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线性系统理论总结范文1
关键词：线性动态系统；教学改革；案例教学；直线二级倒立
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0085-03
一、引言
线性动态系统理论与设计是电气工程、控制科学与工程等学科的专业基础课程，包括清华大学、浙江大学、斯坦福大学、麻省理工学院等国内外重点大学均开设了类似课程。该课程的研究对象是各种实际系统抽象出来的、形式上具有统一性的具有线性属性的一类动态系统，借助线性代数和矩阵分析的方法，进行系统分析与控制器设计方法的训练，培养学生对系统进行数学建模、分析与推理能力，使学生具备利用数学工具对控制系统进行理论描述、系统分析和控制器设计的综合能力[1-3]。
该课程作为控制科学与工程、电气工程等学科硕士研究生核心课程之一，以往教学过程主要注重基础理论和基本方法的讲授，作为分析工具的数学在教学过程中所占比例较大。随着研究生教育规模的扩大，根据地方普通高校研究生的现状，需要在讲授基础理论和基本方法的基础上，突出相关理论、方法的工程应用背景[4]。
二、教学案例设计
根据线性动态系统理论与设计课程的特点及在学科中的基础性，教学案例需要在教学过程中结合学生基础知识及课程基本理论、方法进行选择与设计。根据多年的教学实践，本课程选择典型的直线二级倒立摆作为教学案例。直线二级倒立摆作为典型的机电一体化抽象模型，是人形机器人等实际系统的物理模型。该系统是一个非线性自然不稳定系统，通过该系统可更直观地展现动态系统的稳定性、能控性以及系统状态的收敛速度等抽象概念[3]。由于该系统的典型性，已有大量文献资料可供参考，便于在Matlab/Simulink仿真环境中分析、验证，结合实验室原有的物理实验装置，可对线性动态系统的分析、综合进行实际实验验证[5]。
（一）直线二级倒立摆物理模型
直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由度，小车可以沿导轨水平运动，从而保持倒立摆系统的平衡与稳定，系统组成如图1所示。为简化系统，在建模时忽略了空气阻力和各种摩擦，并认为摆杆为刚体。
其中，M为小车质量，m1为摆杆1的质量，m2为摆杆2的质量，m3为质量块的质量，l1为摆杆1中心到转动中心的距离，l2为摆杆2中心到转动中心的距离，θ1为摆杆1与竖直方向的夹角，θ2摆杆2与竖直方向的夹角，F为作用在系统上的外力。
三、案例化教学方式实践
结合实例在建立系统状态空间模型后，可基于该系统模型对系统的能控性、能观测性等进行分析，在课程内容的运动分析、能控性、能观测性以及稳定性分析相关的基本理论与方法时，结合该系统进行讲解，使抽象的、数学化的理论方法具有明确的物理含义，便于学生理解与掌握相关原理、方法。
1.系统开环仿真。结合该案例，要求学生利用Matlab/Simulink仿真环境建立系统模型，并进行相关算例的编程计算、系统分析。系统的Matlab/Simulink模型如图2所示。
其中“State-Space”模块为直线两级倒立摆的状态方程，双击模块可打开模型进行参数设定。
建立好系统仿真模型后，对系统进行开环仿真，仿真结果如图3所示。从仿真结果可以看出，系统发散，为使系统稳定，需要对其添加控制器。
2.控制器设计与仿真。为使系统稳定，需要针对该系统设计闭环控制器，采取状态反馈的形式进行控制器设计，控制率采用线性二次型最优控制（LQR）方法，仿真模型如图4所示。根据LQR控制方法的原理，可计算出控制器状态反馈矩阵的参数为K=[1 73.818 -83.941 2.0162 4.2791 -13.036]，仿真结果如图5所示。
由图5可见，系统虽然可以稳定，但系统稳定时间过长，根据LQR的基本原理，可知要增加系统响应速度，需增加权重Q的值。
设Q11=300，Q22=500，Q33=500，对应的LQR控制器参数为K=[17.321 110.87 -197.57 18.468 2.7061 -32.142]，仿真结果如图6所示。
由图6可以看出，系统可以很好的稳定，在给定倒立摆干扰后，系统在2.5秒内可以恢复到平衡点附近。通过对参数的重新设置，观察仿真结果，进而加深对相应控制方法的理解和掌握。
3.实时实验验证。根据上述仿真结果，选取具有较好响应的控制器参数进行实时控制实验，对比验证控制方法在实际系统上的控制效果，由于实际系统存在干扰信号、检测信号噪声、机械摩擦等实际情况，一般而言，实物系统上的控制效果与仿真结果会有一定差异。
实物实验验证在实验室的直线二级倒立摆平台上进行，控制算法仍可基于Matlab/Simulink进行。实时控制系统如图7所示。
四、结论
案例化教学方式的实施，除了教学案例的引入、课程教学组织的变化，学生的深度参与对于教学效果更为重要，在教学过程中要求学生在仿真环境中自行建立系统模型，对系统性质进行分析，在此基础上，尝试设计控制器，可覆盖课程大部分内容，通过案例将各知识模块和方法有机联系在一起，使学生进一步明确课程内容对于实际系统的作用，一方面可提升学生学习的目的性、积极性，同时训练了学生分析问题、解决问题的能力。
参考文献：
[1]郑大钟.线性系统理论[M].第2版.北京：清华大学出版社，2002.
[2]Chi-Tsong Chen. Linear system theory and design，3rd edition. New York：Oxford University Press，1999.
[3]王晓兰，李恒杰.“线性系统理论”课程教学案例的设计[J].电子电气教学学报，2013，35（2）：21-23.
