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关键词： 污水处理控制   温室气体   氧化亚氮   数学模型   制浆造纸  

摘要： 随着“碳达峰碳中和”目标的提出,造纸污水处理过程排放的温室气体受到的关注逐渐增多,尤其是具有极高全球增温潜势的氧化亚氮气体（Nitrous oxide,NO）,开发集高出水品质和温室气体减排的先进控制系统已成为目前的行业趋势和研究热点。针对具有强温室效应的NO,本文构建了一个计算准确的NO排放动力学模型和提出了一种基于分层控制思想的NO减排优化控制方案,在实现出水达标的同时有效降低了NO排放量,为污水处理过程提供了一个方便且准确的NO核算方法,以及帮助解决了造纸污水处理厂面临的出水水质和NO排放的权衡难题。首先,以造纸污水缺氧/好氧（Anoxic/oxic,A/O）处理工艺为研究对象,通过对氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria,AOB）反硝化和异养反硝化工艺途径的建模,构建了NO排放动力学模型,并利用Matlab软件提供的标准化回归系数方法和非线性规划求解函数fmincon对模型参数进行了灵敏度分析和参数估计,实现了对模型的校准。采用国际公认的基准仿真1号模型（Benchmark simulation model no.1,BSM1）提供的进水数据和造纸污水数据对NO排放动力学模型进行验证,发现模型可以合理估计系统组分状态浓度和准确预测NO排放量。其次,通过文献调研和NO排放动力学模型,初步确定出水水质和NO排放的影响因素为:进水化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总固体悬浮物（TSS）、氨氮（NH）和总氮（TN）浓度、进水流量（Q）、生化池溶解氧（Dissolved oxygen,DO）浓度和内回流比。为了确定NO减排优化控制方案中的被控变量,利用Sobol指数法识别出水水质和NO排放的关键影响因素为:生化池DO浓度和内回流比。通过Spearman等级相关系数方法对影响出水水质和NO排放的因素进行相关性分析,排除非必要因素,将进水COD、NH和Q视为后续优化控制方案中出水水质和NO排放量软测量模型的部分输入变量。由于DO浓度和内回流比的Spearman相关系数存在较大误差,设计开环仿真实验,另外探究DO浓度和内回流比对出水水质和NO排放的影响规律。结果表明:曝气量（Ka,指代DO浓度）为40 d和内循环流量(Q,指代内回流比)为36892 m·d时,污水处理系统运行状况最优。然后,基于实际污水处理厂内回流比为恒定值的现状,将Q设置为36892 m·d,在NO排放动力学模型基础上提出了3种不同的DO浓度控制策略,分别为比例积分微分（Proportional integral derivative,PID）控制、模糊-PID（Fuzzy-PID）控制和反向传播神经网络-PID（Back propagation neural network-PID,BPNN-PID）控制,并采用造纸污水数据,设计有进水干扰和无进水干扰的2类仿真实验,评估控制器性能。仿真结果表明:无干扰情况下,3种控制器均具有较高的控制精度,但BPNN-PID控制器响应速度最快,上升时间仅为183 s;强干扰情况下,Fuzzy-PID控制器的总体控制性能最优,但是运行速度极慢,仿真运行时间为56.57 min;3种控制器对出水水质控制效果有限,不能使出水水质全部达标,但在一定程度上可以降低NO排放量。BPNN-PID对NO排放量的控制效果最好,跟开环仿真相比,减少了约31%的总NO排放量。最后,整合上述内容和信息,建立了一个分层的NO减排优化控制系统,即粒子群BP神经网络PID控制（Particle swarm optimization back propagation neural network-PID,PSOBP-PID）。具体实现方法为:通过PSO-BP神经网络算法构建出水水质和NO排放软测量模型,提供进水水质和DO浓度与出水水质和NO排放的关系,建立出水约束层;基于约束关系和DO浓度对出水水质和NO排放的影响规律,利用差分进化算法求解DO浓度优化设定值,建立优化设定层;使用BPNN-PID控制器对优化设定值实施动态跟踪控制,实现出水达标以及NO减排,建立跟踪控制层。与开环仿真相比,PSOBP-PID控制器成功使出水水质降到了规定限值以下,并减少了约34%的总NO排放量;与常规PID控制相比,也减少了约6%的总NO排放量。因此,PSOBP-PID控制方案是一种有效的NO减排控制策略,可以在出水达标的前提下,尽可能地减少NO排放量。

