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关键词： 红茶发酵   近红外光谱   机器视觉   数学模型   代谢组学  

摘要： 发酵是红茶加工过程中关键的一道工序,对红茶的品质形成有着重要影响。传统上,红茶发酵监测主要根据人工观察茶叶颜色和气味的变化。然而,经验、心理状态、环境等因素会影响人工评价过程,使评价过程高度主观。为了客观评价红茶发酵,本文以大叶种英德红茶中的英红九号为研究对象,利用近红外光谱和机器视觉代替人工感官,搭建了基于近红外光谱和机器视觉的红茶发酵过程监测系统,研究了近红外和视觉结合的融合策略快速判别红茶发酵程度的方法;通过建立数学模型,探讨了近红外和视觉结合技术在茶叶品质快速检测中的应用;探索了红茶发酵过程中代谢物质成分与近红外光谱之间联系。主要研究内容如下:(1)搭建了基于近红外光谱和机器视觉的红茶发酵过程监测系统。近红外光谱采集单元使用Y型光纤采集茶叶反射光谱,图像采集单元利用工业相机实时采集茶叶图像。采集数据输入计算机进行处理。(2)试验收集了204份不同发酵时间的红茶样品并使用便携式近红外光谱仪和工业相机获取红茶发酵中的信息。采用Savitzky-Golay光滑对原始光谱进行预处理,采用竞争自适应重加权采样、连续投影算法和主成分分析对近红外光谱变量进行降维处理;图像进行去阴影后提取了9个颜色特征变量,采用皮尔森相关分析和主成分分析进行特征变量提取。最后采用线性判别分析和支持向量机分别建立了基于近红外、图像和两者数据融合的分类模型。结果表明,连续投影算法提取光谱变量结合采用皮尔森相关分析提取图像变量建立的判别模型效果较佳,校正集和预测集准确率分别达到了97.06%和95.59%。(3)采用Savitzky-Golay光滑、一阶导数、二阶导数、标准正态变量和多元散射校正对原始光谱进行预处理,并建立偏最小二乘预测模型,比较模型性能,选出近红外光谱最佳预处理方法。利用竞争自适应重加权采样、连续投影算法和迭代保留有效变量对近红外光谱变量进行降维处理;采用皮尔森相关分析对图像数据进行特征变量提取。最后采用偏最小二乘和支持向量机分别建立了基于近红外、图像和两者数据融合的预测模型并对模型性能进行分析。(4)使用超高效液相色谱和串联质谱对发酵过程中的茶样进行检测,对红茶发酵过程中代谢产物进行代谢组学分析。结果表明,在发酵过程中,茶叶中代谢物呈现一定的变化规律,共测量出470种物质成分,使用单因素方差分析筛选出381种P<0.05的物质,接着正交偏最小二乘判别分析对381种物质进行分析,根据变量重要性投影值>1与上调代谢物差异倍数fold change≥1.5或下调代谢物fold change≤0.667筛选出显著差异代谢物。统计出总差异代谢物114种,并分析最终筛选出的差异物质在发酵过程中的变化。分析近红外光谱与差异物质之间关系,证实了近红外光谱监测红茶发酵的可行性和可靠性。