线性系统理论总结范文2
关键词：电力稳定器；低频振荡；参数整定；励磁系统
1 电力系统稳定器结构与特点
电力系统稳定器的通用框图一般由隔直、放大、超前滞后、限制增益等环节组成，如图1所示：
因满足不同的需要与不同公司的产品，电力稳定器（PSS）的具体功能与构架均有所不同，美国IEEE电力生产委员会于1992年的《用于电力系统稳定研究的励磁系统参考模型》中，推荐了两种经典的电力系统稳定器模型：PSS1A型和PSS2A型，分别如图2与图3所示。
PSS1A型与PSS2A型分别为单输入型与双输入型，前者的输入信号VSI一般采用频率、角速度或者频率，其结构简单明朗，便于电力稳定器参数的修改与设定，使用方便；后者的输入信号一般采用频率、角速度或功率、功率中的组合信号，引入的另外一个输入信号（角速度或频率），可以抑制单纯由功率或频率信号做为输入而引起的无功反调现象，因此电路比较复杂。有研究证明：在大部分情况下，参数整定适当的PSS1A型可得到与PSS2A型稳定器相近的效果 。
在电力稳定器的实际投运中，不同特性、处于电网不同节点的机组应采用相应的PSS，PSS的实际投运经验证明：汽轮发电机组采用以Pe为输入信号的PSS1A型时，只要整定的参数合理，反调现象不明显，不需要采用特殊的措施去抑制机组的反调；滞后特性较强的励磁系统，一般采用PSS1A型稳定器，输入信号适宜选择Pe；滞后角较小的自并励系统或高起始励磁系统，可以采用PSS1A或PSS2A型电力稳稳定器，输入信号可以采用Pe或Pe与f；水轮发电机组的有功调节速度较快，此时必须要考虑反调的影响，一般采用Pe与f相加作为输入信号的PSS2A型稳定器，必要时需专门设计对抑制反调更为有效的控制电路。
2 低频振荡的定义及其产生的原理
在电力系统中，众多发电机组在电网中并列运行，当电网中发生小扰动（比如电压波动）时，发电机转子之间会发生相对摇摆，若此时的电力系统缺乏必要的正阻尼，就会失去动态稳定[3]。构成电力系统的元件大多为非线元件，系统整体呈现非线性特性，动态失稳时发电机转子之间会出现持续的摇摆振荡，输送的功率也会发生相应的振荡，从而影响功率的输送。由于这种持续振荡的频率很低，一般在0.2～2.5Hz之间，故称为低频振荡。从电力系统中出现过的低频振荡来看，低频振荡较容易出现在负荷重、输电距离远的线路上，或者电网之间的的弱联络线上。随着电力系统的规模不断扩大，发电机组的励磁系统普遍采用数字电路与晶闸管，励磁系统的调节时间常数从几秒减少到毫秒级，大大降低了电力系统的阻尼，甚至产生负阻尼，导致自发性的低频振荡。
电力系统低频振荡的产生原理，国内外有过众多的研究与分析，总结起来主要有以下几种：
（1）负阻尼机理；
（2）强制性共振机理；
（3）分叉理论；
（4）参数谐振；
（5）混沌现象。
上述五种振荡机理可以划分为三类：
1）电力系统的固有频率与扰动信号或输入信号存在某种内在的关系，从而引发了较大幅度的共振或谐振，当该频率处于低频区域时，即产生了低频振荡。
2）从线性系统来分析，当存在小扰动时，由于系统自动装置的参与调节，改变了系统的特性，于是特征根的相限也变化，产生了附加的负阻尼，抵消了系统固有的正阻尼，于是振荡不衰减甚至振荡加剧。
3）电力系统采用了大量非线性原件，当扰动发生时，导致系统的参数也跟着变化，于是导致系统的稳定结构也发生变化，从而产生系统的振荡。
受益于线性系统理论的成熟与完善，在所有的低频振荡原理中，负阻尼机理研究已经形成了一套比较完整的理论体系，并且在实际工程中得到了广泛的应用。从理论上来考虑，非线性系统在特定的条件下（比如系统发生了小扰动时），可以看成是有外加的非线性影响的线性系统，于是不论是线性系统还是非线性系统，导致电力系统产生低频振荡的基本原因是负阻尼。在电网建设或者工程建设时，才主要考虑共振和谐振理论。混沌理论暂时还停留在理论上的研究。分叉理论目主要用于低阶单变量系统。
3 PSS抑制低频振荡原理的分析
根据单机无穷大系统模型，又称为Phillips-Heffron模型[1]，发电机励磁系统是一个滞后特性单元，由发电机的磁场滞后角和励磁系统的滞后角构成，通过K6闭环，系统传递函数为：。总滞后角+。励磁控制系统框图如下：
励磁系统传递函数GES（s）是滞后特性的，当K5为负值时，电压调节器会产生负阻尼，其产生的电磁转矩ME在ω轴上投影为负；设定PSS的输入信号为ω，PSS通过参数整定设置为超前相位补偿，相位角 ，于是PSS在 轴上产生与 同相位的附加力矩，然后通过PSS参数的整定，使得该附加转矩TPSS对应的正阻尼大于由电压调节器对应的电磁转矩Me所对应的负阻尼，从而使励磁系统从整体上来讲是提供正阻尼的，于是就可以有效的抑制低频振荡[2]。当机组负荷较高时，此时K5小于0，单机无穷大系统的电磁转矩M位于第四象限，如此时励磁系统能提供一个位于第一象限的附加电磁转矩M，那么M与M的合成矢量和就可能位于第一象限，位于第一相限的的电磁转矩会向系统提供正阻尼，起到抑制低频振荡的作用[3]。这个位于第一象限的附加电磁转矩M可通过合理整定PSS的参数来获得。为了简明，只单独考虑由PSS提供的附加电磁转矩 M ，根据单机无穷大系统的框图（以输入ω信号为例，来推导出PSS的传递函数），ω信号经过传递函数GPSS（S）的PSS环节送到Uref叠加点处，附加信号ω所产生的电磁转矩M的路径如图5所示。
上图中高放大倍数快速励磁系统的传递函数为Ge（s）=，其中KA为励磁系统的增益；TA为励磁系统的时间常数。G3（s）=当Uref=0时，附加励磁转矩为M=，将Ge（s）、G3（s）代入该式中，经过整理可以得到：
其中：-无阻尼自然振荡频率，=；=。设，则。