关键词： 立体旋流筛板   摇摆   并流   流型   压降   数学模型  

摘要： 海上天然气资源开发具有广阔的应用前景,而塔器作为气液两相传质的重要场所,在天然气预处理过程中具有不可替代的核心地位。在海洋环境下,位于浮动平台上的塔器设备总是处于摇摆状态,这会使塔内液体发生聚集、壁流;气体出现短路、干吹等现象,从而造成气液严重分布不均、接触和传质效率降低等问题。立体旋流筛板(Tridimensional rotational flow sieve tray,TRST)是一种新型的立体式塔板,其将旋流和穿孔流相耦合,在TRST的特殊结构作用和适宜的操作条件下,塔板内的气液两相呈显著的旋流状态。在面对海洋环境时,TRST或许可利用旋流产生的离心力来抵抗摇摆运动所产生的影响。为此,本研究将TRST吸收塔置于摇摆平台,对摇摆工况下气液并流模式TRST内部流动和压降特性进行研究,并与直立和倾斜工况进行对比。 通过观察和高速拍摄记录并流操作模式下TRST的流动特性,并结合压差标准偏差和压差波动信号的变化情况对TRST的流型和操作域进行定义与划分。发现TRST主要流型分为分层流、膜状-滴柱流、泡沫-栓塞流,其中,泡沫-栓塞流是较为理想的流型,其旋流效果明显。发生倾斜和摇摆时液体会向低壁面聚集,导致气液相互作用强度减弱,流型由泡沫-栓塞流向膜状-滴柱流和泡沫-栓塞流、膜状-滴柱流向分层流进行转变。在摇摆工况下,TRST流型具有液相周期性分布和流型周期性变化的典型特征,摇摆周期对流型影响较小。 测定了气液并流模式下TRST的压降,考察了气液通量、塔板安装位置和方式对压降的影响,并与直立和倾斜工况对比。结果表明:增加倾斜及摇摆角度干板压降略微下降。摇摆时的湿板压降介于直立和倾斜之间,受摇摆角度影响较大,基本不受周期影响。增大气量有利于抵抗倾斜及摇摆的影响,而增大液量会使倾斜及摇摆的影响作用加剧。整体上,塔板顺、逆向安装时的湿板压降分别在100 Pa和170 Pa以内,而逆向安装的变化率约为顺向的2倍,这是由于逆向安装下改变了气液流动方向,增大了能量损失。建立了气液并流摇摆工况下TRST的干、湿压降预测模型,相对误差分别在10%和15%以内。 本研究的相关结论可为TRST在海洋浮动平台等复杂环境下的工程应用提供数据支撑和理论依据,也可为传质设备如何克服和抑制海洋波动的影响提供借鉴和参考。