关键词： 稻谷   热风干燥   缓苏干燥   数学模型  

摘要： 中国是世界上最大的粮食生产国与消费国,水稻是中国的主要粮食作物,收获后需要干燥至安全水分才能进行仓储,目前谷物干燥最广泛的干燥工艺为热风干燥工艺,为提高稻谷干燥品质,优化缓苏干燥工艺,本研究采用试验与建立数学模型相结合的方法,将稻谷深床干燥过程模型化,建立用于描述稻谷深床缓苏干燥特性参数变化的数学模型。(1)稻谷深床缓苏干燥单因素试验。制定以缓苏温度、缓苏时间、缓苏方式、缓苏含水率、缓苏时刻为试验因子的单因素试验,确定试验指标为爆腰增率、整精米率、发芽率、干燥均匀度,以爆腰增率为主要评价指标,确定最佳缓苏时刻为第三层含水率达到18%、最佳缓苏方式为停风保温,缓苏初始含水率水平范围为16～20%(w.b)、缓苏温度水平范围为30～70℃,缓苏时间水平范围为1.5～12h,并以此为基础进行稻谷深床缓苏干燥多因素试验。(2)稻谷深床缓苏干燥试验。采用三元二次回归正交旋转组合试验,分析缓苏温度、缓苏初始含水率、缓苏时间对爆腰增率、整精米率、蛋白质含量、脂肪酸值、净干燥时间的影响规律,建立试验因子与指标的回归模型,确定最优缓苏干燥工艺参数水平为:缓苏时间4.8h、缓苏初始含水率16.9%、缓苏温度59.9℃,优化后试验指标值依次为爆腰增率10.3%、整精米率89.2%、蛋白质含量4.9%、脂肪酸值12.9%、净干燥时间220.8min。(3)粒子群算法。利用Matlab软件粒子群算法对试验数据进行多项式拟合,分别建立稻谷爆腰增率、蛋白质含量多项式拟合模型,对多项式模型与回归模型进行对比验证,得到的试验结果与使用Design-Expert分析得到的预测结果误差不超过5%,具有较高的可靠性。(4)建立描述模型。通过稻谷深床缓苏干燥试验数据对已知的10种水分比模型、6种平衡水分模型进行拟合择优并对模型进行优化,将稻谷深床缓苏干燥简化为稻谷薄层干燥,建立用于描述稻谷深床干燥特性参数的模型,对模型进行检验验证,平均误差为7.6551%。本研究得到了稻谷深床缓苏干燥以五种指标为基础的最佳工艺参数组合;建立稻谷深床缓苏干燥数据拟合的多项式模型;建立用于描述稻谷深床干燥特性参数的模型,为实际生产提供了数值理论参考。

关键词： 切割路径   数学模型   启发式算法  

摘要： 目前激光切割是工业生产工程的主要切割工艺之一,激光切割具有切割速度快、切割范围广、切缝窄、切割质量高等诸多优点,因而在工业加工中有着非常广泛的应用,所以切割路径的合理规划对工业生产的效率具有重要的影响。利用计算机设计和求解智能优化算法能够高效的解决切割路径的规划问题,以往的学者提出了较多的精确算法和启发式算法应用在不同类型的切割路径问题上,但是并没有针对超大规模的案例进行测试和实验。而随着数字孪生技术的发展和普及,现代先进制造行业中大多采用了智能化、无人化的生产模式,会将大部分的生产订单进行批量处理,也就出现了超大规模案例的情况,所以研究针对超大规模案例的方法是非常有必要的。同时,对于中小型案例,提出精确求解算法得到最短的切割路径去分离零件也是非常有意义的。 本文提出了二维切割路径问题的数学模型和启发式算法,其目的是规划出一条能从母板上切割出所需工件的最短切割路径。本文依据单个零件的分离规则提出了边路由切割方式和点路由切割方式,分别对应切割路径问题中的端点切割问题(endpoint cutting problem,ECP)和广义旅行商问题(generalized travelling salesman problem,GTSP)。针对边路由切割法构建了一个ECP数学模型,并设计了由三种启发式算子组合成的四种形式的两阶段搜索启发式算法(two-step search heuristic,TSSH)。针对点路由切割法提出了一个GTSP数学模型并利用修改后的遗传算法(genetic algorithm,GA)和变邻域搜索算法(variable neighborhood search,VNS)对超大规模案例进行求解。 经过测试,利用CPLEX求解器运行本文所提出ECP模型能够在一定时间内求解大部分案例的精确解,同时,TSSH算法的四种组合形式都能快速找到最优解或近似最优解。而通过CPLEX求解GTSP模型可以处理小型实例,对于中型实例,利用修改后的GA算法能够快速得到可行解,修改后的VNS算法能够在合理的时间内找到高质量的解。此外,本文将所提出的数学模型和启发式方法在零件个数大于250,顶点数大于20000的超大规模实例上进行了测试,实验结果表明,所提出的针对不同切割方式的两种启发式方法都能够在合理的时间内处理超大规模实例。

