指標均滿足要求，對本機功率振蕩抑制效果顯著：未投入振蕩3-4次，投入后振蕩1次，幅值減小約一半，在0.2-2Hz內均能滿足相位補償的要求。按照優化后的參數將PSS投入實際運行，韶關電廠10號機組PSS投運前后的試驗錄波波形分別如圖7、圖8所示：
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線性系統理論總結范文3
關鍵詞：雙語教學；現代控制理論；英文教材；教學改革
中圖分類號：G642.0；TP273+.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0131-03
一、引言
現代控制理論課程作為電氣工程專業本科三年級學生的專業必修課程在我校已開展多年。這門課程是矩陣論和自動控制原理等課程的延續，因而內容豐富、理論性和工程性都很強；再者，由于控制學科的飛速發展，使得該課程具有信息量大，更新發展快等特點[1]。近年來，隨著國家科學技術的飛速發展，中國大學生與世界其他高校學生的交流越來越頻繁，為了適應國際大融合發展的需要，雙語教學在高等學府中受到了高度重視。2001年教育部提出，在有條件的高校，應該為本科教育中的公共課和專業課開展雙語教學，并不斷開展教學改革和研究性教學實踐，探索有效的教學方法和模式，以提高雙語教學的質量[2]。近年來，雙語教學尤其是對專業課開展雙語教學已經成為了各大高校教學研究的熱點[3]。多項教學改革的實踐證明，在電氣工程的專業課程中開展雙語教學的探索，有利于課堂教學形式的國際化以及講授內容的快速更新，顯著地提高大學本科生的專業英語的執行能力，同時也會讓學生感受到專業英語的重要性，將會提高我國高等院校尤其是揚州大學的電氣相關專業課程教學的水平。因此，如何開展現代控制理論課程的雙語教學，尤其是在雙語教學要求下，提高學生的學習積極主動性和靈活應用教學成果的能力，就顯得尤為重要?！皳P州大學電氣專業現代控制理論課程”教學團隊，根據近年來在該課程的雙語教學探索和實踐中遇到的一些問題，探索新的教學方法，特別注重培養電氣專業學生學習該課程的積極性，對該門課程雙語教學的可行性、要求和課程特點等進行了詳細的闡述，特別是根據電氣工程專業本科生的基礎知識結構和“現代控制理論”課程的理論性和工程性都很強等特點，在教學改革實踐中探討了一些行之有效的解決方法和措施。
二、課程特點及教學目標
現代控制技術是在經典控制理論中發展出來的一門學科?！艾F代控制理論”課程作為“自動控制原理”的后續課程，其作用是使學生在學習過自動控制原理和矩陣論等基礎課程之后，了解當今控制理論和應用領域的一個新階段，現代先進的控制方法原理及其應用?？紤]到學科的特點和學時的限制，本課程在講授過程中只涉及到線性控制理論中狀態空間模型的建立和解的分析、能控性/能觀性分析、系統穩定性分析、狀態觀測器和狀態反饋的實現等內容。
課程的目的是使學生通過本課程了解時域形式狀態空間模型的形式、狀態變量、狀態方程的求解以及解得特點，開展系統的定性分析――能控性/能觀性和系統穩定性分析，尤其是掌握運用李雅普諾夫穩定性分析方法進行線性、非線性系統的穩定系判斷。進而，能夠對目標性能要求下，開展系統控制器和觀測器的設計。
三、課程雙語教學的具體內容
在電氣工程專業本科生中開展“現代控制理論”課程雙語教學面臨諸多不利條件：（1）內容的多樣性和課時的有限性；（2）在有限的課時數的條件下，如何讓學生盡快地熟悉英文教材所闡述的內容；（3）如何讓學生準確地掌握控制領域相關專業術語的英文表達；（4）如何提高詞匯量和英語的表達能力，尤其是一些常用的專業詞匯的靈活運用，以提高學生專業英語的聽說讀，尤其是寫文獻等的綜合應用能力。