从上面可以看出，若GPSS（S）与d（s）相等，则该两项抵消； M与ω不但成正比，而且M与ω轴向同相，于是就向系统提供了正的阻尼转矩。在实际PSS参数整定中，不要求GPSS（s）与d（s）完全相等而抵消，只要满足在低频振荡的频率范围内，两者的超前相角与滞后相角基本上抵消，PSS提供的是正的而不是负的阻尼转矩 ，所以PSS必定设置有超前环节，于是其传递函数为：GPSS（s）=，该式子通常作为PSS通用传替函数，只是当输入的信号不同时，组成PSS的具体环节稍微有所不同，以及为了防止PSS的输出幅值过大造成的发电机过电压危险，PSS还设置了限幅环节[5]，实际投运中的PSS，考虑到信号的失真、测量信号的处理难度，还设置有滤波单元、测量单元等。
4 电力稳定器参数整定在韶关发电厂低频振荡抑制中的应用
电力稳定器是励磁系统的一部分，要合理整定PSS的参数，一般是采用时域和频域相结合的方法来进行研究[6]，首先建立励磁系统的模型与测得其各个环节的参数与频谱特性，在此基础上结合机组励磁系统的增益与反调现象，对PSS的参数进行整定与校核[7]。在广东电力科学研究院的帮助下，对韶关电厂10号发电机励磁系统模型进行了参数测试，完成了励磁调节器模型各个环节的频谱特性测试、励磁系统空载特性数据的测试、发电机空载阶跃响应数据的测试，发电机负载调差极性和调差系数数据的测试，等等，通过仿真系统进行仿真，与实际试验结果进行比对，验证了励磁控制系统的模型参数[8]，最终确立了韶关电厂10号发电机的励磁系统模型参数，在此基础之上，对10号机组励磁系统PSS各环节参数进行了设计与优化，通过仿真试验，确定了最终优化参数，并结合现场生产调试，将韶关电厂发电机组的PSS投入运行，使之满足在整个低频振荡频率段上均能提供良好的正阻尼，能够有效地抑制与本机强相关的振荡模式[9]，提高了粤北电力系统的动态稳定性。
韶关电厂10号发电机是东方电机厂生产的汽轮发电机组，额定功率为300MW，型号为QFSN-300-2-20，励磁系统采用的是南瑞电控励磁调节器，其PSS是PSS-2B模型，模型框图如图6所示：
根据现场试验结果，将10号机组的PSS参数整定如下：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输出限幅：±5%。
投运PSS后机组的各项指标均满足要求，对本机功率振荡抑制效果显著：未投入振荡3-4次，投入后振荡1次，幅值减小约一半，在0.2-2Hz内均能满足相位补偿的要求。按照优化后的参数将PSS投入实际运行，韶关电厂10号机组PSS投运前后的试验录波波形分别如图7、图8所示：
参考文献：
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[8]赵斌，李文云，杨强.机组PSS参数整定极其抑制系统低频震荡的效果[J].云南水利发电，22（02）.
线性系统理论总结范文3
关键词：双语教学；现代控制理论；英文教材；教学改革
中图分类号：G642.0；TP273+.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）07-0131-03
一、引言
现代控制理论课程作为电气工程专业本科三年级学生的专业必修课程在我校已开展多年。这门课程是矩阵论和自动控制原理等课程的延续，因而内容丰富、理论性和工程性都很强；再者，由于控制学科的飞速发展，使得该课程具有信息量大，更新发展快等特点[1]。近年来，随着国家科学技术的飞速发展，中国大学生与世界其他高校学生的交流越来越频繁，为了适应国际大融合发展的需要，双语教学在高等学府中受到了高度重视。2001年教育部提出，在有条件的高校，应该为本科教育中的公共课和专业课开展双语教学，并不断开展教学改革和研究性教学实践，探索有效的教学方法和模式，以提高双语教学的质量[2]。近年来，双语教学尤其是对专业课开展双语教学已经成为了各大高校教学研究的热点[3]。多项教学改革的实践证明，在电气工程的专业课程中开展双语教学的探索，有利于课堂教学形式的国际化以及讲授内容的快速更新，显著地提高大学本科生的专业英语的执行能力，同时也会让学生感受到专业英语的重要性，将会提高我国高等院校尤其是扬州大学的电气相关专业课程教学的水平。因此，如何开展现代控制理论课程的双语教学，尤其是在双语教学要求下，提高学生的学习积极主动性和灵活应用教学成果的能力，就显得尤为重要。“扬州大学电气专业现代控制理论课程”教学团队，根据近年来在该课程的双语教学探索和实践中遇到的一些问题，探索新的教学方法，特别注重培养电气专业学生学习该课程的积极性，对该门课程双语教学的可行性、要求和课程特点等进行了详细的阐述，特别是根据电气工程专业本科生的基础知识结构和“现代控制理论”课程的理论性和工程性都很强等特点，在教学改革实践中探讨了一些行之有效的解决方法和措施。
二、课程特点及教学目标
现代控制技术是在经典控制理论中发展出来的一门学科。“现代控制理论”课程作为“自动控制原理”的后续课程，其作用是使学生在学习过自动控制原理和矩阵论等基础课程之后，了解当今控制理论和应用领域的一个新阶段，现代先进的控制方法原理及其应用。考虑到学科的特点和学时的限制，本课程在讲授过程中只涉及到线性控制理论中状态空间模型的建立和解的分析、能控性/能观性分析、系统稳定性分析、状态观测器和状态反馈的实现等内容。
课程的目的是使学生通过本课程了解时域形式状态空间模型的形式、状态变量、状态方程的求解以及解得特点，开展系统的定性分析――能控性/能观性和系统稳定性分析，尤其是掌握运用李雅普诺夫稳定性分析方法进行线性、非线性系统的稳定系判断。进而，能够对目标性能要求下，开展系统控制器和观测器的设计。
三、课程双语教学的具体内容
在电气工程专业本科生中开展“现代控制理论”课程双语教学面临诸多不利条件：（1）内容的多样性和课时的有限性；（2）在有限的课时数的条件下，如何让学生尽快地熟悉英文教材所阐述的内容；（3）如何让学生准确地掌握控制领域相关专业术语的英文表达；（4）如何提高词汇量和英语的表达能力，尤其是一些常用的专业词汇的灵活运用，以提高学生专业英语的听说读，尤其是写文献等的综合应用能力。
