先进过程控制及其应用期末课程总结论文（精选五篇）

第一篇：先进过程控制及其应用期末课程总结论文

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

图1 软测量模型 [5]建立的混合模型。

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，C和q组成广义被控对象G。继续按照二阶系统进行镇定，控制器选择PD控制器，取1P阻尼系数为=0.7，经计算，广义的被控对象为：Gp然后设计IMC_PID控制器。

2550 2s70.64s2550s270.64s2550首先取广义被控对象的逆，G,这是一个二阶的环节，为了构造

25501pIMC_PID控制器，再次引入一阶滤波器：fs11s，式中的为滤波常数。

则内模控制器为：GIMCs270.64s2550 Gfs25501+s1P然后按照标准反馈控制的控制器进行整理：GCsGIMCs1GIMCsGps

可得GcsKp170.6411Tdss Tis2550s2550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=0.05；仿真效果如图3所示。

图2

系统仿真框图

u=0.05u=0.1 1响应1响应0.5PIDIMC-PID0.511.5时间0.522.53 00

0 021.5响应0.51时间1.52PIDIMC-PID2.53 21.5响应u=0.05u=0.110.50 00.511.52PIDIMC-PID2.53 10.50 00.511.5时间2PIDIMC-PID2.53 时间

图3

系统单位阶跃响应

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：自然辩证法期末课程总结论文

论人与自然的协调发展

摘 要：自然界是人类社会生存发展的基础，人类在探索自然和改造自然的过程中逐渐认识自然，形成了自然观。随着科技的不断发展和文明的进步，自然观也在不断演化、不断丰富。人类凭借科学技术所提供的巨大生产力，创造了辉煌灿烂的物质文明，但也导致了全球性的生态危机。面对这个残酷的现实，人类必须树立科学的自然观，谋求可持续发展之路，实现人类更美好的未来。

关键词：自然观；生态文明；可持续发展

引言

由于人类生存发展都要依赖于自然界，因此要适应自然、改造自然就必须去认识自然。自然观就是人们对自然界的总的看法，是世界观的重要组成部分。随着科技的不断发展和文明的进步，自然观也在不断演化、不断丰富。由于早期人类对自然的认识不够全面，因此自然观也是片面的，人类创造了辉煌灿烂的物质文明的同时也导致了全球性的生态危机。随着唯物辩证主义自然观的确立，人们也逐渐意识到人与自然是相互依存的统一整体，因此必须树立科学的自然观，谋求可持续发展之路，实现人与自然的协调发展。

一、自然观的创立

自然观是人们对自然界的总体看法和根本观点，它随着科技发展和文化进步而不断演化。它旨在对自然界的存在方式、演化方式以及人和自然的关系作出唯物辩证的说明。现代自然科学的发展，尤其是20世纪中叶以来科学认识的进步，为丰富和深化我们对自然界的哲学认识提供了现实的可能性。辩证唯物主义自然观是人类自然观演化到现阶段的积极成果，并不断地吸收现代科学技术发展的最新成就来完善自己。

1自然观的由来

唯物辩证主义自然观、科学技术方法论与科学技术社会观构成了自然辩证法的三个部分。人们对自然界的总的认识大体包括人们关于自然界的本原、演化规律、结构以及人与自然的关系等方面的根本看法。自然观是人们对整个世界认识 的基础，因而任何一种系统的哲学必然包含与之相适应的系统的自然观。

在人与自然的关系中，人不只是消极地适应自然，还积极地作用于自然界。在这一相互作用过程中，人们形成了对自然界本质的认识。因此，自然观既不像唯心主义所说的那样，只是人的思维的自由创造；也不像机械唯物主义所说的，只是思维对自然界的消极反映。构成自然观基础的是人所引起的自然界的变化，而不只是自然界本身。

任何时代的自然观都是在一定的历史文化背景下形成的，尤其与当时的自然科学发展水平密切相关。反过来，它又对自然科学有着这样或那样的影响。在历史上，最先出现的是神话形态的自然观，进入阶级社会以来,唯物主义自然观与唯心主义自然观的对垒日趋明显。唯心主义自然观经历了不同的发展阶段。唯物主义自然观大体经历了三个大的发展形态。在古代，人们基本上把自然界看作是一个普遍联系、不断运动的整体，由此形成朴素的自然观。近代科学深入自然界的各个细节进行孤立静止的考察，由此产生形而上学自然观。现代科学则日益广泛地揭示了自然界的各种联系，从各个不同的角度发展着辩证唯物主义自然观。这一科学的自然观对整个自然科学和哲学日益发挥着积极的作用。

2自然观的客观性

一般说来，人类是在广义和狭义两个层面上来理解自然的。广义的自然是指包括人类社会在内的由各种物质运动形式和存在形式所构成的宇宙世界。它在时空上是无限的，是一个自组织、自演进的巨大的系统。而狭义的自然是指人类栖居的地球，它是自然生态状况以及维持地球生存与发展的各种自然条件的总和。我们知道，尽管自然界的物质形态千变万化，纷繁复杂，但它们的背后都具有某种共同的本质属性，即物质性或客观性。也就是说，自然界的一切事物都是物质的，它们都存在于人的意识、感觉、精神之外，离开人的意识、感觉和精神而独立存在，并能为人们的感觉和意识所反映。世界的客观性这一命题已为人类社会的科学实践所证实。马克思主义哲学在自然观上也明白地指出：自然界是客观的。不仅宇宙间各个天体的形成与变化是客观的，而且生物的产生和进化也是自然界长期发展的结果，同时人类的产生也是自然界长期发展的结果。不仅自然界先于人和人的意识而存在，而且人类产生之后，自然界的存在与发展也是不以人的意识为转移的。只有承认自然界的客观性，我们才能正确处理好人与自然的关系。

二、自然观的历史发展

在不同的时期、不同的地域和不同的文化背景下形成了不同的自然观，因此自然观随着科技的发展和文明的进步而不断演化。

1.古代自然观

1.1原始社会的科学技术与自然观

在原始社会，由于生产力水平极为低下，科学技术处于萌芽状态，因此也只有神话和原始宗教自然观。工具的发明，火的利用以及原始种植技术和原始的畜牧技术都是人类的巨大进步，这也是最初的科学技术，也逐渐形成了以几条大河流域为主的原始农业文明。在人类与大自然作艰苦斗争的过程中，生产工具和生产技艺不断进步，人类对自然界的知识也在不断积累。

在原始社会，人类就已经在生产实践中逐渐积累的自然界的知识，这些知识是以神话和原始宗教的形势存在。到公元前5000年,在尼罗河、幼发拉底河和底格里斯河、印度河、黄河流域,先后兴起了辉煌的古埃及、古巴比伦、古印度和古代中国文明。在这些文明古国中,神话或宗教占据了人们文化生活中的大部分。在埃及盛行太阳神和俄塞里斯神的神话及其崇拜的原始宗教活动;在巴比伦盛行各种人格神如太阳神夏西马、风雨神恩利勒、女神伊西塔和瘟神苏美尔等的神话和崇拜活动;印度则有管理宇宙的伐楼那神和为人类造福的因陀罗神;在中国,则有诸如土地神、风神、雨神等自然神的种种神话传说和崇拜活动。