作者及其“揚州大學電氣專業現代控制理論課程”教學團隊圍繞“現代控制理論”課程教學的實踐情況，對該課程的雙語教學的施教做了如下幾方面的研究性教學探討。
1.外文原版教材的合理選擇。在采用雙語教學之前，“現代控制理論”課程采用的一直都是中文教材。考慮到該課程雙語教學的需要，高質量的英文原著教材是必需的。為了保證英文教材的內容與教學大綱保持一致，教學團隊對國外的不同的現代控制理論教材進行了大量的對比和調整。要盡可能使用與電氣專業相似用詞習慣的原版教材，這樣可以保證在有限的教學課時情況下，電氣工程專業的學生可以很熟練地掌握專業詞匯的用法。同時，這本教材需要在中國有一定的知名度，這樣團隊教師可以很快了解和熟悉英文教材的內容。最終作者團隊選擇了英文教材[4]為“現代控制理論”課程雙語教學的教材。
2.講授內容的合理調整。由于國外大學在專業設置、培養方案和模式、人才培養要求和教學方式放上，與我國大學存在較大差異，盡管作者團隊已經較合理選擇了教材，但是外文教材內容與我國電氣工程專業教學內容上存在一定的差異，這就導致教材相關知識點也存在一些遺漏和重疊。比如，中文教材對現代控制理論的發展進行闡述時，多是從控制起源，結合一些歷史人物和相關的事件，如北宋蘇頌等利用反饋原理制作的水運儀象臺，瓦特利用離心調速器發明的蒸汽機，勞斯-赫爾維茨提出的頻域形式的穩定性判據，以及李雅普諾夫提出的李雅普諾夫穩定性理論等概述性的知識進行介紹的。這樣可以讓學生充分了解現代控制技術發展的歷史脈絡，同時，結合一些有趣的歷史事件，對狀態變量、狀態空間和反饋等一些重要的概念有一個基本的認識。而該英文教材盡管也介紹了一些現代控制方法和控制系統的一些主要的定義或者定理，但是并不是按照這種歷史脈絡的角度，而是從數學的角度。作者團隊認為，為了讓電氣專業的學生更好地掌握這些相對枯燥的概念，則有必要弱化它的數學的含義，而凸顯它的控制部分。但是后續的關于系統能控性/能觀性和李雅普諾夫穩定性分析的主要內容介紹等基本上與作者團隊之前采用的教材一致。
另外，所選英文教材內容比較豐富，篇幅比較長，教材中有些內容需要應用的矩陣論知識比較多，難度比較高，如教材中介紹關于高階微分方程轉換成狀態方程部分，針對輸入部分有微分的情況，以及針對復雜非線性系統，如何通過李雅普諾夫穩定性原理判定系統的穩定性等問題，對于電氣專業學生而言，一般不容易完全掌握。櫬耍筆者教學團隊，參照課時情況，對該英文教材內容進行了適當的簡化，如簡化了線性系統的結構分解和零極點相消等部分內容。凸顯現代控制理論方法的核心思想――狀態空間法，以滿足課程大綱的要求。
3.n件制作和現代控制實驗開發。由于該本英文教材沒有相應的諸如PPT、程序和實驗平臺等教學用的輔助資源，作者的教學團隊在消化吸收英文教材后，并基于前期的研究性教學的成果[5]，開發了雙語教學多媒體課件。同時，在該雙語教學的課件，作者團隊還將團隊早期收集的一些參考資料中的精髓內容也以最合適的方式得到了呈現。
作者團隊在近五年的現代控制理論課程講授過程中發現，非常有必要開發現代控制實驗平臺，尤其是基于雙語教學要求下，這樣有助于學生掌握現代控制理論課程的內容。但是，在此這前揚州大學水利與能源工程學院電氣工程系，在該課程上，一直沒有相應配套的仿真和實驗驗證平臺。為此，作者團隊教師設計提供了倒立擺實驗平臺，為雙語教學的現代控制仿真提供了驗證平臺。學生在進行仿真和實驗驗證時，可以用上該課程多個核心內容和知識點：系統能控性/能觀性、穩定性分析和系統狀態反饋控制設計等。同時，倒立擺系統與雜技中的頂桿平衡等有異曲同工之處，極具趣味性，提高了學生學習的積極性。