关键词： 含水率   谐振腔   介电常数   织物   数学模型  

摘要： 纺织业是我国消费品三大支柱行业之一,也是进出口贸易的主要支撑。在纺织行业“十四五”规划中,对未来纺织行业用能结构、能源和水资源利用效率提出了新的要求,这意味着纺织行业需不断创新技术,提升自身产品质量和生产效率。织物含水率作为纺织印染加工过程中的一项重要参数指标,会对产品的加工效率和质量产生影响。现阶段许多纺织企业仍存在依靠人工经验对织物含水率进行估算的现象,这使得含水率检测存在较大误差,从而影响后续生产加工。同时,在含水率检测中,由于织物种类和成分众多,现阶段织物含水率检测以标定法为主,缺乏通用性。因此,设计一种准确检测织物含水率的装置对纺织业走向绿色、智能化发展具有重大意义。以织物为研究对象,设计分离式介质谐振腔检测系统,研究不同介电模型对于不同种类含水织物介电常数检测的适用性以及染料浓度对含水织物介电常数检测的影响,具有一定的工程价值。本文完成的主要工作如下:（1）对课题的研究背景和意义进行阐述。列举国内外含水率检测方法,着重针对国内外谐振腔法物质含水率检测应用进行详细说明,最终对比分析各种检测方法,确定了检测精度高、速度快的微波谐振腔法作为实验研究方法。（2）针对不同类型微波谐振器的工作模式以及场分布进行论述,确定分离式介质谐振腔的工作模式为TE01δ模。针对含水织物的介电特性进行分析,为微波法实现织物含水率检测提供理论支持,同时也确定了分离式介质谐振腔工作时的谐振频率为10 GHz左右。建立含水织物介电模型,用于探究介电常数和含水率的关系。（3）利用ANSYS HFSS仿真软件,通过本征模求解和模式驱动求解对分离式介质谐振腔内部在TE01δ工作模时的工作频率和场分布进行仿真分析,最终得到满足设计要求的模型,通过厂家制得实验装置。利用经典电磁场理论对腔体内部场分布进行推导。（4）搭建分离式介质谐振腔含水率检测系统,设计实验方案,通过高温高压法浸染得到染料浓度不同的织物样品。利用含水织物介电模型对不同种类织物的检测结果进行拟合分析,发现多项式数学模型和指数模型拟合结果与实验测得的数据最为贴近,且指数模型的拟合度与涤纶纤维含量成正相关。研究不同染料浓度织物在不同含水率时的介电常数变化,发现含水率在0～40%范围内时,0～10%染料浓度对含水织物混合介电常数大小影响较小,为后续工程应用中对于布料微波法含水率检测提供借鉴。

关键词： 胶泥缓冲器   数学模型   动态特性   武器发射装置  

摘要： 武器发射装置对于国家安全有着至关重要的作用。随着武器威力的不断增强，发射装置的精准性、稳定性和隐蔽性也需要不断提高。缓冲器作为其冲击过程中的重要保障而被广泛应用。目前传统缓冲器设计并不能够在狭小空间下完成高速大容量的缓冲，因此本文结合某武器发射的实际服役工况特点，设计适用于短距重载的缓冲器系统，建立考虑粘弹特性的缓冲过程数学模型，进而对胶泥缓冲器进行结构参数优化和动态特性分析。本文主要工作内容如下：　　（1）针对传统缓冲器并不满足尺寸限制下的容量要求，对比不同类型缓冲器的缓冲性能，形成4种适用于短距重载的缓冲器结构设计创新方案。为了客观公正从这些方案中筛选出最优解，多角度构建评价指标体系，并基于AHP法建立缓冲器方案筛选的决策模型，据此选出满足缓冲工况要求的最佳新型双出杆式胶泥缓冲器设计方案。　　（2）分析双出杆式胶泥缓冲器的材料特性、储能和耗能特性，基于变刚度的分数Kelvin模型对胶泥缓冲器力学模型进行等效，建立缓冲过程的状态方程组，并通过MATLAB/Simulink平台搭建数值仿真模型，结合工况要求设计校核胶泥缓冲器关键零部件结构参数，并根据经验公式和有限元方法给出摩擦力与初始速度参数的计算方法。　　（3）采用Runge-Kutta算法对数学模型进行求解，并与静压试验、落锤试验数据对比，得到缓冲位移、峰值缓冲力、缓冲容量和缓冲效率的最大误差分别为1.52%、6.25%、1.50%、4.72%，验证了所建数学模型的正确性。最后针对落锤试验存在的不足，提出针对高速重载工况的气压冲击弹射实验方案，测试结果表明缓冲器在冲击速度18.7m/s时的最大缓冲位移为43.7mm，缓冲容量为857.17J，能够满足高速重载的缓冲工况要求。　　（4）对比分析冲击工况参数和关键零部件参数对缓冲器性能的影响，确定活塞杆结构参数为改善胶泥缓冲器缓冲性能的关键。以提升缓冲效率和降低峰值缓冲力为优化目标，基于模拟退火算法建立缓冲器结构参数的多目标优化模型，进而完成活塞杆左直径、钢筒内径和活塞厚度的优化设计。结果表明优化后的缓冲效率提升20.62%，峰值缓冲力下降6.71kN。最后根据有限元模型完成胶泥缓冲器结构校核，确定零部件的安全系数，为双出杆式胶泥缓冲器的优化设计提供理论依据。