1.2奴隶社会的科学技术与自然观

大约从公元前4000—前2000年,人类进入青铜器时代,步人有文字记载的文明史,同时从原始社会过渡到奴隶社会。公元前8世纪,爱琴海地区形成了古希腊文明,成为西方科学和哲学的发源地。与此同时,古代中国进入春秋战国时代出现了诸子百家争鸣的局面,与古希腊文明交相辉映。它们成为东西方古代奴隶社会文明的典范。在自然观上东西方具有相似性。在西方，古希腊的天文观测已达到了较高水平，毕达哥拉斯提出了地球的概念。欧式几何开始逐步发展壮大。阿基米德发现了杠杆原理和浮力定律。在东方，人们制订了精确的历法，出现天干地支记录。同时，中国的医术在此期间也得到了极大发展。农业技术、冶炼、丝织、陶瓷技术都达到了较高水平。古希腊的哲学家较关注对自然界本质和规律的研究爱，形成了自然哲学。出现了早起的唯心主义和二元论，以及出现了原子论，其观念至今被保存下来，构成影响深远的原子论传统。中国古代的哲学更注重社会问题和人际关系。出现了《周易》记录的八卦说，这是一种朴素的唯物主义思想。还有《尚书》的五行学说。

由于受当时生产力和科学技术水平的限制，古代的自然观带有直观性和猜测性，不能做出科学的解释，因此难以抵挡唯心主义的攻击。

1.3封建社会的科学技术与自然观

在此期间欧洲正值政教合一的黑暗时期，在宗教神学的禁锢下。自然科学不能违背圣经教义。亚里士多德的物理学、托勒密的宇宙模型后来都被经院哲学家用来论证神学自然观而取得了权威地位。中国相对欧洲而言取得了一些可喜的成就。在农业方面，农业生产积累了大量经验，如著名的《齐民要术》等著作。在医学方面出现了李时珍、张仲景孙思邈等一大批大成者。中国出现了四大发明对世界的文明发展起到了极大的推动作用。

这一时期的自然观主要是欧洲中世纪的神学自然观，本质上是一种用宗教神学理论解释自然界的唯心主义自然观。

2近代机械唯物主义自然观

2.1近代科学的兴起与古代自然观的衰落

欧洲中世纪末期，正统的神学观念遭到怀疑。唯名论与唯实论之间的争论加速了基督教神学的衰落。中世纪西欧经济、社会与科技经过缓慢的发展，到十四世纪末十五世纪初，资本主义生产关系开始在封建社会内部萌芽。一些新技术得到发展。中国伟大的四大发明也传到欧洲，工商业得到初步发展。随着新航路的开辟和欧洲殖民国家的海外扩张，极大的刺激了欧洲商业、矿业、冶金、机械、钟表、纺织、造船、等工业的发展。与此同时，欧洲还兴起了著名的“文艺复兴运动”和“宗教改革运动”。这逐渐使得宗教逐渐失去了统治地位。

近代科学的诞生是以哥白尼的《天体运行论》的出版为标志的。在这部划时代的著作中，哥白尼提出来日心说，认为地球既不是一个静止不动的天体，也不在宇宙的中心，他只是一个普通的行星，既有自转的周日运动，又和其他行星一样有公转的周年运动；太阳才是宇宙的中心，天体的视运动实际上是地球和其他 行星绕太阳做符合运动的结果。哥白尼的学说史人类思想上的大事件，推翻了1000多年的地心说的观念。在哲学意义上，标志着自然科学从神学的禁锢中解放出来，因此宗教神学的自然观逐渐被人们抛弃了。

2.2近代机械唯物主义自然观的形成

16到18世纪上半叶，是近代自然科学发展的第一个时期。在这个阶段，自然科学的主要工作是搜集、积累材料。除了经典力学发展成熟外，别的学科进展都很缓慢。物理学除了光学，热、电、磁等方面只是初步的研究，化学也刚刚起步，地质学还没有从矿物学中分离出来，生物学也是对动植物的初步认识。牛顿力学解释机械运动获得了巨大成功，使人们用力学的观点去说明一切自然现象，把一切运动形式都规划为机械运动，因为形成了近代机械论的自然观。

近代机械唯物主义自然观具有以下基本内容：机械论、外因论、量变论、绝对时空观和绝对运动观、机械决定论。此时分析法占据了主导地位，并被从自然科学中移植到哲学中，造成了近代形而上学的自然观：把自然界的事物看作是孤立的、静止的，本质上不变，造成了近代自然观的形而上学性。

2.3近代唯物主义自然观的作用和局限性。

近代机械唯物主义自然观在人类认识史上起过进步作用。在经典力学基础上形成的近代自然观，以比较成熟的科学理论来解释自然现象，克服了古代自然观的直观性、猜测性。近代自然观以物质的原因来解释自然界，恢复了唯物主义的传统，在于宗教神学自然观的斗争中起到积极作用。而且与近代自然观相联系的分析方法，对于近代自然科学的建立和发展起到了重要作用。

近代机械唯物主义自然观也有其局限性。首先是机械性，用机械运动代替一切形式的运动，对新出现的无法解释的新现象则陷入困境。第二就是形而上学性。近代机械唯物主义自然观割裂了自然界的普遍联系，把自然界看作是本质上绝对不变的。这种形而上学性严重束缚了自然科学家的思想，阻碍了自然科学的进一步大战。最后是不彻底性，由于近代机械唯物主义自然观的机械性和形而上学性，缺少辩证思维，不能理解自然界的辩证本性，在一些根本问题上最终无法坚持唯物主义而导向唯心主义，向唯心主义和宗教神学妥协。

3辩证唯物主义自然观及其发展

3.1辩证唯物主义自然观产生的历史必然性 18世纪下半叶到19世纪，由于蒸汽机的应用，欧洲经历了工业革命，实现了由手工工业到机器大工业的转变。资本主义经济的发展又促进了自然科学的进步，使近代自然科学开始进入到系统的整理材料和上升到理论概括的阶段。辩证唯物主义自然观的确立只要有如下自然科学背景：

(一)发展演化思想的确立

在僵化的形而上学自然观的上打开第一个缺口的是康德1755年提出的关于太阳系起源的星云假说。拉普拉斯用完善的数学，描述解释了太阳系的稳定性问题，并重新提出星云假说、光谱分析法发明后，人们对恒星的组成元素和演化阶段的研究成果证实了天体的演化。在17世纪，由于显微镜的发明和应用，人们对生物的认识逐渐深入到围观领域。施莱登和施旺等人提出了细胞学说。英国生物学家达尔文根据大量的地质学、生物学、解剖学、胚胎学等方面的资料，特别是在他环球考察及研究家养动植物所获得的资料，经过艰苦研究于1859年发表《物种起源》一书，提出了以自然选择为核心的生物进化论。人们对自然界的认识、发展和演变越来越成为新的自然观的主题。

(二)普遍联系观点的确立

19世纪，自然科学经过长期的知识积累，开始呈现理论化和综合化的趋势。自然科学的各个领域都出现了突飞猛进的发展，出现了前所未有的繁荣局面特别是物理学两大理论综合，深刻的揭示了自然界的普遍联系和发展的辩证法。