同時，在撰寫實驗報告時，要求學生對照實驗中的實驗現象。采用多種途徑，比如圖書館查找資料、網上搜集材料等，進行相應的理論分析，并鼓勵學生將一些與教材的不同之處反映在報告中，以提高學生善于思考和勇于提出不同見解的能力。比如，在“李雅普諾夫穩定性分析實驗”中要求學生采用第一法和第二法分別對倒立擺系統進行穩定性驗證，尤其是穩定裕度的闡述，仔細對比兩種方法驗證的結果，總結二者之間的區別和聯系。在“狀態反饋控制器設計實驗”中要求學生結合仿真結果分析零極點對系統性能的影響，同時要求學生結合“自動控制原理”課程所學的PID方法進行對比實驗，總結現代控制理論方法的優勢所在。通過自主開發的實驗和仿真驗證平臺，不僅完成了雙語教學的課程內容，同時讓學生熟悉了如何利用計算機進行現代控制技術仿真實驗驗證和結果分析，熟悉了Matlab/Simulink這一科研工程中應用最廣泛的計算軟件，包括與現代控制課程密切相關的LMI，系統辨識等工具箱。
4.靈活多變的雙語教學方式的應用。針對雙語教學的特點，較之之前的“現代控制理論”課程，作者團隊采用更為靈活的教學方式。選擇一些經典的控制系統例子，課堂中采用邊教學邊實踐的形式。另外，還采取課堂教學與討論同時進行，尤其注重課外閱讀和小組討論相結合的方式，采用平時考核和集中考試同等重要等手段，逐步提高學生主動學習的積極性。例如，布置一項課外作業，也傳統的課外作業不一樣，采用開放的形式。翻譯一段作者團隊精心設計的內容，該部分內容涉及一個倒立擺系統如何保持平衡的問題，并模擬雜技表演的模式進行介紹，學生不僅完成了作業，了解倒立擺系統的穩定性問題，同時學生也增加了對現代控制理論的具體應用的興趣。
四、結束語
在雙語教學要求下，在學習中如何采用該理論的內容解決電氣工程相關課程的實際問題，一直是作者團隊在課程教學中討論的問題。盡管團隊至今已經為四屆學生開展了現代控制理論課程講授。結合電氣專業的特點，對于現代控制理論的教學安排，學生和各級督導都普遍反映較好。尤其是經過雙語教學的探索，學生逐漸達到了聽說讀寫等幾個方面的要求，比較好地掌握了現代控制理論中的線性系統理論的核心內容。大部分學生能夠很好地完成英文教材和老師布置的任務，通過仿真實驗以及撰寫報告和大作業等各種考核形式，達到了該雙語教學課程的教學目標。
本文提出的雙語教學的一系列舉措，通過選擇合適的教材，對相關教材的內容進行合理的調整，并把原本抽象且枯燥的知識點和定理通過形象生動地實驗講授給學生，調動了學生的學習積極性。如何在教學中不斷積累，逐步完善教學手段，更好地提升雙語教學教學改革的效果，將是作者團隊一個值得繼續努力的工作。
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線性系統理論總結范文4
【關鍵詞】：空調系統；負荷預測；運行階段；空調運行負荷；預測方法
引言
空調運行負荷預測是指在建筑運行階段，對未來時刻空調系統運行所需要的冷熱量進行短期預測。其目的是為空調系統優化控制服務，以預測的負荷分布為基礎，確定最優的運行工況或設定點，制定最佳的空調運行策略，保證空調房間的舒適性和空調系統運行的節能性。
1、運行階段與設計階段負荷預測的區別
1.1預測目的不同
設計階段的空調負荷預測是為了合理選擇空調系統方案。是否能準確預測建筑空調負荷，對空調系統的設備容量選擇、管路尺寸和系統投資都有很大的影響，同時關系到建筑物實際運行能耗和舒適性水平。運行階段的負荷預測是為了優化空調系統的控制策略。目前，大部分負荷預測是為了優化控制冰蓄冷系統，但是也有負荷預測是為了優化控制冷水機組、變風量空調系統。預測未來時刻空調系統的負荷，目的是根據負荷分布確定最優的運行工況、設定點，制定合理的空調運行策略，以室內舒適度為前提條件，保證空調系統的經濟運行。
1.2預測對象不同