关键词： 永磁同步电机   退磁故障   匝间短路故障   复合故障   数学模型   支路电流   探测线圈阵列   多故障识别  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有高转矩/惯量比、高功率密度、高效率等优点,广泛应用于高档数控机床和机器人、节能与新能源汽车、航空航天装备等领域。然而,受过载、冲击等复杂工况及恶劣工作环境的影响,PMSM存在发生匝间短路、退磁及其复合故障的风险。相关应用领域的驱动电机出现故障不仅影响企业的经济效益,而且还会威胁设备及人身安全。匝间短路、退磁及其复合故障的精确诊断技术是提高电机可靠性、安全性和经济性的重要手段。建立精确的故障模型,深入分析电机故障机理及特征,是故障诊断的基础。因此,开展PMSM匝间短路、退磁及其复合故障建模和诊断研究具有重要的理论研究价值和工程应用价值。 本文以PMSM为研究对象,首先建立电机匝间短路、退磁及其复合故障的数学模型。其次利用所建立模型全面分析匝间短路、退磁及其复合故障前后电机的关键参数变化规律,根据分析结果遴选出匝间短路、退磁及其复合故障诊断特征信号。然后利用遴选出的故障特征信号,建立PMSM匝间短路、退磁及其复合故障识别方法。最后开展相应的实验研究工作。具体研究内容如下。 1.提出基于线圈子单元的PMSM匝间短路和局部退磁故障数学模型。首先,考虑绕组结构与短路线圈位置对电机电感及性能的影响,将每个线圈分割为多个线圈子单元,建立了基于线圈子单元的PMSM匝间短路故障数学模型。然后,考虑退磁永磁体位置和退磁程度对线圈子单元空载反电势的影响,提出了基于线圈子单元的PMSM匝间短路和局部退磁故障数学模型。最后,有限元仿真和实验结果验证了所提数学模型的正确性与准确性,表明该模型可以精细地分析健康状态时线圈对电机性能的贡献、可以高效、准确地分析线圈内部不同位置短路故障对电机性能的影响、也可以方便、快捷地分析不同位置、短路匝数的匝间短路故障与不同退磁永磁体位置、退磁程度的局部退磁故障组成的复合故障下的相电压、线圈电压、支路电流和转矩等电磁特性。 2.提出一种基于支路电流的PMSM多故障识别方法,用于检测和区分局部退磁、匝间短路及其复合故障。首先,利用建立的基于线圈子单元的PMSM匝间短路和局部退磁故障数学模型,分析健康和3种故障类型下电机所有支路电流幅值的差异。然后,通过电机每个支路电流不同电周期之间的幅值变化、不同支路电流幅值之间的差异构造2个识别特征量,进而提出基于支路电流的PMSM多故障识别方法。最后,有限元仿真验证所提方法的有效性,并分析电机工况和故障程度对该方法灵敏性的影响。 3.提出一种基于探测线圈阵列的PMSM多故障识别方法,用于检测和区分均匀退磁、局部退磁、匝间短路及其复合故障。该阵列由多个探测线圈组(Search Coil Group,SCG)组成,每个SCG由安装在特定定子槽内的探测线圈串联而成。通过建立的数学模型分析了上述5种故障类型下阵列中所有SCG的残差电压波形。这5种故障类型都导致阵列中所有SCG与健康电机相比存在残差电压,这些残差电压被用于判断PMSM是否发生故障。同时,考虑负载、转速和故障程度对阵列中所有SCG残差电压的影响,通过阵列中每个SCG残差电压不同电周期之间的幅值变化、不同SCG残差电压幅值之间的差异、不同SCG残差电压相位之间的差异构造4个分类特征量。所提方法利用这4个分类特征量来识别在PMSM中检测到故障的类型。通过对三相PMSM的实验研究,验证所提方法的有效性,并分析电机工况和故障程度对该方法灵敏性的影响。 4.搭建多支路并联PMSM匝间短路故障诊断实验平台和三相PMSM多故障识别实验平台。研制PMSM故障模拟样机,开展实验验证工作。实验结果验证了所建立的匝间短路故障数学模型的正确性和准确性、所提出的基于探测线圈阵列的PMSM多故障识别方法的有效性和灵敏性。

关键词： 截大补小   数学模型   式结构  

摘要： “截大补小”模型主要用于证明三个量之间的等量关系，是解决几何中具有“A+B=C”类式结构等量关系的有效策略.