能量守恒与转化定律的发现，找到了物质各种运动形式之间的联系和转化规律，伟哲学上运动不灭原理以及运动形式相互转化的原理提供了自然科学的基础，正如恩格斯所指出的：“自然界中一切运动的统一，现在已经不再是一个哲学的论断，而是一个自然科学的事实了。”而电磁转化理论的建立，揭示了电、磁、光的统一性，实现了人类对自然界认识的又一次伟大综合。化学及其他自然科学领域，也都有了重大突破。在新成就面前，是的机械自然观得以确立的那些前提条件土崩瓦解，新的普遍联系的自然观逐渐形成。

3.2辩证唯物主义自然观的基本内容与特点

从18世纪下半叶到19世纪，自然科学突破了经典力学的局限，进入了一个人全面发展的时期。在天文学、地质学、生物学、化学、物理学等各个学科所取得的一系列理论成果。辩证唯物主义自然观的基本内容有：其一，物质观。自然 界是物质的，而物质的邢台市无限多样的。其二是运动观。质是运动的，运动在量上和质上都是不灭的；自然界是普遍联系和永恒发展的。其三时空观。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时空是无限的。其四是规律观。物质在时空中的运动是有规律的。

唯物辩证主义自然观与以往的自然观相比有一下特点：首先，辩证唯物主义自然观将自然、人和社会统一起来，看成是一个统一的自然历史过程，遵循着统一的客观规律，用彻底的唯物主义原则把它们作为统一的物质世界加以考虑。其次，辩证唯物主义自然观不仅强调自然、人与社会的统一，把人和社会包含在自然的概念中，而且还从人与自然的对象性关系出发，在对自然的理解中加入了人的主题性因素，阐发了人化自然的思想。最后，辩证唯物主义自然观不断概括自然科学的新成绩会，把自然观建立在现代自然科学的基础上，不断的丰富和发展。

3.3辩证唯物主义自然观的不断丰富与发展

19世纪末20是基础物理学革命的成功，时间里了以相对论和量子力学为支柱的现代物理学理论体系。这场革命彻底地动摇了近代机械唯物主义自然观的基础。之后以物理学为先导，不断涌现出新的学科，现代科学技术的发展，进一步解释了自然界辩证本质，并在更深的层面上丰富发展了唯物辩证法。

4小结

从古到今，随着人类认识水平的提高，科学技术的不断发展，人类的自然观也在不断的变化。最早的神话故事和原始宗教到如今的以唯物辩证主义自然观为基础的现代自然观，都是人类不断深入揭示自然界本质的体现。因此，它必将随着自然科学的进步和人们认识能力的提高而不断地丰富和发展。

三、可持续发展是人与自然协调发展的必由之路

人类凭借科学技术所提供了巨大的生产力，创造了辉煌灿烂的物质文明，极大的提高了人类的物质文化水平，但也导致了全球性的生态危机。人依赖于自然界而存在，自然界又受到人类的作用，因此人类必须树立科学的生态自然观，谋求可持续发展之路，实现人类更美好的未来。

1生态自然观确立的现实根源与科学基础

自20世纪中叶新技术革命以来，人类掌握了强大的科学力量和物质力量，物质财富大量涌流，生活水平普遍提高。然而，现代新技术革命所带来的并非全是福音，全球性的“生态危机”严重地威胁着人类的生存与发展。与此相联系，生态科学受到了人们普遍的关注，获得了迅速的发展。以生态科学为基础的生态自然观是当代人类对“生态危机”进行反思和对生态科学进行概括与总结的结晶。

生态自然观是对马克思、恩格斯生态思想的继承与发展，是在人类反思全球性“生态危机”的过程中和总结现代生态科学的最新思想成果的基础上形成的。生态自然观主张把人的角色从大地共同体的征服者改变成共同体的普通成员与公民，强调生态系统是一个由相互依赖的各部分组成的共同体，人则是这个共同体的平等一员和公民，人类和大自然其他构成者在生态上是平等的；人类不仅要尊重生命共同体中的其他伙伴，而且要尊重共同体本身；任何一种行为，只有当它有助于保护生命共同体和谐、稳定和美丽时，才是正确的；人与自然之间要协调发展、共同进化。

2可持续发展是实现生态平衡的必由之路

可持续发展一词来源于生态学，世界环境与发展委员会1987年在《我们共同的未来》的报告中正式提出了“可持续发展”的概念：“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。”可见，可持续发展就是要在人与自然和人与人的关系不断优化的前提下，实现经济效益、社会效益和生态效益的有机协调，从而使社会的发展活的可持续性。

可持续发展是一种全新的人类生存方式，实现可持续发展的基本思路要从导致全球性问题的主要因素中去寻找，主要从以下几个方面入手：

实现可持续发展的前提：转变思想观念。传统的思想观念由于片面强调人对自然界的能动性一面，而忽视人对自然界的受动性一面，其结果是导致对能动性滥加发挥。人不是自然的主宰者、统治者和征服者，而是自然的管理者、调控者和协调者。自然的崩溃就是人类的衰亡，自然的命运就是人类的命运。人与自然之友协同进化。协调发展才能实现可持续发展。

实现可持续发展的关键：发展科学技术。虽然科学技术的滥用是导致全球性问题的主要因素之一，但实现可持续发展还是离不开科学技术。首先，只有发展科学技术，才能唤醒人类的生态意识和环境意识。其次，只有发展科学技术才能探明并开发利用自然界所蕴藏的潜在资源。再次，之一发展科学技术才能创造出 新的替代材料。最后，只有发展科学技术，才能预防和控制对环境的破坏和污染，有效的治理和恢复已遭到破坏的环境。

实现可持续发展的根本：推动社会进步。发展科学技术固然重要，但不是万能的。大量事实已经证明不相应的进行社会变革、推动社会进步就难以从根本上解决影响可持续发展的问题。只有变革不合理的生产方式以及与此相关的社会制度，就成为实现可持续发展的一个必要途径。

实现可持续发展的保证：实现全球合作。全球性问题的一个重要特征就是超越国界、超越民族、文化、宗教和社会制度，任何一个国家都无力单独解决。全人类有共同的利益，必须同舟共济，建立新的全球合作伙伴关系，通力合作，保证可持续发展得以全力进行。

3小结

人类在改造自然的过程中也逐渐认识到人与自然是相互依存的统一整体，一味发展只能以损害生态环境为代价。只有正确看待人与自然的矛盾，正确的解决矛盾，才能实现人与自然的可持续发展。

结语

随着科学技术的发展，人类对自然界的辩证本质认识层面更加深远，形成了更加科学、完整的辩证唯物主义自然观。人类也逐渐意识到人以自然是相互依存的统一整体，不能以破坏生态平衡而换取经济的进步。唯有寻求可持续发展之路，从根本上改变人与自然、人与人不和谐的关系，就将使人类历史发生转折，社会向着更高的层次发展，实现人类的美好理想。

参考文献：

［1］秦志敏，自然辩证法概论[M],吉林：吉林大学出版社.［2］李桂花，自然辩证法概论[M]，北京：兵器工业出版社.［3］黄鼎成，《人与自然关系导论》[M]，湖北：湖北科技出版社.The coordinated development of man and nature