作者及其“扬州大学电气专业现代控制理论课程”教学团队围绕“现代控制理论”课程教学的实践情况，对该课程的双语教学的施教做了如下几方面的研究性教学探讨。
1.外文原版教材的合理选择。在采用双语教学之前，“现代控制理论”课程采用的一直都是中文教材。考虑到该课程双语教学的需要，高质量的英文原著教材是必需的。为了保证英文教材的内容与教学大纲保持一致，教学团队对国外的不同的现代控制理论教材进行了大量的对比和调整。要尽可能使用与电气专业相似用词习惯的原版教材，这样可以保证在有限的教学课时情况下，电气工程专业的学生可以很熟练地掌握专业词汇的用法。同时，这本教材需要在中国有一定的知名度，这样团队教师可以很快了解和熟悉英文教材的内容。最终作者团队选择了英文教材[4]为“现代控制理论”课程双语教学的教材。
2.讲授内容的合理调整。由于国外大学在专业设置、培养方案和模式、人才培养要求和教学方式放上，与我国大学存在较大差异，尽管作者团队已经较合理选择了教材，但是外文教材内容与我国电气工程专业教学内容上存在一定的差异，这就导致教材相关知识点也存在一些遗漏和重叠。比如，中文教材对现代控制理论的发展进行阐述时，多是从控制起源，结合一些历史人物和相关的事件，如北宋苏颂等利用反馈原理制作的水运仪象台，瓦特利用离心调速器发明的蒸汽机，劳斯-赫尔维茨提出的频域形式的稳定性判据，以及李雅普诺夫提出的李雅普诺夫稳定性理论等概述性的知识进行介绍的。这样可以让学生充分了解现代控制技术发展的历史脉络，同时，结合一些有趣的历史事件，对状态变量、状态空间和反馈等一些重要的概念有一个基本的认识。而该英文教材尽管也介绍了一些现代控制方法和控制系统的一些主要的定义或者定理，但是并不是按照这种历史脉络的角度，而是从数学的角度。作者团队认为，为了让电气专业的学生更好地掌握这些相对枯燥的概念，则有必要弱化它的数学的含义，而凸显它的控制部分。但是后续的关于系统能控性/能观性和李雅普诺夫稳定性分析的主要内容介绍等基本上与作者团队之前采用的教材一致。
另外，所选英文教材内容比较丰富，篇幅比较长，教材中有些内容需要应用的矩阵论知识比较多，难度比较高，如教材中介绍关于高阶微分方程转换成状态方程部分，针对输入部分有微分的情况，以及针对复杂非线性系统，如何通过李雅普诺夫稳定性原理判定系统的稳定性等问题，对于电气专业学生而言，一般不容易完全掌握。榇耍笔者教学团队，参照课时情况，对该英文教材内容进行了适当的简化，如简化了线性系统的结构分解和零极点相消等部分内容。凸显现代控制理论方法的核心思想――状态空间法，以满足课程大纲的要求。
3.n件制作和现代控制实验开发。由于该本英文教材没有相应的诸如PPT、程序和实验平台等教学用的辅助资源，作者的教学团队在消化吸收英文教材后，并基于前期的研究性教学的成果[5]，开发了双语教学多媒体课件。同时，在该双语教学的课件，作者团队还将团队早期收集的一些参考资料中的精髓内容也以最合适的方式得到了呈现。
作者团队在近五年的现代控制理论课程讲授过程中发现，非常有必要开发现代控制实验平台，尤其是基于双语教学要求下，这样有助于学生掌握现代控制理论课程的内容。但是，在此这前扬州大学水利与能源工程学院电气工程系，在该课程上，一直没有相应配套的仿真和实验验证平台。为此，作者团队教师设计提供了倒立摆实验平台，为双语教学的现代控制仿真提供了验证平台。学生在进行仿真和实验验证时，可以用上该课程多个核心内容和知识点：系统能控性/能观性、稳定性分析和系统状态反馈控制设计等。同时，倒立摆系统与杂技中的顶杆平衡等有异曲同工之处，极具趣味性，提高了学生学习的积极性。
同时，在撰写实验报告时，要求学生对照实验中的实验现象。采用多种途径，比如图书馆查找资料、网上搜集材料等，进行相应的理论分析，并鼓励学生将一些与教材的不同之处反映在报告中，以提高学生善于思考和勇于提出不同见解的能力。比如，在“李雅普诺夫稳定性分析实验”中要求学生采用第一法和第二法分别对倒立摆系统进行稳定性验证，尤其是稳定裕度的阐述，仔细对比两种方法验证的结果，总结二者之间的区别和联系。在“状态反馈控制器设计实验”中要求学生结合仿真结果分析零极点对系统性能的影响，同时要求学生结合“自动控制原理”课程所学的PID方法进行对比实验，总结现代控制理论方法的优势所在。通过自主开发的实验和仿真验证平台，不仅完成了双语教学的课程内容，同时让学生熟悉了如何利用计算机进行现代控制技术仿真实验验证和结果分析，熟悉了Matlab/Simulink这一科研工程中应用最广泛的计算软件，包括与现代控制课程密切相关的LMI，系统辨识等工具箱。
4.灵活多变的双语教学方式的应用。针对双语教学的特点，较之之前的“现代控制理论”课程，作者团队采用更为灵活的教学方式。选择一些经典的控制系统例子，课堂中采用边教学边实践的形式。另外，还采取课堂教学与讨论同时进行，尤其注重课外阅读和小组讨论相结合的方式，采用平时考核和集中考试同等重要等手段，逐步提高学生主动学习的积极性。例如，布置一项课外作业，也传统的课外作业不一样，采用开放的形式。翻译一段作者团队精心设计的内容，该部分内容涉及一个倒立摆系统如何保持平衡的问题，并模拟杂技表演的模式进行介绍，学生不仅完成了作业，了解倒立摆系统的稳定性问题，同时学生也增加了对现代控制理论的具体应用的兴趣。
四、结束语
在双语教学要求下，在学习中如何采用该理论的内容解决电气工程相关课程的实际问题，一直是作者团队在课程教学中讨论的问题。尽管团队至今已经为四届学生开展了现代控制理论课程讲授。结合电气专业的特点，对于现代控制理论的教学安排，学生和各级督导都普遍反映较好。尤其是经过双语教学的探索，学生逐渐达到了听说读写等几个方面的要求，比较好地掌握了现代控制理论中的线性系统理论的核心内容。大部分学生能够很好地完成英文教材和老师布置的任务，通过仿真实验以及撰写报告和大作业等各种考核形式，达到了该双语教学课程的教学目标。