在設計階段，空調負荷預測是對傳統理論的空調負荷進行預測，即“設計負荷”。通常預測所取的室外氣象條件為典型氣象年，空調系統為了維持空調房間的溫濕度，需要從空調房間帶走的冷熱量。在運行階段，空調負荷預測與理論計算負荷不同，而是系統提供給用戶末端的供冷量，這里我們稱為“空調運行負荷”。比如為了優化冰蓄冷系統運行時，預測對象是“制冷系統運行負荷”，即制冷系統提供給空調水系統的冷熱量；而用于優化變風量系統運行時，預測對象應為“空調機組運行負荷”，即空調機組提供給空調風系統的冷熱量。空調運行負荷與理論的空調房間負荷一般不同，由于管網的滯后性和設備的控制調節影響，兩者在時間和量上具有不匹配性。
1.3影響因素不同
在設計階段，可以獲得具體的建筑設計參數，負荷預測的影響因素能夠考慮得非常詳細，包括影響空調房間負荷的所有參數，如建筑物理參數、室外氣象環境、室內環境參數以及建筑使用參數等。在運行階段，由于空調運行負荷比空調房間負荷更為復雜，除了考慮空調房間負荷的影響因素之外，還應考慮到空調系統的熱容量、時間延遲、運行調節以及建筑的實際使用等影響因素。
2、空調運行負荷預測研究的關鍵問題
2.1建模工作量大
對于每個建筑，應用能耗模擬軟件建模要花費大量時間，輸入大量參數，建模工作繁瑣。并且，軟件專業性太強，很難被運行管理人員所掌握，輸入參數的細微差別也可能會導致負荷預測結果有很大差異。
2.2影響參數獲取困難
建筑仿真建模需要輸入大量參數，但在實際運行中很難獲取所有影響因素。譬如，利用EnergyPlus預測能耗，氣象參數需要20余種，在實際中很難實時測量這些數據。此外，在建筑的運行階段，很多項目的設計圖紙、技術資料存在丟失現象，由于設計參數不全，建立準確的仿真模型是非常困難的。
2.3預測與實際很難吻合。在仿真建模中，設計
者根據自身對問題的理解，進行了不同程度的假設和簡化，會產生一定誤差。例如，在模擬建筑曲面的時候，通常會“以直代曲”。此外預測數據為空調房間負荷，而不是空調運行負荷，沒有考慮管網水蓄熱造成的滯后、控制調節產生的延遲等問題，從而造成模擬結果與實際很難相符，很難達到運行調節要求。
3、空調運行負荷預測模型的建模方法
3.1時間序列法
空調負荷可以按一定時間間隔進行測量和記錄，形成一個有序的時間序列集合。時間序列方法就是利用負荷時間序列建立數據模型，來預測建筑未來時刻的空調負荷，屬于趨勢預測法。傳統的時間序列分析方法主要是基于線性模型的研究，將時間序列看成一個隨機過程，對其進行概率數理統計，其理論與方法已基本趨于完善和成熟，可以分為平穩時間序列分析和非平穩時間序列分析兩大類。平穩時間序列分析包括自回歸模型（AR模型）、滑動平均模型（MA模型）、自回歸滑動平均模型（ARMA模型）；非平穩時間序列分析包括差分自回歸滑動平均模型（ARIMA模型）、季節模型（Season模型）等。
3.2人工神經網絡
人工神經網絡是模仿人腦神經網絡進行學習和處理問題的智能信息處理理論，它由大量具有處理功能的神經元和連接神經元的權值構成非線性系統，可以實現與人腦相似的學習、記憶、識別等信息處理功能，能夠解決復雜的、不確定性的、非線性的問題。
3.3組合預測法
由于傳統預測方法和人工智能預測方法都有不足之處，為了盡可能地提高預測精度，國內外許多學者開始探究組合預測法，即采用2種以上不同方法建立負荷預測模型。
結語
建筑運行階段空調負荷預測是空調系統優化控制的基礎，是隨著空調系統復雜化和節能減排的需求發展起來的，對實現空調系統節能運行有重要意義。運行階段空調負荷預測與設計階段負荷預測顯著不同，預測對象并非是理論上的空調房間負荷，而是滿足空調系統運行所提供的實際冷熱量，因此影響因素更為復雜，預測精度要求更高。
【參考文獻】
[1]張偉捷，王景剛，張杰.冰蓄冷空調系統預測控制理論研究[J].電工技術學報，2004，19（3）：88-93.