Name：Chen Yadong Student Number：S20130341

The Electric Information Engineering College

Abstract：Nature is the basis of existence and development of human society.Human beings gradually understanding the nature from the process that exploration of nature and remaking the nature, and form the conception of nature.With the development of science and technology and the progress of civilization, nature is evolving, constantly enrich.Human create the brilliant material civilization by science and technology provides enormous productivity, but also led to a global ecological crisis.Facing the cruel reality, human beings must set up scientific view of nature to seek the road of sustainable development for a better future for mankind.Key word：Conception of nature;Ecological crisis;Sustainable development

第三篇：过程控制总结

过程控制系统复习资料

第1章

 过程控制是指工业生产过程中连续或按照一定周期程序运行的生产和过程自动化。 过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。

 连续过程：稳态条件下连续完成生产任务的生产过程。 被控量：被控制的过程变量

 操作量：用来保持被控量等于或接近设定值的过程变量。 干扰量：能够影响被控量的过程变量。

 过程控制系统的基本要求：稳定性、准确性和快速性。 时域控制性能指标包括：衰减比、最大动态偏差与超调量、余差、振荡频率和调节时间、偏离度。

★过程控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控过程组成。 过程控制系统的分类：

按过程控制系统结构特点分类：1.反馈控制系统。2.前馈控制系统。3.前馈-反馈复合控制系统。

按设定值信号的特点分类：1.定值控制系统。2.随动控制系统。3.顺序控制系统。锅炉汽包水位控制系统是定值控制系统。第2章

 自衡：在原平衡状态出现干扰时，无需外加任何控制作用，被控过程能够自发地趋于新的平衡状态。

 无自衡：在原平衡状态出现干扰时，当没有外加任何控制作用时，被控过程不能重新到达新的平衡状态。

★建立被控过程的数学模型的目的：设计过程控制系统、整定控制器参数；指导生产工艺及其设备的设计；被控过程及新型控制策略的仿真分析和研究；工业过程的故障检测与诊断系统设计。

★数学模型的基本要求：简单、能正确可靠地反映过程输入和输出之间的动态关系。 过程建模的基本方法：解析法，实验辨识法，混合法 解析法：根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。

实验辨识法：根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计得出数学模型。

混合法：将机理演绎法和实验辨识法相结合来建立过程的数学模型。

★解析法建模的一般步骤：1.明确过程的输入变量、输出变量和中间变量。2.根据建模对象和模型使用目的做出合理假设。3.根据过程的内在机理，建立静态和动态平衡关系方程。4.消去中间变量，求取过程的数学模型。5.模型简化。 响应曲线法：指通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一个阶跃变化或方波变化，得到被控量随时间变化的阶跃响应曲线或脉冲响应曲线；根据输入-输出数据来辨识输入-输出之间的数学关系。

 脉冲响应曲线法：在正常工作基础上，给过程施加一个矩形脉冲输入，通过测取相应的输出变化曲线来估计过程参数。第3章

★过程控制研究的四大参数：温度、压力、流量、物位。 过程参数检测仪表通常由敏感元件和变送单元构成。

 检测仪表的工作特性：指能满足被测参数测量和系统运行需要而应具有的仪表输入/输出 过程控制系统复习资料

特性，主要通过量程与零点的调整与迁移来实现。 测量误差：可划分为绝对误差和相对误差。

 温度检测方法：按测温元件是否与被测介质接触，可分为接触式测温和非接触式测温。 流量：指单位时间内流过某一截面的流体数量。 物位指物料的高度，包括液位、料位、界位。第4章

★执行器：由执行机构和调节机构组成。

按使用能源不同，分为气动、电动、液动。按输出位移形式不同，分为转角型、直线型。按动作规律不同，分为开关型、积分型和比例型。

 执行器的执行机构和调节阀组合实现气开和气关两种调节。

 调节阀流量特性：介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。 调节阀的理想流量特性有直线、等百分比、快开、抛物线4种形式。

 选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全，给水阀应选气关式、燃气阀应选气开式。第5章

 同时具备点燃源、爆炸性物质、空气时，才可能产生爆炸。 引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源:电火花和热效应。 本安型防爆仪表必须限制能量，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内。★安全栅：安装在安全场所，是安全场所仪表和危险场所仪表的关联设备，一方面传输信号；另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的本安防爆性能。

 判断系统是否属于安全火花型防爆系统的充分必要条件：危险场所的仪表必须设计成安全火花型；安全场所的仪表与危险场所的仪表之间必须有安全栅，从而限制送往危险场所的电压、电流，保证进入危险场所的电功率在安全范围内。第6章

 PID控制原理：本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。

★PID控制参数整定：根据被控过程特性和系统要求确定调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间TD，使系统的过渡过程达到满意的控制品质。

 控制参数指标：系统瞬态响应ψ=0.75～0.9（衰减比n=4:1～10:1）。

★控制器参数整定的方法分为三类：理论计算整定法、工程整定法、自整定法。第7章

★串级控制系统主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。

 串级控制系统：是一种常用的复杂控制系统，可以有效改善控制品质。由两个或两个以上的控制器串联组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。

 串级控制系统的主要特点：1.对进入副回路的二次干扰有很强的抑制能力。2.能有效改善控制通道的动态特性，提高系统的工作频率。3.对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

 串级控制系统的应用范围：1.用于容量滞后较大的过程。2.用于纯滞后较大的过程。3.用于干扰变化剧烈而且幅度大的过程。4.用于参数互相关联的过程。5.用于克服被控过程的非线性。

 前馈控制系统：是按照引起被控变量变化的干扰大小进行控制的，在干扰出现时进行控制，在偏差出现前把干扰影响消除。过程控制系统复习资料

 大滞后过程控制系统：在被控过程的动态特性中，既包含纯滞后，又包含惯性时间常数T，若/T0.3，即为大滞后过程。

★比值控制系统分单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、开环比值控制系统。

★选择性控制系统是把工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统的一种控制方法。

 分程控制系统：将控制器的输出信号分段，去控制两个或两个以上的调节阀，以使每个调节阀在控制器输出的某段信号范围内全行程动作。第9章

 计算机过程控制系统：是计算机技术与工业生产过程相结合的产物，是生产过程自动化的基本内容。

 计算机过程控制系统的分类：单回路或多回路控制器、可编程序逻辑控制器、工业控制计算机、集散控制系统和现场总线控制系统。

 集散控制系统的通信网络：1.实时性强2.长时间的高可靠性3.高抗干扰能力4.网络结构的层次性和开放性

★现场总线：在过程自动化和制造自动化中，实现智能化现场设备与高层设备之间互连的、全数字、串行、双向传输的、多分支结构的通信系统。

 现场总线的特点：1.开放性2.互操作性3.智能化4.分散化5.环境适应性。

★计算机过程控制系统体系结构发展的三个阶段，集中控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统。第10章

 过程控制系统设计要求：安全性（最基本）、稳定性（前提）、经济性。

★被控变量选择中的直接变量：直接反映产品质量与产量，又便于测量的参数。间接变量：与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数。

两者的关系：1.尽量选用对产品的产量、安全稳定生产、经济运行等具有决定作用，并且可以直接检测的工艺参数作为直接变量。2.当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度。

 气动执行器的气开、气关形式选择：控制器输出信号为零或气源中断时使生产过程处于安全状态；在系统安全运行的条件下，综合考虑节能、控制便捷等因素。

 调节规律选择的一般原则：1.当广义过程的控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入D调节；当工艺容许有静差时，选用PD调节；当工艺要求无静差时，选用PID调节。2.当广义过程的控制通道时间常数较小、负荷变化不大且工艺要求允许有静差时，选用P调节。3.当广义过程的控制通道时间常数较小、负荷变化不大，但工艺要求无静差时，选用PI调节。4.当广义过程的控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈时，简单控制系统难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。