本文提出的双语教学的一系列举措，通过选择合适的教材，对相关教材的内容进行合理的调整，并把原本抽象且枯燥的知识点和定理通过形象生动地实验讲授给学生，调动了学生的学习积极性。如何在教学中不断积累，逐步完善教学手段，更好地提升双语教学教学改革的效果，将是作者团队一个值得继续努力的工作。
参考文献：
[1]张嗣瀛，高立群.现代控制理论[M].北京：清华大学出版社，2006：1-22.
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[3]李世华.“智能控制概论”课程双语教学改革探索[J].电气电子教学学报，2009，31（4）：8-9.
[4]Richard C. Dorf，Robert H. Bishop. Modern Control System[M].美国：Prentice Hall出版社，2012.
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线性系统理论总结范文4
【关键词】：空调系统；负荷预测；运行阶段；空调运行负荷；预测方法
引言
空调运行负荷预测是指在建筑运行阶段，对未来时刻空调系统运行所需要的冷热量进行短期预测。其目的是为空调系统优化控制服务，以预测的负荷分布为基础，确定最优的运行工况或设定点，制定最佳的空调运行策略，保证空调房间的舒适性和空调系统运行的节能性。
1、运行阶段与设计阶段负荷预测的区别
1.1预测目的不同
设计阶段的空调负荷预测是为了合理选择空调系统方案。是否能准确预测建筑空调负荷，对空调系统的设备容量选择、管路尺寸和系统投资都有很大的影响，同时关系到建筑物实际运行能耗和舒适性水平。运行阶段的负荷预测是为了优化空调系统的控制策略。目前，大部分负荷预测是为了优化控制冰蓄冷系统，但是也有负荷预测是为了优化控制冷水机组、变风量空调系统。预测未来时刻空调系统的负荷，目的是根据负荷分布确定最优的运行工况、设定点，制定合理的空调运行策略，以室内舒适度为前提条件，保证空调系统的经济运行。
1.2预测对象不同
在设计阶段，空调负荷预测是对传统理论的空调负荷进行预测，即“设计负荷”。通常预测所取的室外气象条件为典型气象年，空调系统为了维持空调房间的温湿度，需要从空调房间带走的冷热量。在运行阶段，空调负荷预测与理论计算负荷不同，而是系统提供给用户末端的供冷量，这里我们称为“空调运行负荷”。比如为了优化冰蓄冷系统运行时，预测对象是“制冷系统运行负荷”，即制冷系统提供给空调水系统的冷热量；而用于优化变风量系统运行时，预测对象应为“空调机组运行负荷”，即空调机组提供给空调风系统的冷热量。空调运行负荷与理论的空调房间负荷一般不同，由于管网的滞后性和设备的控制调节影响，两者在时间和量上具有不匹配性。
1.3影响因素不同
在设计阶段，可以获得具体的建筑设计参数，负荷预测的影响因素能够考虑得非常详细，包括影响空调房间负荷的所有参数，如建筑物理参数、室外气象环境、室内环境参数以及建筑使用参数等。在运行阶段，由于空调运行负荷比空调房间负荷更为复杂，除了考虑空调房间负荷的影响因素之外，还应考虑到空调系统的热容量、时间延迟、运行调节以及建筑的实际使用等影响因素。
2、空调运行负荷预测研究的关键问题
2.1建模工作量大
对于每个建筑，应用能耗模拟软件建模要花费大量时间，输入大量参数，建模工作繁琐。并且，软件专业性太强，很难被运行管理人员所掌握，输入参数的细微差别也可能会导致负荷预测结果有很大差异。
2.2影响参数获取困难
建筑仿真建模需要输入大量参数，但在实际运行中很难获取所有影响因素。譬如，利用EnergyPlus预测能耗，气象参数需要20余种，在实际中很难实时测量这些数据。此外，在建筑的运行阶段，很多项目的设计图纸、技术资料存在丢失现象，由于设计参数不全，建立准确的仿真模型是非常困难的。
2.3预测与实际很难吻合。在仿真建模中，设计
者根据自身对问题的理解，进行了不同程度的假设和简化，会产生一定误差。例如，在模拟建筑曲面的时候，通常会“以直代曲”。此外预测数据为空调房间负荷，而不是空调运行负荷，没有考虑管网水蓄热造成的滞后、控制调节产生的延迟等问题，从而造成模拟结果与实际很难相符，很难达到运行调节要求。
3、空调运行负荷预测模型的建模方法
3.1时间序列法
空调负荷可以按一定时间间隔进行测量和记录，形成一个有序的时间序列集合。时间序列方法就是利用负荷时间序列建立数据模型，来预测建筑未来时刻的空调负荷，属于趋势预测法。传统的时间序列分析方法主要是基于线性模型的研究，将时间序列看成一个随机过程，对其进行概率数理统计，其理论与方法已基本趋于完善和成熟，可以分为平稳时间序列分析和非平稳时间序列分析两大类。平稳时间序列分析包括自回归模型（AR模型）、滑动平均模型（MA模型）、自回归滑动平均模型（ARMA模型）；非平稳时间序列分析包括差分自回归滑动平均模型（ARIMA模型）、季节模型（Season模型）等。
3.2人工神经网络
人工神经网络是模仿人脑神经网络进行学习和处理问题的智能信息处理理论，它由大量具有处理功能的神经元和连接神经元的权值构成非线性系统，可以实现与人脑相似的学习、记忆、识别等信息处理功能，能够解决复杂的、不确定性的、非线性的问题。
3.3组合预测法
由于传统预测方法和人工智能预测方法都有不足之处，为了尽可能地提高预测精度，国内外许多学者开始探究组合预测法，即采用2种以上不同方法建立负荷预测模型。
结语
建筑运行阶段空调负荷预测是空调系统优化控制的基础，是随着空调系统复杂化和节能减排的需求发展起来的，对实现空调系统节能运行有重要意义。运行阶段空调负荷预测与设计阶段负荷预测显著不同，预测对象并非是理论上的空调房间负荷，而是满足空调系统运行所提供的实际冷热量，因此影响因素更为复杂，预测精度要求更高。
【参考文献】
[1]张伟捷，王景刚，张杰.冰蓄冷空调系统预测控制理论研究[J].电工技术学报，2004，19（3）：88-93.