線性系統理論總結范文5
一、引言
《現代控制理論》（Modern Control Theory）是工科自動化本科的重要專業基礎課程，在國內高校自動化及相關專業中已普遍開設?！冬F代控制理論》是本科課程《自動控制原理》的深化，又是研究生課程《自適應控制》、《線性系統理論》、《最優控制理論》、《魯棒控制》等專業課程的基礎[1]。因此，該課程在工科自動化專業課程中具有承前啟后的地位，在工程教育的教?W改革中如何來提高該課程的教學質量顯得尤為重要[2]。在工程教育研究中，CDIO教育理念模式近年來受到世界高等教育界的廣泛關注[3]。CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）是本世紀初由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等大學創立的面向未來卓越工程師的大學教學方法。CDIO教學方法的思想包括Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現）和Operate（運作）四大要素，其強調工程教育應使得學生對工程應用具有充分把握，發展面向工程應用實際的綜合能力[4-6]?！冬F代控制理論》作為一門典型的工科專業課程，是培養自動化領域未來卓越工程師必備的基礎核心課程，具有CDIO涉及的工科課程特點，尤其適合開展CDIO模式的構思、設計、實現和運作理念課程建設。
二、工程背景下的現代控制理論教改
鑒于《現代控制理論》的工科特色背景，在教改實踐中，可以現代控制理論工程應用案例為導向，在課堂中引入控制系統構思（Conceive-Control systems）、控制系統設計（Design-Control systems）、控制系統實現（Implement-Control systems）和控制系統運作（Operate-Control systems）等內容，將CDIO模式教學思想和方法滲透到課程的各章節內容，形成由學生“做中學”的知識獲取模式。
1.結合工程實踐背景，引入CDIO模式教學方法。根據CDIO模式注重設計、實現及運作的內容要求，教師可考慮在保證現代控制理論內容的嚴謹性和完整性的前提下，不求過多定理的理論推導證明，而是突出問題的工程背景和應用案例，強調貫串于各章論述中的控制系統應用案例的實現（例如倒立擺系統、自平衡機器人系統等案例）。教學中的理論闡述應力求嚴謹、易懂和簡練。重點可考慮結合Matlab控制系統工具箱、Simulink、Automation Studio等自動化仿真平臺及相關硬件系統，加強對學生的工程應用的培養，并要求學生獨立完成有關工程案例的Conceive（構思）、Design（設計）、Implement（實現）和Operate（運作）的過程（CDIO），以達到鞏固所學理論知識的目的。工程背景下的現代控制理論教改可考慮側重現代控制理論的工程應用背景介紹，結合Matlab、Automation Studio仿真平臺展示，讓學生了解到該課程是分析與設計高質量和大型復雜控制系統的工程的理論基礎，同時應了解計算機、人工智能等應用技術對現代控制理論發展的貢獻。教師在授課時引入的主題內容包括系統的狀態空間描述的建立與分析；能控性與能觀性分析；系統穩定性分析與判斷；狀態反饋與輸出反饋綜合問題；最優控制問題；等等。按照由淺入深的原則首先介紹建立狀態空間描述的兩種方法，包括“機理建模法”和“傳函實現法”。在建立狀態空間描述后，教師展開基于狀態空間模型的系統分析方法，包括狀態空間模型求解、能控能觀、穩定性分析等。在系統綜合問題中，需突出理論與實際聯系，并依據工程控制性能指標的不同，介紹常規系統綜合應用與最優性能指標綜合應用。在CDIO模式教改中，這種教學實踐可以既使得學生掌握的知識具有系統性和連貫性，同時又面向工程實踐應用。