关键词： 女裤结构   数学模型   下肢特征   动态参数  

摘要： 随着消费水平的提升,人们对服装合体性的需求也随之提升。而由于女性体型之间的差异性较大,现行的服装号型标准无法满足女性日益增长的个性化需求,传统的制版方法是针对于人体静体态的设计,其裤装各部位的放松量也仅依赖版师主观性的经验,而不同的体形特征的女性由于运动所致的皮肤变形量差异性较大,因此传统经验制版方法已然无法满足市场上越来越多样的人体体型及运动对服装结构的需求了。这就要求我们从人体与服装的关系出发进行研究,探究服装各部位放松量产生的依据。基于女性裤装为探讨点,从裤装结构与女性下肢的静态、动态特征入手,运用参数法综合分析人体特征参数、下肢动态参数之间的约束关系。基于股关节旋转以及膝关节旋转运动为起点探讨人体形态变化其中也包括皮肤伸长的变化对裤装各部位的影响,构建裤装结构参数与女性下肢特征参数、下肢动态参数之间的数学模型。研究分别对女裤臀围、腿围、膝围以及对其有影响的下肢尺寸参数以及关节旋转运动状态参数进行探究,建立裤装部位与人体下肢数据及动态参数之间的函数关系式。对函数关系式进行趋势分析与讨论,在不符实际之处进行模型优化改进,并代入多个人体数据样本进行计算与实际应用时的选取原则说明。最后代入人体数据样本至将模型中计算得到控制部位的裤装数值,进行女裤样版的绘制,在Style3D系统中进行虚拟缝合以及步行、坐姿状态下的应力应变观察。研究构建了女裤的参数化数学模型,可通过模型计算包含松量之后的裤装结构尺寸,解决了女性下肢运动对裤装结构的影响问题,为裤装制版提供理论依据和参考,为服装样板自动化生成提供参数模型。

关键词： 平稳性   调度优化   炼化一体化   数学模型   元启发式算法  

摘要： 平稳运行是炼油化工企业本质安全运行、生产经济效益和挖潜增效的重要保证,然而由于原油供应以及产品需求多变,炼油化工生产装置的多操作模式运行已成为普遍现象,调度调整也日渐频繁。在此趋势下,如何在保证平稳生产的基础上获得最优的调度方案显得尤为重要。基于此,针对炼油化工生产过程,本文首先给出了平稳性的量化表征方式,接着建立了离散时间模型和连续时间模型并进行了案例仿真,最后设计了针对此问题的近似求解算法。本文的主要工作如下:(1)针对炼油化工生产过程的平稳性表征问题,深入分析了可能造成调度操作产生波动的因素,在本文中,主要考虑了加工装置操作模式切换及加工速率改变对调度操作平稳性的影响,并给出了调度操作平稳性的量化表征。(2)针对炼油化工生产过程的数学模型描述,在前人研究的基础上,着重考虑了调度操作平稳性的影响,建立了基于离散时间表达的炼油化工生产过程调度优化模型。该模型以生产成本最低为目标,同时考虑了装置操作模式切换、装置加工速率波动对调度操作平稳性的影响。通过案例仿真表明了该模型的正确性及可实施性。(3)针对炼油化工生产过程的数学模型描述,在前人研究的基础上,着重考虑了调度操作平稳性的影响,建立了基于连续时间表达的炼油化工生产过程调度优化模型。该模型以生产成本最低为目标,同时考虑了装置操作模式切换、装置加工速率波动对调度操作平稳性的影响。该模型相比离散模型具有更少的决策变量及约束条件。通过案例仿真表明了该模型的正确性及可实施性。(4)大规模调度优化案例对求解时间有严格要求,期望在短时间内给出一个较优解时,求解器往往无法满足要求。为了解决求解器求解效率低、采购费用昂贵、数学模型要求严格等问题,提出了一种融合混沌优化与禁忌策略的模拟退火算法以提高求解效率。改进算法以基本模拟退火算法为主框架,利用混沌优化的随机性、遍历性及规律性进行阶段性搜索,同时利用禁忌策略避免重复搜索。案例仿真表明,所提出的算法可以在短时间可以给出一个较优解,且其求解结果也较为稳定,能够满足实际生产现场对于求解实时性要求。