线性系统理论总结范文5
一、引言
《现代控制理论》（Modern Control Theory）是工科自动化本科的重要专业基础课程，在国内高校自动化及相关专业中已普遍开设。《现代控制理论》是本科课程《自动控制原理》的深化，又是研究生课程《自适应控制》、《线性系统理论》、《最优控制理论》、《鲁棒控制》等专业课程的基础[1]。因此，该课程在工科自动化专业课程中具有承前启后的地位，在工程教育的教?W改革中如何来提高该课程的教学质量显得尤为重要[2]。在工程教育研究中，CDIO教育理念模式近年来受到世界高等教育界的广泛关注[3]。CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）是本世纪初由麻省理工学院、瑞典皇家工学院等大学创立的面向未来卓越工程师的大学教学方法。CDIO教学方法的思想包括Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）四大要素，其强调工程教育应使得学生对工程应用具有充分把握，发展面向工程应用实际的综合能力[4-6]。《现代控制理论》作为一门典型的工科专业课程，是培养自动化领域未来卓越工程师必备的基础核心课程，具有CDIO涉及的工科课程特点，尤其适合开展CDIO模式的构思、设计、实现和运作理念课程建设。
二、工程背景下的现代控制理论教改
鉴于《现代控制理论》的工科特色背景，在教改实践中，可以现代控制理论工程应用案例为导向，在课堂中引入控制系统构思（Conceive-Control systems）、控制系统设计（Design-Control systems）、控制系统实现（Implement-Control systems）和控制系统运作（Operate-Control systems）等内容，将CDIO模式教学思想和方法渗透到课程的各章节内容，形成由学生“做中学”的知识获取模式。
1.结合工程实践背景，引入CDIO模式教学方法。根据CDIO模式注重设计、实现及运作的内容要求，教师可考虑在保证现代控制理论内容的严谨性和完整性的前提下，不求过多定理的理论推导证明，而是突出问题的工程背景和应用案例，强调贯串于各章论述中的控制系统应用案例的实现（例如倒立摆系统、自平衡机器人系统等案例）。教学中的理论阐述应力求严谨、易懂和简练。重点可考虑结合Matlab控制系统工具箱、Simulink、Automation Studio等自动化仿真平台及相关硬件系统，加强对学生的工程应用的培养，并要求学生独立完成有关工程案例的Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）的过程（CDIO），以达到巩固所学理论知识的目的。工程背景下的现代控制理论教改可考虑侧重现代控制理论的工程应用背景介绍，结合Matlab、Automation Studio仿真平台展示，让学生了解到该课程是分析与设计高质量和大型复杂控制系统的工程的理论基础，同时应了解计算机、人工智能等应用技术对现代控制理论发展的贡献。教师在授课时引入的主题内容包括系统的状态空间描述的建立与分析；能控性与能观性分析；系统稳定性分析与判断；状态反馈与输出反馈综合问题；最优控制问题；等等。按照由浅入深的原则首先介绍建立状态空间描述的两种方法，包括“机理建模法”和“传函实现法”。在建立状态空间描述后，教师展开基于状态空间模型的系统分析方法，包括状态空间模型求解、能控能观、稳定性分析等。在系统综合问题中，需突出理论与实际联系，并依据工程控制性能指标的不同，介绍常规系统综合应用与最优性能指标综合应用。在CDIO模式教改中，这种教学实践可以既使得学生掌握的知识具有系统性和连贯性，同时又面向工程实践应用。
2.优化CDIO实践教学内容，提升实验平台层次。在CDIO模式的教改实践中，教师可以在讲授《现代控制理论》的理论基础上，重点加强控制系统案例介绍，可基于Matlab和Automation Studio等自动化软件及相关硬件，以自平衡小车系统作为典型示例，加强CDIO模式下的实验平台的教学与建设，提升实验平台层次。倒立摆作为一种控制理论与工程的教学实验设备，是一个典型的不稳定控制系统，实现其稳定控制可采用多种控制理论方法，具有较强的趣味性，适合学生使用它来验证所学的控制理论。因此，倒立摆设备是进行现代控制理论CDIO模式教改较为理想的实验平台。根据倒立摆控制系统的实践教学要求，针对CDIO模式的运作能力培养目标，我们考虑采取针对学生特点的个性化实践教学培养模式。根据学生对课程知识掌握的深浅，在尊重学生个性、重视学生主体选择和个性差异的基础上对学生进行分类。依据学生对倒立摆控制系统的设计水平，把学生分成创新型培养目标群体、强化型培养目标群体和提升型培养目标群体。针对不同群体的学生提出倒立摆稳定控制的相应评价指标，设计梯度化的实验考核机制，实现不同层次学生的工程实践能力CDIO培养目标。
三、CDIO模式下的现代控制理论教改方案