2.優化CDIO實踐教學內容，提升實驗平臺層次。在CDIO模式的教改實踐中，教師可以在講授《現代控制理論》的理論基礎上，重點加強控制系統案例介紹，可基于Matlab和Automation Studio等自動化軟件及相關硬件，以自平衡小車系統作為典型示例，加強CDIO模式下的實驗平臺的教學與建設，提升實驗平臺層次。倒立擺作為一種控制理論與工程的教學實驗設備，是一個典型的不穩定控制系統，實現其穩定控制可采用多種控制理論方法，具有較強的趣味性，適合學生使用它來驗證所學的控制理論。因此，倒立擺設備是進行現代控制理論CDIO模式教改較為理想的實驗平臺。根據倒立擺控制系統的實踐教學要求，針對CDIO模式的運作能力培養目標，我們考慮采取針對學生特點的個性化實踐教學培養模式。根據學生對課程知識掌握的深淺，在尊重學生個性、重視學生主體選擇和個性差異的基礎上對學生進行分類。依據學生對倒立擺控制系統的設計水平，把學生分成創新型培養目標群體、強化型培養目標群體和提升型培養目標群體。針對不同群體的學生提出倒立擺穩定控制的相應評價指標，設計梯度化的實驗考核機制，實現不同層次學生的工程實踐能力CDIO培養目標。
三、CDIO模式下的現代控制理論教改方案
考慮到學生特點和教學目標，教師可以CDIO模式培養大綱為引導，按照自動化專業本科生《現代控制理論》的培養要求，借鑒信息化和項目教學設計方法，實現“教、學、做”一體化的CDIO教學設計。CDIO模式下的《現代控制理論》教改方案具體如下。
1.在教改引入階段。（1）借助Matlab、Automation Studio等自動化教學實踐平臺，展示倒立擺穩定控制效果，提高學生對學習《現代控制理論》課程的興趣。（2）介紹課程的主要知識點，并以Matlab、Automation Studio實驗仿真平臺上實現倒立擺穩定控制為實踐目標，讓學生體會《現代控制理論》課程主要知識點的具體任務和知識點的相互關系。（3）依據學生的學習能力差異，按照優勢互補、分工協作的原則組成研究學習小組，并安排倒立擺穩定控制仿真實驗報告及評價方式等。
線性系統理論總結范文6
關鍵詞:當代建筑理論;導向更新;發展軌跡;傳統;創新
Abstract:Early formation of the theory are the basis of practice and gained from, the special architectural theory is that, in the architectural design of the creation and practice the theory derived, can be extended to the universal from the individual to obtain a wider range of applications. The development of architectural theory should not only apply to general situations, but also take into account special circumstances, and form a sound theoretical system. The author believes that the development of new China architecture theory has important practical significance.
Keywords:new architectural theory;orientation update;development track;tradition;innovation
中圖分類號:TU-021
文獻標識碼:A
文章編號:1008-0422(2010)08-0092-02
1引言
對我國現階段的建筑理論,人們通常認識的不夠全面,也難以摸清我國建筑理論的發展現狀。究其根源,是由于我們基于自身文化的理論發展不夠,沒有正確的理論研究發展;而對西方的建筑理論又盲目推崇,忘記了建筑理論本土化的需求。由此造成了現在國內建筑理論體系混亂,理論發展滯后,理論難以指導實踐。我們只有科學地認清當前的理論構成情況,才能對未來的建筑理論發展起到良好的指導作用。
2建筑理論發展的指導作用
2.1建筑理論對城市生活的引導作用