关键词： 运算素养   整体教学   归类统一   数学模型   数学情境  

摘要： “有序、统一、简洁”等自然法则是自然界与人类社会的和谐状态.“整体教学观”下运算素养的发展，以“物以类聚，统一和谐”的自然法则作为运算教学的切入点，符合每个学生认知的最近发展区，不仅能走出“只可意会，无法言传”的困境，让各层次的学生学到“有用”的数学，还有利于完成系统框架下的运算素养的发展，激发学生的学习兴趣、探索欲望和创新精神.

关键词： 碳刷/集电环   温度特性   接触电阻   数学模型   接触特性  

摘要： 随着水电站智慧化程度的加深,对水轮发电机组及附件设备的运行可靠性及智能化程度要求也越来越高。然而,碳刷/集电环组件作为水轮发电机组励磁系统的重要组成部分却因碳刷过热、打火、电弧等问题而故障频发,长此以往将导致集电环表面出现损伤,表层材料及内部出现微裂纹,缩短集电环的使用寿命。多年来,虽通过安装排尘装置、在集电环表面加工螺旋槽等措施使问题得到一定缓解,但由此导致的临时消缺仍时有发生。本文以碳刷/集电环组件为研究对象并结合实际运行工况,通过仿真模拟和理论计算的方法研究其温度分布和接触特性。具体的研究内容和结论如下:基于COMSOL Multiphysics有限元分析软件对碳刷/集电环组件的温度场进行仿真研究,分析了均流及分流不均条件下碳刷的温度特性,并考虑了环境温度的变化对碳刷温度的影响。结果表明,当单个碳刷的过流电流增大或减小时,其温度随之升高或降低,而其两侧碳刷的温度受电流影响较小,此时过流电流的临界值为84 A。当多个碳刷的过流电流增大或者减小时,其温度进一步上升或者降低,其相邻碳刷温度的变化趋势与前述工况相同,此时过流电流的临界值为74 A。同时,环境温度的降低会使得碳刷组的温度随之降低且可以较大程度的预防由过流电流增大而导致的碳刷过热等问题。将电接触理论和传热学相结合,建立接触电阻与碳刷温度的数学模型,旨通过碳刷温度来估算界面间的接触电阻,以此来评估摩擦副间的接触状态。模型中的相关参数通过载流摩擦试验来获取,并利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件来验证模型的准确性。结果表明,接触电阻在系统运行初期达到峰值,随后逐渐趋于平稳。当界面接触压力一定时,接触电阻值随着额定电流的增大而减小;在额定电流一定的条件下,界面接触压力大的碳刷接触电阻值小。集电环转速增大,弹簧压力对摩擦副间接触电阻的影响进一步增大。基于ADAMS机械系统动力学自动分析软件来研究集电环偏心转动时碳刷组的瞬态接触特性,以碳刷/集电环组件间接触力的变化幅度为评判标准、集电环的偏心距和碳刷弹簧的刚度为变量,分析不同偏心距和弹簧刚度条件下碳刷/集电环系统的接触稳定性,并对弹簧参数进行了优化。结果表明,当集电环偏心距不变时,弹簧刚度的增大使得碳刷/集电环间的接触稳定性变差。当弹簧刚度不变时,集电环偏心距的增大使得碳刷/集电环间的接触稳定性变差。当弹簧刚度与偏心距同时增大时,刷环间的接触稳定性进一步变差。此外,当集电环偏心距为0.5 mm时,最佳弹簧刚度为1.2 N/mm。当集电环偏心距为0.8 mm时,最佳弹簧刚度为1.4 N/mm。