考虑到学生特点和教学目标，教师可以CDIO模式培养大纲为引导，按照自动化专业本科生《现代控制理论》的培养要求，借鉴信息化和项目教学设计方法，实现“教、学、做”一体化的CDIO教学设计。CDIO模式下的《现代控制理论》教改方案具体如下。
1.在教改引入阶段。（1）借助Matlab、Automation Studio等自动化教学实践平台，展示倒立摆稳定控制效果，提高学生对学习《现代控制理论》课程的兴趣。（2）介绍课程的主要知识点，并以Matlab、Automation Studio实验仿真平台上实现倒立摆稳定控制为实践目标，让学生体会《现代控制理论》课程主要知识点的具体任务和知识点的相互关系。（3）依据学生的学习能力差异，按照优势互补、分工协作的原则组成研究学习小组，并安排倒立摆稳定控制仿真实验报告及评价方式等。
线性系统理论总结范文6
关键词:当代建筑理论;导向更新;发展轨迹;传统;创新
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
中图分类号:TU-021
文献标识码:A
文章编号:1008-0422(2010)08-0092-02
1引言
对我国现阶段的建筑理论,人们通常认识的不够全面,也难以摸清我国建筑理论的发展现状。究其根源,是由于我们基于自身文化的理论发展不够,没有正确的理论研究发展;而对西方的建筑理论又盲目推崇,忘记了建筑理论本土化的需求。由此造成了现在国内建筑理论体系混乱,理论发展滞后,理论难以指导实践。我们只有科学地认清当前的理论构成情况,才能对未来的建筑理论发展起到良好的指导作用。
2建筑理论发展的指导作用
2.1建筑理论对城市生活的引导作用
建筑的功能性要满足人们日渐丰富的日常文化生活,而不是简单的遮风避雨,工作休息,因此建筑师对建筑的理解不能单一的定位在一个固定不变的角度上,使人们不能充分地利用建筑本身构建自己的文化生活。[1]随着人们生活节奏的加快和对生活质量要求的不断提高,人们对包括建筑在内的生活元素的使用要求也越来越高,伴随着新技术的发展,建筑设计该何去何从?这就需要有正确的建筑理论来引导。
2.2建筑理论对建筑文化的引导作用
传统的“机器生产财富,建筑消耗财富”的思想,早已深入人心,并且还将长期的对人们的认知产生影响。[2]然而,当人们越来越多的认识到,建筑本身的欣赏性和功能性,使建筑兼顾了精神上的文化需求和物质上的使用需求。[3]针对同样的建筑功能要求,在相同的预算条件下,不同建筑设计师的设计创作对建筑精神价值的体现也大不相同。这就要求建筑设计师要在满足建筑功能需求的同时将无形的精神文化需求最大化地体现出来。建筑理论的创新可以很好的引导建筑创作去遵循地方文化,表现地方特色。
3中国建筑理论发展应回归传统,注重创新
3.1建筑理论发展应当回归传统
建筑风格是建筑文化的一部分,是建筑理论无法回避的元素。盲目追求建筑的形式美,过分的标新立异,使得近年来许多设计脱离了理论的指导;而任何脱离理论指导的设计实践都是茫然的,都不会是成功的设计实践。与此同时,建筑理论的研究,在极度繁忙的建筑设计市场面前被无情的边缘化了,理论的知识地位不断降低,人们对理论的认识存有成见。因此,建筑理论在中国回归传统内涵,更具有其特别的意义。提倡理论回归,就是要让社会的进步来不断触动理论的发展创新,让理论充满活力。设计的基本道理是相通的,但形式是变化无穷的。简单地回归到过往的基本原理,并没有实际意义;而中国和世界的建筑理论面临着众多的变革因素、现实问题乃至人类的生存问题,就要求我们必须要以前瞻性的思考来重新整合理论,使之回归到既能传承过往经验,又能解决现实问题,并不断进行自我更新的良好状况。
3.2建筑理论发展应当注重探索创新
传统的建筑理论研究重心,总是徘徊在诸如建筑构件等小问题上,如探讨屋顶采用何种形式,空间及色彩的安排和搭配等,将这些看似极具代表性的特点加以归纳,继而总结出一段时期或者某个特定区域内的建筑特色。相当一段时间以来,我国的建筑理论发展,更多是借鉴西方发达国家以及苏联的建筑理论研究成果,继而套用到我国的国情上来,谋求中西结合,继续发展。而基于这些理论所进行的建筑创作,套用借鉴而来的设计方法,在实践上就难免总是带有一定局限性,而且脱离了理论创建之初的背景基础也只能是模仿到“形似”阶段。[4]如果想要能够对过去的一段时期的建筑理论建立起充分的理解,想要在实践的基础上恰当地运用,就要寻求根源,不仅掌握形式上的特点,还要结合当时或当地的文化、民俗、伦理等各项人文因素,力求能够在“精神”的层面上深刻地理解建筑理论。只有这样,才能在理论继续创新和探索的路上不断发展。科学技术的进步,也为我们实现过去不可能完成的构想提供了条件,因此建筑与科技进步相结合的理论创新,将是一个庞大的理论发展体系,不仅是从建筑一个单一的领域,也并不是过去简单的建筑师实践,而应是多领域的,跨学科的综合探索。
4 当代中国建筑理论的发展趋势
4.1建筑理论向系统化方向发展