第四篇：过程控制知识点总结

绪论 气动控制：仪表信号的传输标准：0.02-0.1Mpa 电动控制：DDZ-2信号的传输标准：0-10mADC

DDZ-3信号的传输标准：4-20mADC 计算机控制:DCS、PLC（模拟量4-20mA、1-5V）

FCS（标准协议）稳定性指标：衰减比（衰减率）

准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量 快速性指标：调节时间（振荡频率）

第一章

1、被控对象：即被控制的生产设备或装置 被控变量－被控对象需控制的变量

2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。执行器接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。常用的是控制阀。

3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算，将结果输出至执行器。

4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。

稳态：系统不受外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况

动态：系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系统处于未平衡状态。过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。

过渡过程的形式：非周期过程（单调发散和单调衰减）；振荡过程（发散、等幅振荡、衰减振荡）评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快速性

稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。

准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。

快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表征的。

多数工业过程的特性可分为下列四种类型：自衡的非振荡过程； 无自衡的非振荡过程；有自衡的振荡过程 具有反向特性的过程

放大系数K对系统的影响：控制通道（放大系数越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小）。扰动通道（当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；）

滞后时间τ对系统的影响：控制通道（滞后时间越大，控制质量越差）扰动通道（扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的）工业过程动态特性的特点

（1）对象的动态特性是不振荡的

（2）对象动态特性有迟延。迟延包括容积迟延、传输迟延。（3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的（4）被控对象往往具有非线性特性

第二章

控制规律：控制器的输出信号随偏差信号的变化而变化的规律。

正作用控制器：y↑，u↑，故Kc为负；反作用控制器：y↑，u↓，故Kc为正 气开阀的增益为正，气关阀的增益为负

比例调节（P调节）动作规律：反应及时，超调量小，有差调节

比例度δ的物理意义：如果输出u直接代表调节阀开度的变化量,那么δ就代表使调节阀开度改变100%，即从全关到全开时所需的被调量的变化范围

δ越大：过渡过程越平稳，残差大，稳定性↑，调节时间↑。δ减小：振荡加剧，稳定性↓，残差小。δ减到某一数值时，出现等幅振荡，此时称为临界比例度 积分调节（I调节）的特点：滞后性、无差调节、稳定性差。

增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程．Ti愈小，积分部分所占比重愈大。

比例积分调节的动作规律：利用P调节快速抵消干扰，同时利用I调节消除残差

积分饱和现象：如果调节器能够随着输出的变化而变化，那么偏差e也就会逐渐变化，最后为0,但是如果由于某种原因(如阀门关闭，泵故障)被调量偏差无法消除，而调节器还是试图要校正这个偏差，因此积分项不停增大(绝对值增大)，经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和现象 微分调节总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用．适度引入微分动作可以允许稍微减小比例带，同时保持衰减率不变．微分调节具有超前作用。使用微分作用时，要注意以下几点：

（1）微分作用的强弱要适当：TD太小，调节作用不明显，控制质量必改善不大。TD太大，调节作用过强，引起被调量大幅度振荡，稳定性下降。（2）微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。

（3）PD调节器的抗干扰能力很差，这只能应用于被调量的变化非常平稳的过程，一般不用于流量和液位控制系统。δ越小（KC越大），比例作用越强；TI越小，积分作用越强；TD越大，微分作用越强；TD＝0，则为PI控制；TI＝∞，则为PD控制；

τ/T<0.2：选择比例或比例积分动作。0.2<τ/T≤1.0：选择比例微分或比例积分微分动作。τ/T>1.0：采用简单控制系统不能满足控制要求，应选用复杂控制系统，如串级，前馈控制等．

第三章

控制系统的控制质量的决定因素:被控对象的动态特性 整定的实质: 通过选择控制器参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，实现最佳的控制效果

整定的前提条件：设计方案合理，仪表选择得当，安装正确

IE（误差积分）简单，也称为线性积分准则，但是不能抑制响应等幅波动 IAE（绝对误差积分）：抑制响应等幅波动

ISE（平方误差积分）抑制响应等幅波动和大误差，但是不能反映微小误差对系统的影响 ITAE（时间与绝对误差乘积积分）：着重惩罚过度时间过长

常用的工程整定法有以下几种：动态特性参数法；稳定边界法；衰减曲线法；经验法 动态特性参数法（响应曲线法）整定步骤：

（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录下测量变送环节Gm（s）的输出响应曲线y（t）。

（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；（3）根据控制器类型与对象模型，根据经验公式选择PID参数并投入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整

稳定边界法（临界比例度法）整定步骤：

1)使调节器仅为比例控制，比例带δ设为较大值，TI=∞,TD=0,让系统投入闭环运行.2)待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程．此时的比例带为δcr，振荡周期为Tcr 3)利用δcr和Tcr值，按稳定边界法参数整定计算公式表，求调节器各整定参数δ,TI, TD 衰减曲线法整定步骤：

1)使调节器仅为比例控制,比例带δ设为较大值,TI=∞,TD=0,让系统投入运行.2)待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应．若系统响应衰减太快，则减小比例带；反之，若系统响应衰减过慢，应增大比例带.如此反复, 直到系统出现4:1衰减振荡过程或者如图b所示的衰减比为10：1的振荡过程时.记录下此时的δ值（设为δs），以及Ts值（如图a中所示），或者Tr值（如图b中所示）。

经验法： 简单可靠，能够应用于各种控制系统，特别适合扰动频繁、记录曲线不太规则的控制系统；缺点是需反复凑试，花费时间长。

临界比例度法：简便而易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统；但对于临界比例度很小

衰减曲线法：优点是较为准确可靠，而且安全，整定质量较高

第四章

1、启动调节阀的执行机构的正反作用形式是3 如何定义的？在结构上有何不同？

正作用:信号压力增加时，推杆向下移动(ZMA)；反作用:信号压力增大时，推杆向上移动(ZMB)。正作用的执行机构：控制器输出增加，阀杆下移。反作用执行机构：控制器输出增加，阀杆上移。

2、调节阀的流量系数C是什么含义？如何根据C选择调节阀的口径？

流量系数C:在给定行程下, 阀两端压差为0.1Mpa, 水密度为1g/cm3时, 流经调节阀的水的流量, 以m3/h表示(体积流量)。流量系数是表示调节阀通流能力的参数。它根据流量、阀两端的差压和流体的密度等确定。是选择阀门口径的参数。调节阀口径选定的具体步骤：确定主要计算数据：正常流量Qn，正常阀压降△pn，正常阀阻比Sn，运行中可能出现的最大稳定流量Qmax

3、什么事调节阀的结构特性、理想流量特性和工作流量特性？如何选择调节阀的流量特性？

调节阀的结构特性：阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系。理想流量特性：在调节阀前后压差固定(△p=常数)情况下得到的流量特性。工作流量特性：调节阀在实际使用条件下，其流量q与开度l之间的关系．此时阀压降不是常数.选择调节阀的流量特性是：1.从改善控制系统控制质量考虑。2.从配管状况(S100)考虑。