关键词： 船舶发电机   数学模型   评估算法   GA-BP神经网络   故障诊断  

关键词： 直接碳排放   氧化亚氮(N2O)   甲烷(CH4)   数学模型   脱氮除磷   数据拟合  

摘要： “巴黎气候协定”签署后低碳发展与碳中和已成为各国积极努力的目标。污水处理过程中直接碳排放,特别是N2O与CH4等是污水处理行业碳中和运行的主要问题。为此,基于生物脱氮除磷机理构建了相关活性污泥模型,以模拟预测污水处理过程中直接碳排放,并基于模型预测得出相应运行优化及减排技术策略。通过对污水生物脱氮过程涉及N2O产生的生物过程及其非生物过程分析,总结出各种途径N2O释放机制与贡献大小。污水处理生物脱氮过程N2O释放于硝化与反硝化过程,主要涉及硝化（AOB）及其同步反硝化、常规异养反硝化（HDN）、同步异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）和全程氨氧化（COMAMMOX）等生物途径以及硝化过程中间产物NH2OH与NOH之非生物化学途径。通过对污水生物处理过程涉及CH4产生的生物过程及氧化过程分析,分别总结出异养产甲烷菌（HMA）与自养产甲烷菌（AMA）于厌氧环境下的CH4产生机理、厌氧甲烷氧化菌（AOM）和好氧甲烷氧化菌（AME）分别在缺氧与好氧环境下CH4氧化机理。基于污水处理过程直接碳排放N2O与CH4释放机理,将各途径模型依次输入TUD联合模型,构建了TUD-N2O-CH4模型。为使模型能够准确模拟预测污水处理过程直接碳排放。同时,利用污水处理厂5段Bardenpho生物处理工艺直接碳排放数据对模型参数进行校核与验证。模拟预测需拟合污水处理实际数据发现,通过调整构建模型中有关AOB与亚硝化菌（NOB）代谢5个相关参数便能获得良好脱氮除磷拟合效果。在此基础上,进一步对N2O排放数据进行拟合,调整反硝化除磷（DPAO）与AOB反硝化途径中2个最为敏感性参数后对N2O排放实测与模拟值线性拟合发现拟合效果亦较好。对CH4排放数据进行拟合时通过调整AMA与AME菌代谢过程中3个最为敏感性参数后拟合效果也较好。因此,该所构建模型能够较好地预测污水处理厂直接碳排放。为探究构建模型参数的有效性,基于中试脱氮除磷工艺直接碳排放数据,对模型进行二次验证发现,基于N2O排放数据,仅仅微调DPAO与AOB反硝化途径2个最为敏感性参数后便可获得较好拟合效果。基于中试脱氮除磷工艺CH4排放数据,构建模型拟合发现,不作任何参数调整便能获得较好拟合效果。总之,所构建模型无论对实际污水处理厂还是中试实验都能实现实测与预测数据拟合,构建模型有助污水处理碳中和运行实践。