近来建筑界呈现出一种对建筑系统理论的依赖,从整个理论体系出发,例如建筑的流派,风格以及人体工程学,环境心理学等一切建筑理论体系内的相关理论。运用综合的系统理论看待建筑,可以更加全面,并升华建筑理论的范畴。系统论、信息论、控制论是20世纪40年代先后形成的科学方法论,它们是当代人类认识史上的里程碑,是人类科学成就达到的前所未有的新高度。[5]在国内,侯幼彬先生在这方面走在了前面。他认为建筑是高度复杂的非线性系统,需要从多角度,多层面来解读,而不是使用简单的,二维的非此即彼的处理方式。无论是进行建筑创作还是从事理论研究,都应该通盘考虑,把握大局,从多角度出发,全面系统地思考设计问题,解决矛盾。邹德侬先生也提出了建筑理论向系统化方向发展的观点,他勾勒出的建筑理论与建筑实践的双峰图(图1),便很好地表达了各种创作元素之间相互影响相互制约的关系。框架以基本理论为基础,左侧是建筑理论创作的发展,右侧是建筑创作实践的进步,两者都以相近的史学观点与设计理论为基础,交互共生,协调发展。
4.2建筑理论向广义建筑学方向发展
广义建筑学是一种新兴的建筑观,并演变成为当前甚至以后整个建筑业的发展方向。广义建筑学是将建筑学、地景学和城市规划学的理论基础有效地整合为一个整体,对建筑的本真进行综合性的追寻。将规划建设、新建筑的设计、城市历史环境的保护、原有建筑的维修与改建等问题,纳入一个动态的循环体系中,是广义建筑学的一项重大使命。同时,广义建筑学也有着鲜明的“本土化”特性,植根于当地的文化根源,结合外来的精华,从而加快当地建筑行业的持续性发展。清华大学吴良镛先生较早地提出“广义建筑学”的概念,他所倡导的人居科学理论,对建筑学的发展和变化进行了广义的诠释(图2)。他认为人类的聚居环境除人工环境外,也应当包括自然环境和社会环境,因此建筑学的概念也应该是广义的,想要深入地研究,就不可避免地要涉猎到众多互相联系的学科群。要同时考虑到自然科学、环境科学,以及人文科学等诸多学科之间的联系,把建筑的问题放到复杂的巨系统里观察分析,力求全面高效的解决问题。
广义建筑学概念里所定义的建筑师,应该是一个出色的综合协调者,他的工作应该是负责协调与建筑物有关的各种形式,解决技术与社会经济等方方面面的问题,无论是小到房屋街道的改造,还是大到城市的发展与规划。而且广义的建筑学将涵盖比单体建筑更加广阔的范围,所以建筑理论的发展必须要做到统筹兼顾。当然这并不是说要求建筑师成为无所不能的专家,而是需要建筑师加强自身修养,扩大知识面,寻找问题的结合点,提出问题解决问题,这样不断实践才能进一步促进建筑理论的发展。
4.3建筑理论应当寻求中国特色的表现
系统化的建筑理论观点所不可回避的问题是,建筑设计的创造性思维是非线性的,是不容易捕捉到的,它们很难被定性观察,也很难用相对严谨的系统论来阐释;而广义的建筑理论由于是正在发展中的科学,而且它涉及到不同阶层的社会利益,兼顾到各种矛盾冲突,在学术上要取得进一步发展一样很困难。
当代前沿学科交叉渗透,相互融合的进程在逐步加快,建筑理论的发展需要用新的思维方式来面对新的局面。张钦楠先生曾经说过,工程学是技术学的分支,它的理论是具有全球性和普适性的;而建筑学则同时涉及技术科学和人文科学两个方面,因此它的理论就既有全球性和普适性的一面,也应该具有民族性和地域性的一面。最近几十年来,我们的经济有了较大发展,建筑创作的环境也有了很大改观,建筑市场生机盎然。而在追求四个现代化目标的过程中,一切向发达国家看齐,已经让建筑界的面貌有了较大改观。但我们必须注意到,这其中大量的建筑设计作品往往只是注重对建筑形式的刻意模仿,知其然而不知其所以然。要知道西方的建筑体系是经历过了不同的发展阶段,通过长时间的实践与自我完善才达到今天这样的水平。西方的建筑理论内容已经非常丰富,也达到了一定的深度,但是这并不意味着可以拿来照用,因为它们未必适合中国的建筑发展,也不可能给我们提供现成的答案。中国的建筑理论发展,必须要顾及到中国的地域文化特色,在调查研究的基础上认真思考分析,不断实践不断反思,才能真正有所作为。用早日实现建筑界的现代化为借口,盲目建设,不考虑自然条件与经济局限,一味追求高大全的建筑形象,这种做法是万万不可取的。
建筑理论的创作,应该体现出在工程建设基础上的人文关怀,它不但应该能够指导我们改善人居环境,实现社会可持续发展,增进与城市规划相融合的多层次的理论建构;同时也应该是强调民族地域性,不断彰显个性的创作历程。
5结语
我国的建筑理论发展滞后,究其原因,受两个方面的影响较多:一是我国既有的建筑理论发展缺失,一直缺乏比较系统的建筑理论研究;二是盲目引进西方建筑理论,习惯于生搬硬套。自有的建筑理论不完善,外来理论又很难本土化,两种因素综合作用,就直接导致了建筑理论发展的严重滞后。
20世纪人类建筑学取得了巨大发展。要让建筑理论在新世纪里不断发展,就必须把现有的成就整合起来,回归基本的理论,并以此为出发点,不断创新。从这个角度来分析,符合中国国情的建筑理论发展过程,正是应该不断整合,不断吸纳新知识,不断自我完善的过程。
参考文献:
[1] 周浩明.生态建筑――面向未来的建筑[M],北京:清华大学出版社,2009:12-13.
[2] 顾孟潮.中国建筑评析与展望[M].天津:天津科学技术出版社,2009:23-24.
[3] 石照.广义建筑学.北京:清华大学出版社,2009:45-46.