调节阀的作用:接受调节器送来的控制信号,调节管道中介质的流量(即改变调节量),从而实现生产过程的自动化．

调节阀的分类：气动, 电动和 液动三类．

气动执行机构有薄膜式和活塞式两种．常见的气动执行机构均为薄膜式 阀(或称阀体组件)它由阀体、上阀盖组件、下阀盖组件和阀内件组成 气开阀：信号压力增加，流量增加；气关阀：信号压力增加，流量减小

阀门定位器的功能：定位功能；改善阀的动态特性；改变阀的流量特性；改变气压作用范围，满足分程控制要求；用于阀门的反向动作 阀芯形状有快开（灵敏度最差，很少使用），直线，抛物线（特性与等百分比接近）和等百分比四种。主要使用直线和等百分比两种。

直线结构特性的特点：①斜率在全行程范围内是常数。②阀芯位移变化量相同时,节流面积变化量也相同。③直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下：当流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。

等百分比结构特点：①曲线的放大系数是随开度的增大而递增的.。②在同样的开度变化值下：流量小时（小开度时）流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和.。流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效。③无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等的，流量变化的百分比是相同的.流过调节阀的流量的决定因素有:① 阀的开度。② 阀前后的压差。③ 所在的整个管路系统的工作情况。

调节阀在选型时应该注意以下几点：(1)选择调节阀的结构形式和材质。(2)选择流量特性。(3)选择阀门口径

第五章

1、试分析串级控制系统的特点，及其应用场合。

（1）副回路（内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；（2）由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化4 大、对控制质量要求较高的场合。

串级控制系统：就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。通用串级控制系统的方框图：见教材P107图5.11 串级控制系统具有较好的控制性的原因：1)在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统.其中主回路是定值控制，副回路是随动控制。2)副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响。3)副回路的引入, 提高了整个系统的响应速度,使其快速性得到了提高。4)串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力． 副回路的设计主要是如何选择副参数．其设计原则为：副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。主回路的主要任务是：满足主参数的定值控制要求。

副回路的主要任务是：要快速动作以迅速抵消落在副环内的二次干扰。共振现象：如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率，则副回路将呈现出很高的增益和较大的相位滞后，这时反过来将严重影响主回路的稳定性，从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象。

为避免共振现象，一般：Wd2>3Wd1；Td1>3Td2;一般选取：Wd2=（3~10）Wd1； Td1=（3~10）Td2 串级控制系统常采用的整定方法：逐步逼近法和两部整定法。常见的比值系统：单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统

比值控制系统：用来实现两个或以上物料之间保持一定比值关系的过程控制系统 教材P120公式（5-27）和（5-30）

第六章

1、前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈控制-反馈复合系统能较大地改善系统的控制品质？

反馈控制的特点 ：基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。

前馈控制的特点：(1)前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控制及时。(2)前馈控制属于开环控制系统。(3)前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器。(4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰

前馈－反馈控制的优点：1)增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。2)反馈回路的存在,降低了前馈控制模型的精度要求。3)负荷或工况变化时,对象特性也要变化,可由反馈控制加以补偿,具有一定的自适应能力

反馈控制系统的不足:在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果．(稳定性,准确性,快速性)前馈控制系统的不足之处: 1)静态准确性难保证 要达到高度的静态准确性, 需要有准确的数学模型, 精确的测量 仪表和计算装置, 而且, 模型中的系数也可能随运行条件而变化．

2)前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的,一种前馈控制作用只能克服一种干扰.3)属于开环控制，对被调量无检验

反馈控制的优点(PID控制)：①原理简单, 使用方便,不需知道对象的确切模型。②适应性强。③鲁棒性强, 控制品质对被控对象特性的变化不敏感

前馈控制与常规PID空制的比较：① 前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差。② 前馈控制超调量小。③ 前馈控制作用时间短。静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向．如料液没流量后，蒸汽也会自动关断．

静态前馈控制缺点：① 负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差。② 如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,就有可能出现残差.可以采用前馈控制的过程的特点：① 扰动通道和调节通道的传递函数性质相近② 如果有纯迟延，在数值上比较接近 第七章 相对增益的定义：令某一通道uj→ yi 在其它系统为开环时的放大系数与该通道在其它系统均为闭环时的放大系数之比，用λij表示。

第一放大系数 pij：在其它控制量 ur(r≠j)均不变的前提下，uj 对yi 的开环增益 第二放大系数 pij：在利用控制回路使其它被控量yr(r≠i)均不变的前提下，uj 对yi 的开环增益

相对增益与耦合程度：当通道的相对增益接近于1，例如0.8< λij <1.2，则表明其它通道对该通道的关联作用很小;无需进行解耦系统设计； 当相对增益小于零或接近于零时，说明使用本通道调节器不能得到良好的控制效果。或者说，这个通道的变量选配不适当，应重新选择；当相对增益0.3＜λ＜0.7或λ＞1.5时，则表明系统中存在着非常严重的耦合。需要考虑进行解耦设计或采用多变量控制系统设计方法。

第五篇：水污染控制课程论文

课 程 论 文

学 号： XX13020300XX 姓 名： XXX 专 业： 水利水电工程 指导老师： 朱亮老师 任课老师： 朱亮老师

水质水量联合调度研究现状与发展趋势

水质水量联合调度研究现状和发展趋势

XXX

（河海大学水利水电工程学院，江苏 南京

210098）

摘要：水资源短缺和水质恶化等问题是当前制约我国社会经济发展的重要因素之一，可通过水质水量联合调度方式解决我国当前水资源问题。介绍了水质水量联合调度的概念和重要性，简析了国内外水质水量联合调度的研究现状。针对现有的调度模型进行了分析，提出了水质水量联合调度中存在的水质水量相互影响考虑不足缺少统一有效的模型空间分配模型欠缺等问题，并对我国水质水量联合调度研究工作进行了展望。关键词：水质水量；联合配置；研究进展；调度模型 引 言

水资源短缺是制约经济社会可持续发展的主要因素之一，缺水很大程度上是由于资源得不到科学分配和合理利用所造成，因此加强水资源的管理调度是提高水资源利用效率的重要方向。水量调度管理是一个逐渐发展的过程，从最初的用水量控制为主到总量与用水效率并重。随着社会生活水平和工业化程度的提高，水质恶化逐渐成为缺水的重要原因，频繁发生的水污染事件使得环境质量降低，生态系统退化。从水务一体化管理的发展趋势来看，水量和水质的联合调度是未来水量调配和水污染控制的主要决策技术。

从配置的角度分析，水量和水质是水资源的二重属性，二者相互影响不可分割，不同用水对水量水质的要求不同，需要结合水质要求对水量进行分配。从污染控制的角度考虑，水资源开发利用影响水循环，进而影响到水污染的治理，因此污染控制应和水资源开发利用统一考虑才能实现流域水环境质量的根本改善，通过水质水量联合模拟的模型和方法，实现对区域水量和水质的联合调度，达到水资源利用与区域环境保护的双重目标。实现水质水量统一合理的配置，必将有利于水环境与生态的改善和保护，最终实现水资源开发利用的良性循环。

本文联系最新发展动态归纳总结了水质水量联合调度的具体概念，通过对国内外水质水量联合调度的研究现状发现现有的问题。并针对现有的调度模型进行分析，从而提出我国水量水质联合调度过程中存在的问题和急需改进之处。水质水量联合调度研究概况