关键词： 控制系统   数学模型   位姿测量   多传感融合   卡尔曼滤波算法  

摘要： 随着工业的不断发展,越来越多领域应用到机器人进行作业,为适应更多作业场景,将多个控制单元进行组合形成的复合机器人愈发得到关注。但复合机器人的相对复杂性,给研发工作带来了一定程度的困难,也对控制系统的适应性和可拓展性提出了更高的要求。另外复合机器人涉及到的关节众多,误差的累积效应也造成了末端执行器位姿的偏差。 本文首先针对一款携带重载臂的复合移动机器人及其应用场景,设计了一种低耦合机器人控制系统,并在该控制系统基础上,针对其重载臂末端位姿偏差问题提出准确测量方案。 首先,设计了低耦合机器人控制系统。从硬件和软件两个方面对机器人控制系统进行低耦合化设计,并通过硬件自适应和自动化控制两个功能的设计,大大增加了该控制系统的硬件兼容性和可拓展性,缩短了后续机器人开发时间。最后基于该系统完成机器人交互模块等功能模块开发。 然后,研究了重载臂末端位姿测量方法。首先尝试使用D-H法建立起重载臂数学模型,之后针对重载臂在伸出状态下的倾斜所导致的末端位姿偏差问题展开分析,进而提出一种改良D-H法的重载臂建模方法,综合考虑重载臂连杆各个方向上的姿态角变化,从而让机器人模型更加贴近实际情况。之后根据机器人实际应用场景,提出了改良D-H模型下基于多个IMU和组合模型下基于多传感融合算法的重载臂末端位姿测量方法。随后建立起重载臂末端位姿测量仿真环境和模型,理论验证上述测量方案的合理性,以及为实际测量实验的相关参数的确定提供参考。 最后,实验验证了上述设计及研究方法的可行性。通过搭建移动机器人样机对控制系统总体运行状况以及硬件自适应功能、自动化控制功能进行验证,结果证明了该低耦合机器人控制系统的可行性。另外,搭建贴近真实工作场景的实验平台,在上述搭建的机器人控制系统平台上,从测量准确性和精密度两方面,对上述各机械臂末端位姿测量方案进行了实验对比和验证,实验结果表明组合模型下基于多传感融合算法的重载臂末端位姿测量方法实现了传感器之间的优势互补,并同时有效解决了陀螺仪时间漂移问题,具有较高的测量精度。

关键词： 小学数学   数学模型   存在问题   具体对策  

摘要： 为了满足新课标的育人需求，培养创新应用型技术人才，在数学教学过程中，教师要学会构建数学模型，帮助学生更好地理解数学问题，分析数学现象，总结数学规律，培养学生的数学建模思维。本文就是基于培养学生数学建模思维的指导，加强对小学数学课程教学的深入研究与思考，先对小学数学建模的概念进行简述，再简单阐述了构建数学模型对优化数学教学设计的重要价值，提出构建数学模型，培养学生数学建模思维的具体教学策略，以期对今后的数学教学改革产生积极影响，也希望能为相关一线教育工作者提供有效借鉴。

关键词： 物理课堂   教学方法   教学手段   有效运用   初中生  

摘要： 随着新课程改革理念的逐步深化，教师在物理课程教学过程中自觉融入质量意识与效益观念，努力推动物理教学物理教学走向提质增效、方法创新、手段更新与环境优化，助力初中生的知识学习与科学发展。为此，教师积极探寻物理课堂上有效教学方法的运用以及有效教学手段的运用，立足方法与手段两大基点去科学优化物理教学平台，力求为初中生创设一个设计合理、方法创新、手段先进、效果突出的生命成长环境，深度贯彻执行素质教育理念。

关键词： 水下机器人   控制系统   数学模型   推力分配   PID控制器  

摘要： 遥控作业型水下机器人(Remote Operated Vehicle,ROV)的最大特点是能在危险复杂的海域环境中完成高负荷、高强度和高精度作业,是国家实施海洋资源开发不可或缺的关键技术装备之一。本文研究内容依托于省重点研发项目“近海底栖生物捕捞水下机器人关键技术研究”,以轻量化、携带与操作方便、控制精度高、可靠性高、可维持性强和低价位为目标,设计一款新型捕捞型ROV控制系统。对捕捞型ROV运动学和动力学模型、运动控制方法、推力分配方法、控制系统的软硬件设计等关键技术进行了研究,并搭建捕捞型ROV的控制系统框架,主要研究内容如下:首先,在研究国内外发展现状的基础上,分析了多款ROV的外形结构、推进器布置、搭载的系统设备和运动控制效果等特点。针对ROV的运动控制技术,对常用的控制器设计方法与推力分配方法进行了分类和总结,选用了适用于本款ROV控制的PID运动控制器和直接逻辑推力分配方法。其次,对捕捞型ROV控制系统的功能需求进行分析,对控制系统的总体框架进行设计,对控制系统的硬件设备与控制软件进行了详细设计。将控制系统划分为多个子系统,对各子系统所需硬件设备进行了选型与设计。设计了适用于捕捞型ROV的垂向与艏向双闭环PID控制器和基于直接逻辑的推力分配方法;分别设计上位机与下位机控制软件的程序流程,并完成了软件编写和调试,控制软件中各部分功能模块与前文设计的控制系统框架和运动控制方法相对应。然后,构建了完整的ROV六自由度动力学和运动学模型。建模过程中对水下机器人的各部分受力进行了分析和展开计算,忽略了较小的环境干扰力并结合水动力特性试验计算出的水动力系数建立了ROV动力学模型,根据其运动特性对该模型进行了相应的简化和修正。该模型主要用于ROV运动控制仿真验证并指导控制系统实体搭建。最后进行了捕捞型水下机器人的仿真验证和水池实验。首先在仿真环境中对ROV不同控制模式下的控制功能进行验证;然后对控制系统的硬件和软件单元进行测试,搭建并调试水面与水下的控制系统平台。在确定控制系统网络连通性、通信实时性、密封安全性后进行遥控测试与水池实验,证明了该控制系统的工程应用价值。