建筑的功能性要滿足人們日漸豐富的日常文化生活,而不是簡單的遮風避雨,工作休息,因此建筑師對建筑的理解不能單一的定位在一個固定不變的角度上,使人們不能充分地利用建筑本身構建自己的文化生活。[1]隨著人們生活節奏的加快和對生活質量要求的不斷提高,人們對包括建筑在內的生活元素的使用要求也越來越高,伴隨著新技術的發展,建筑設計該何去何從?這就需要有正確的建筑理論來引導。
2.2建筑理論對建筑文化的引導作用
傳統的“機器生產財富,建筑消耗財富”的思想,早已深入人心,并且還將長期的對人們的認知產生影響。[2]然而,當人們越來越多的認識到,建筑本身的欣賞性和功能性,使建筑兼顧了精神上的文化需求和物質上的使用需求。[3]針對同樣的建筑功能要求,在相同的預算條件下,不同建筑設計師的設計創作對建筑精神價值的體現也大不相同。這就要求建筑設計師要在滿足建筑功能需求的同時將無形的精神文化需求最大化地體現出來。建筑理論的創新可以很好的引導建筑創作去遵循地方文化,表現地方特色。
3中國建筑理論發展應回歸傳統,注重創新
3.1建筑理論發展應當回歸傳統
建筑風格是建筑文化的一部分,是建筑理論無法回避的元素。盲目追求建筑的形式美,過分的標新立異,使得近年來許多設計脫離了理論的指導;而任何脫離理論指導的設計實踐都是茫然的,都不會是成功的設計實踐。與此同時,建筑理論的研究,在極度繁忙的建筑設計市場面前被無情的邊緣化了,理論的知識地位不斷降低,人們對理論的認識存有成見。因此,建筑理論在中國回歸傳統內涵,更具有其特別的意義。提倡理論回歸,就是要讓社會的進步來不斷觸動理論的發展創新,讓理論充滿活力。設計的基本道理是相通的,但形式是變化無窮的。簡單地回歸到過往的基本原理,并沒有實際意義;而中國和世界的建筑理論面臨著眾多的變革因素、現實問題乃至人類的生存問題,就要求我們必須要以前瞻性的思考來重新整合理論,使之回歸到既能傳承過往經驗,又能解決現實問題,并不斷進行自我更新的良好狀況。
3.2建筑理論發展應當注重探索創新
傳統的建筑理論研究重心,總是徘徊在諸如建筑構件等小問題上,如探討屋頂采用何種形式,空間及色彩的安排和搭配等,將這些看似極具代表性的特點加以歸納,繼而總結出一段時期或者某個特定區域內的建筑特色。相當一段時間以來,我國的建筑理論發展,更多是借鑒西方發達國家以及蘇聯的建筑理論研究成果,繼而套用到我國的國情上來,謀求中西結合,繼續發展。而基于這些理論所進行的建筑創作,套用借鑒而來的設計方法,在實踐上就難免總是帶有一定局限性,而且脫離了理論創建之初的背景基礎也只能是模仿到“形似”階段。[4]如果想要能夠對過去的一段時期的建筑理論建立起充分的理解,想要在實踐的基礎上恰當地運用,就要尋求根源,不僅掌握形式上的特點,還要結合當時或當地的文化、民俗、倫理等各項人文因素,力求能夠在“精神”的層面上深刻地理解建筑理論。只有這樣,才能在理論繼續創新和探索的路上不斷發展?？茖W技術的進步,也為我們實現過去不可能完成的構想提供了條件,因此建筑與科技進步相結合的理論創新,將是一個龐大的理論發展體系,不僅是從建筑一個單一的領域,也并不是過去簡單的建筑師實踐,而應是多領域的,跨學科的綜合探索。
4 當代中國建筑理論的發展趨勢
4.1建筑理論向系統化方向發展
近來建筑界呈現出一種對建筑系統理論的依賴,從整個理論體系出發,例如建筑的流派,風格以及人體工程學,環境心理學等一切建筑理論體系內的相關理論。運用綜合的系統理論看待建筑,可以更加全面,并升華建筑理論的范疇。系統論、信息論、控制論是20世紀40年代先后形成的科學方法論,它們是當代人類認識史上的里程碑,是人類科學成就達到的前所未有的新高度。[5]在國內,侯幼彬先生在這方面走在了前面。他認為建筑是高度復雜的非線性系統,需要從多角度,多層面來解讀,而不是使用簡單的,二維的非此即彼的處理方式。無論是進行建筑創作還是從事理論研究,都應該通盤考慮,把握大局,從多角度出發,全面系統地思考設計問題,解決矛盾。鄒德儂先生也提出了建筑理論向系統化方向發展的觀點,他勾勒出的建筑理論與建筑實踐的雙峰圖(圖1),便很好地表達了各種創作元素之間相互影響相互制約的關系?？蚣芤曰纠碚摓榛A,左側是建筑理論創作的發展,右側是建筑創作實踐的進步,兩者都以相近的史學觀點與設計理論為基礎,交互共生,協調發展。