水质水量联合调度的基本思路是：根据水资源管理的需求，水量水质联合调控的目标包括污染控制、水量配置和水生态保护。根据不同目标给出相应的控制方案，最后进行水量水质联合配置，形成总量控制方案，并进行方案后评估分析。2.1 国外研究概况

水质水量联合调度是指按照流域水资源综合管理的理念，以防洪安全保证为前提，以流域水生态功能目标需求为导向，依托各种水利工程或非水利工程调度措施，优化调整径流的时空分配特征，从而实现水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大化的一种水资源开发利用模式。按照调度目标指向可以分为以提高水环境容量改善水质状况为目标的水质调度和以保障环境流量为目标的生态调度，按照调度所依托的水工程类型可以分为水库（群）调度、闸坝（群）调度及流域综合调度，按照时段划分可以分为常规调度和应急调度。

国外对于水质水量联合调度的研究较早。从20世纪80年代后期，随着水资源研究中量与质统一管理理论研究的不断深入，国际上从单纯的水配置研究发展到水量、水质统一配置模型研究，从追求流域经济最优到追求流域总体效益最优为目标的合理配置研究，更加重视生态环境与社会经济的协调发展。

Afzal Javaid等人于1992年提出了针对某个地区的灌溉系统建立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行优化该模型能得到一定时期内最优的作物耕种面积和地下水开采量等成果，在一定程度上体现了水质水量联合调度的思想[1]。Lind.Owen.T等人，在2002年对查帕拉湖进行水质分析时，发现水质问题明显取决于水量，这就决定了水质水量问题必须统一协调考虑[2]。Gines.Munoz.J，2006提出将水质水量协调统一的方法用于解决水质有问题的大坝，建立系统评价模型决定大坝下泄水量等数据，该实例详细描

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水质水量联合调度研究现状与发展趋势

述了解决水质问题的方法[3]。Vink.S等人在2009年针对Bowen盆地进行的研究中，分析了水质水量中存在管理与被管理脱节的问题，而后者作为一个单独的环境问题正越来越明显，由此得出水质水量问题必须作为一个综合系统进行管理[4]。

综上所述，国外对水资源配置的研究从地表水和地下水的联合调度开始，在水量调度的基础上，逐渐将水质加入对水量调度的分析中在对不同的湖泊河流的研究中，发现了水质和水量之间存在着不可忽略的互相影响关系，得出了水质水量联合调度在水资源调度中的重要性针对不同河流湖泊的具体情况，国外学者综合考虑了水质水量的联合合理配置，也提出了解决相应问题的水质水量联合调度模型。2.2 国内研究概况

20世纪90年代，随着社会经济发展对水资源优化配置的需求变化，我国的水质水量联合调度研究逐步开展。在1996年，徐贵泉等研制出适应性较强的河网水量水质统一模型——Hwqnow模型，提出了调水改善水环境的措施，并应用于上海浦东新区河网水环境而进行的调水方案研究[5]。同年樊尔兰等在分析水库水温、水质与取水水位的基础上，建立了分层型水库水量水质综合优化调度的动态确定性多目标非线性数学模型，运用逐次逼近的逐步优化法对数学模型进行求解计算[6]。

张文鸽于2003年在《区域水质水量联合优化配置研究》中，以可持续发展为基础，以社会、经济、环境综合效益最大为目标，建立了区域水质水量联合优化配置模型。模型中考虑了社会目标、经济目标、环境目标的识别和度量方法，给出了三类目标的具体表达式[7]。在2004年，王好芳等则提出基于量与质的多目标配置模型，在水资源配置中嵌套了水质分析模型，为了使有限的水资源更为有效地发挥其使用价值，在其合理配置时应充分考虑水资源的水质，使不同水质的水资源尽量满足不同行业或用户的生产、生活需要[8]。

在2005年，郭新蕾结合岐江河及相关水系的实际情况，建立了相应的水动力模型，并与反映耗氧有机物的BOD5-DO水质模型相耦合，形成了水动力水质模型[9]。同年曹茜建立目标函数为绿色效益最大的水资源配置模型，将水质状况代入模型，构建了以水资源价值为基础的分质供水引导模式，初步实现了分质供水，实现了配置过程中水质与水量的耦合[10]。在2006年，吴浩云提出了水量水质一、二维模型耦合模拟的逐时段嵌套模式，建立了考虑供水保证、水质改善、防洪安全等多目标选择的优化调度模型，并以交互方式实现水量水质模型与调度模型间的耦合[11]。2007年，牛存稳在分布式水文模型（WEP-L）的基础上建立了流域水量水质综合模拟模型。该模型描述了不同点源和面源污染物的产生过程、入河过程及其在河道中的迁移转化过程，为水量水质综合调度提供了很好的工具[12]。

2010年，游进军等总结了水量水质联合调度的思路，提出根据不同目标给出相应的控制方案，最后进行水量水质联合配置，形成总量控制方案并进行评估[13]。2012年，朱磊等针对干旱半干旱地区的重度污染河流，建立了水质水量响应关系程序，对不同频率来水条件下的丰、平、枯水期的水质水量响应关系做了定量研究[14]。

综上所述，国内水质水量联合调度始于平原河网和湖库的水环境整治工作。在2003年全国水资源综合规划工作中，水资源数量与质量联合评价方法已作为研究的重点之一。2005年的第四届环境模拟与污染控制学术研讨会上，明确指出水质水量的联合配置和调度是水资源优化配置的研究方向。但“十二五”以前，国内对水质性缺水及水质水量联合配置研究还比较少，在配置过程考虑水质影响主要体现在分质供水思想，以水质作为约束条件来进行水资源优化配置。水质水量模型建立的研究

国外以水资源系统分析为手段，水资源合理配置为日的的研究始于20世纪40年代，随着大系统分析理论、数学规划和模拟优化技术等在水资源领域的应用，促进了水资源优化配置模型的不断发展。本文主要介绍以下几种配置模型：基于地理信息系统的水质水量联合配置模型、基于数值模拟的水质水量联合调度模型、基于生态经济学的水质水量联合调度模型。3.1 基于地理信息系统的水质水量联合配置模型

在对传统的流域水质评估方法的改进中，可采用地理信息系统（GIS）进行野外数据采集和水质水量模拟。该技术包含两个方面：①基于GIS的数据采集；②模型拟合。

基于GIS的数据采集是指通过便携式电脑、无线通信和互联网技术实现采集数据。模型拟合是指采用基于GIS的分布式模拟预测流域的水质和水量。这种模型的建立主要着眼于解决水质水量测量问题，通过

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水质水量联合调度研究现状与发展趋势

选择合适的野外站点，这种方案可以将各站点采集到的水质参数图形化，并将这些数据与当地的土地土壤类型和河流水文特征结合起来。这些成果形成的数据体系在各方面都较为全面可信，为水质水量的联合调度提供有利的条件。

3.2 基于数值模拟的水质水量联合调度模型

该模型针对水质水量模型优化的复杂性，对水质水量数值模拟的格式算法、优化调度的目标函数及约束条件、模拟与优化模型的协调衔接等关键环节，提出了合理可行的处理方法。该模型的目标函数为：

minFi1ni((Git)Cit)（1）

式中：n为分区数；i为第分区水质改善的权重系数；Cit为第t时段第i分区的水质控制指标；Git为第t分区第i时段的分水量；(Git)为第t时段第i分区引入Git水量时水质指标的状态响应函数。