关键词： 裂隙灰岩   冻融循环   物理特性   力学特性   劣化机理  

摘要： 本文以川藏线沿线寒区工程为背景,灰岩为研究对象,采用预制裂隙的方法,设置了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7组不同倾角裂隙灰岩试件,并以1组完整灰岩试件作为对照,首先通过查阅资料、预实验等方法确定了冻融循环试验参数,然后通过冻融条件下的物理力学试验,结合冻融损伤力学、冻土学、岩石力学等理论分析,系统研究含裂隙灰岩在冻融循环作用下的物理力学特性变化及劣化机理,主要成果如下:(1)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的质量、吸水率等物理性质的分析,发现裂隙灰岩的质量损失率和吸水率随着冻融循环次数的增大而增大,但增加速率不同,质量损失率在40～60次冻融循环后的增长速率快于20～40次和60～80次,吸水率则相反,并因此定义了冻融循环作用下裂隙灰岩的两个劣化阶段:孔隙发育阶段和物质剥落阶段。(2)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的物理特性劣化特征,对试件的剥落和新孔隙形成情况进行了研究,并通过岩石冻融循环后新形成的开口孔隙率表示岩石孔隙劣化特征,实现了动态描述单个试件在冻融循环过程中所新形成的开口孔隙,避免了吸水率只能通过对比不同试件,不同冻融循环次数后的吸水情况来描述整体变化情况的不足。通过对裂隙灰岩试件表观劣化特征分析,发现裂隙灰岩在裂隙尖端和试件的端面出现由外向内、由浅到深的层进式剥落现象,并将其定义为冻融循环导致的灰岩局部层进式劣化机理。(3)通过对冻融循环试验后裂隙灰岩的强度参数、变形参数、抗冻性系数等力学参数的分析,发现预制裂隙对灰岩试件强度的影响大于冻融循环作用,冻融循环作用对裂隙灰岩试件新孔隙的形成作用大于预制裂隙,且预制裂隙的存在会促进冻融循环对裂隙灰岩新孔隙的形成。试件的强度参数和变形参数都随着冻融循环次数的增大而减小,裂隙对试件强度参数的影响大于变形参数,冻融循环作用对试件变形参数的影响大于强度参数。本次冻融循环试验后裂隙灰岩试件的抗冻性系数R任然大于0.75,表明本次试验所用试件抗冻性较好。(4)为探究裂隙灰岩经冻融循环后的力学特性劣化特征,对裂隙灰岩力学参数的劣化情况进行了分析,发现各力学参数的劣化度和阶段劣化度都随冻融循环次数的增加而增大。第一、第二冻融循环阶段,劣化影响序列为变形模量>弹性模量>峰值强度,第三、第四冻融循环阶段,劣化影响序列为弹性模量>变形模量>峰值强度。然后根据体积膨胀理论和水迁移原理对裂隙灰岩冻融循环后力学损伤机理进行了分析,发现冻胀力犹如在岩体内部进行循环加载,最终使裂隙灰岩力学参数出现劣化。最后运用宏观损伤力学方法,推导了本次试验灰岩在冻融循环作用下的损伤劣化方程,并用试验所得结果进行了验证。