4.2建筑理論向廣義建筑學方向發展
廣義建筑學是一種新興的建筑觀,并演變成為當前甚至以后整個建筑業的發展方向。廣義建筑學是將建筑學、地景學和城市規劃學的理論基礎有效地整合為一個整體,對建筑的本真進行綜合性的追尋。將規劃建設、新建筑的設計、城市歷史環境的保護、原有建筑的維修與改建等問題,納入一個動態的循環體系中,是廣義建筑學的一項重大使命。同時,廣義建筑學也有著鮮明的“本土化”特性,植根于當地的文化根源,結合外來的精華,從而加快當地建筑行業的持續性發展。清華大學吳良鏞先生較早地提出“廣義建筑學”的概念,他所倡導的人居科學理論,對建筑學的發展和變化進行了廣義的詮釋(圖2)。他認為人類的聚居環境除人工環境外,也應當包括自然環境和社會環境,因此建筑學的概念也應該是廣義的,想要深入地研究,就不可避免地要涉獵到眾多互相聯系的學科群。要同時考慮到自然科學、環境科學,以及人文科學等諸多學科之間的聯系,把建筑的問題放到復雜的巨系統里觀察分析,力求全面高效的解決問題。
廣義建筑學概念里所定義的建筑師,應該是一個出色的綜合協調者,他的工作應該是負責協調與建筑物有關的各種形式,解決技術與社會經濟等方方面面的問題,無論是小到房屋街道的改造,還是大到城市的發展與規劃。而且廣義的建筑學將涵蓋比單體建筑更加廣闊的范圍,所以建筑理論的發展必須要做到統籌兼顧。當然這并不是說要求建筑師成為無所不能的專家,而是需要建筑師加強自身修養,擴大知識面,尋找問題的結合點,提出問題解決問題,這樣不斷實踐才能進一步促進建筑理論的發展。
4.3建筑理論應當尋求中國特色的表現
系統化的建筑理論觀點所不可回避的問題是,建筑設計的創造性思維是非線性的,是不容易捕捉到的,它們很難被定性觀察,也很難用相對嚴謹的系統論來闡釋;而廣義的建筑理論由于是正在發展中的科學,而且它涉及到不同階層的社會利益,兼顧到各種矛盾沖突,在學術上要取得進一步發展一樣很困難。
當代前沿學科交叉滲透,相互融合的進程在逐步加快,建筑理論的發展需要用新的思維方式來面對新的局面。張欽楠先生曾經說過,工程學是技術學的分支,它的理論是具有全球性和普適性的;而建筑學則同時涉及技術科學和人文科學兩個方面,因此它的理論就既有全球性和普適性的一面,也應該具有民族性和地域性的一面。最近幾十年來,我們的經濟有了較大發展,建筑創作的環境也有了很大改觀,建筑市場生機盎然。而在追求四個現代化目標的過程中,一切向發達國家看齊,已經讓建筑界的面貌有了較大改觀。但我們必須注意到,這其中大量的建筑設計作品往往只是注重對建筑形式的刻意模仿,知其然而不知其所以然。要知道西方的建筑體系是經歷過了不同的發展階段,通過長時間的實踐與自我完善才達到今天這樣的水平。西方的建筑理論內容已經非常豐富,也達到了一定的深度,但是這并不意味著可以拿來照用,因為它們未必適合中國的建筑發展,也不可能給我們提供現成的答案。中國的建筑理論發展,必須要顧及到中國的地域文化特色,在調查研究的基礎上認真思考分析,不斷實踐不斷反思,才能真正有所作為。用早日實現建筑界的現代化為借口,盲目建設,不考慮自然條件與經濟局限,一味追求高大全的建筑形象,這種做法是萬萬不可取的。
建筑理論的創作,應該體現出在工程建設基礎上的人文關懷,它不但應該能夠指導我們改善人居環境,實現社會可持續發展,增進與城市規劃相融合的多層次的理論建構;同時也應該是強調民族地域性,不斷彰顯個性的創作歷程。
5結語
我國的建筑理論發展滯后,究其原因,受兩個方面的影響較多:一是我國既有的建筑理論發展缺失,一直缺乏比較系統的建筑理論研究;二是盲目引進西方建筑理論,習慣于生搬硬套。自有的建筑理論不完善,外來理論又很難本土化,兩種因素綜合作用,就直接導致了建筑理論發展的嚴重滯后。
20世紀人類建筑學取得了巨大發展。要讓建筑理論在新世紀里不斷發展,就必須把現有的成就整合起來,回歸基本的理論,并以此為出發點,不斷創新。從這個角度來分析,符合中國國情的建筑理論發展過程,正是應該不斷整合,不斷吸納新知識,不斷自我完善的過程。
參考文獻:
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