模型的约束包括水量平衡约束、水质控制约束和工程控制方面的约束。在模型求解方面，可采用动态规划进行求解。在动态规划递推过程中，对每一组合策略需调用水量水质模拟模型进行浓度计算；递推与回代计算完成后，得到各分区分水方案。据此确定主要水工建筑物的运行方案，然后利用水量水质模拟模型进行模拟计算得到受水区控制点水量水质的分布状态，转入下一时段计算。如此循环，得到整个调度时段的配水方案。

这一模型适用于水资源空间分配上实现宏观调度与微观模拟的结合。但该模型只在时段内水量空间分配上实现了水资源的宏观调度与水量水质微观模拟的结合，还有待在整个调度期进行深化。3.3 基于生态经济学的水质水量联合配置模型

该模型以生态经济系统结构优化限制因素原理，由配置方案生成模型和配置方案效果评价模型组成，考虑生态经济系统的生态经济阈和水质水量联合配置可行方案拟定。该模型侧重于在生态经济学的指导下协调生态环境效益、经济效益和社会效益，因此是一个复杂的多目标模型。

为保证其可行性，借助多个模型组成的模型体系来实现，该模型体系分为成水质水量配置方案的核心模型和辅助模型两类。而在每个模型的建立中，由于水资源生态经济系统的社会效益和生态环境效益构成复杂，很多效益方面无法进行量化，也即定量的评价无法满足要求，需要有不确定性评价来做补充和完善。保证生态经济学的水质水量联合配置模型的优越性。现有研究存在的不足及解决途径

4.1 存在的不足

（1）水量调度和水质模拟的过程结合不足

目前，水质水量联合调度技术在流域中的应用较少，现有水质水量联合调度实践主要是以减污和环境流量控制的应用为主，或以水质为约束目标进行水量分配调度研究为主，即水质和水量的模拟存在机理层面的分离。且目前对水资源的调度分析主要是基于静态的水资源评价结果，未考虑人工水循环系统和天然水循环系统之间的动态作用关系，需对水量和污染负荷双重平衡关系进行交互式分析。

（2）流域整体调度研究尚显不足

现有水质水量联合调度研究主要集中于平原河网地区，侧重于利用水动力学模拟，在河网概化上提出对局部区域治理目标的应对措施。尚未考虑以流域整体为研究对象的调度方案，当上下游边界条件关系变化时，不能较好地揭示流域整体条件下水质水量之间的动态响应关系。

（3）宏观目标和微观控制措施之间缺乏有机的耦合关联

水资源管理及污染控制目标通常是以流域和区域为制定对象，但实际模拟过程中必须考虑不同类别措施的组合性影响。未来管理中需将用水总量控制目标与微观管理定额相结合、污染负荷排放总量指标与纳污能力条件相结合，这就要求更好地分析流域层面目标控制与模拟层面具体措施影响效应之间的作用方式和关联效应。

（4）缺乏对调度方案有效性评估方面的深入研究

水质水量联合调度的最终目的是寻求经济社会发展、生态环境保护、水资源可持续开发利用间的动态

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平衡，实现水资源综合效用最大化。由于水质和水量相关调度措施具有多样性，不同侧重的措施之间具有同向和异向的影响作用，同时对生态系统也具有不同影响。如何分析措施的综合效应，建立综合的调度方案费用效益评价体系和相应评估方法具有较大的研究空间。4.2 解决途径

针对上述问题，在实践中需对水资源水质水量联合调度做进一步改进和完善。（1）调度方案实施方面

现在的水质水量统一调度模型大多与计算机技术结合不够紧密，使得一系列的数学模型难以做到令决策者满意，这就阻碍了水质水量统一模型的应用和推广。因此，针对数学模型的局限性，可研究ES和DSS技术。对此类决策支持系统的研究，可以加大理论与实际的联系，加强数学模型在实际运用中的适应性。计算机技术在优化调度模型建立中的运用，也可以令调度方案更能适合环境要求和决策要求.（2）从流域层面综合考虑

从流域层面综合考虑水质水量联合调度的思路。根据水质水量联合调度的实践需求，流域调度越来越强调综合性管理需求。因此，须从“人工—自然”二元循环间的相互作用、流域的整体性、流域宏观层面的目标控制和流域微观层面的具体模拟等方面来综合考虑，以便更好地对流域进行水质水量的联合调度研究。

（3）完善水资源调度制度建设

依法、依规调度是保障水资源调度顺利开展的前提和基础。因此，要抓紧制定和完善水资源调度法规体系，依法规范调度程序、制度、手段，加强配套规章制度建设，增强水资源调度可操作性。对于应急调度要结合实际情况着手研究相应的管理办法，逐步规范调度，建立长效机制，使应急调度的管理方式趋于常规化。

（4）建立水污染防治新思路

将达标排放和总量控制结合起来，将污染减排和水量调控结合起来，进一步加强陆域污染负荷产生排放与水质日标的整体调控管理，加强水量和水质的整体调控，形成现代流域治理新理念。一方而，需要根据各个流域污染总量控制日标和流域经济发展结构特征，反推制定更为严格的行业排放标准及污水处理标准；另一方而，按照水量调控的要求，制定更为严格的行业和用户节水标准，同时按照水功能区的要求，适当调整水利工程调度运行规则，合理增加水环境容量

（5）加强动态监测和管理

提高水质水量监控管理水平，并将管理需求与监测点、断而的监控紧密结合，实现对污染负荷、排放和迁移转化的点线而立体监测。通过对水质水量总体调控的日标、可行手段和水环境量化评价关键因子进行模型标准化分析，提出基于分行业、涵盖点而源污染负荷的源头示踪分析技术，在机理过程分析和全而监测的基础上实现水环境不达标的溯源追踪，进而为污染动态监管提供支持

（6）开展水质水量联合调度关键技术研究示范工作

以协调“生产、生活、生态”用水为切入点，以在维持湖库河流主体功能基础上的河流生态基流保障、水体功能达标、水生态完整性保护为低、中和高日标，以流域水质水量联合调度模型为平台，以多类型水源开发利用、库群调度、闸坝调控等为手段，在流域控源基础上，结合河流流域水文水资源状况与水系湖库特点，钊一对重污染河流(段)和生态基流严重匾乏河流，发展水质和水量优化调配技术并开展示范工作。进而形成而向水生态完整性的环境流量计算技术体系，为环境流量适应性管理提供支持。结 论

本文联系水质水量联合调度的最新发展动态归纳总结了水质水量联合调度的具体概念，通过对国内外水质水量联合调度的研究现状发现现有的问题。并针对现有的调度模型进行分析，从而提出我国水量水质联合调度过程中存在的几点问题和并针对提出的问题提出了相应的改进与解决措施。水质水量联合调度与人们的生产生活息息相关，在进行建设或者改革的过程中，宣传教育是十分必要的，一定要充分调动人们的积极性，保护我们共同的水资源是每个人应尽的责任。

但由于水质水量联合调度尚在建设当中，各种模型技术都存在不确定性，本文的研究内容需要随着水改革的不断进行而加以深入。

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