微观水力模型

微观水力模型（精选三篇）

微观水力模型篇1

1 水力机组调节系统组成

水力机组调节系统是一个复杂的综合控制系统, 集水力、机械、电气于一体, 由调速器及被控对象组成, 被控对象包括压力引水系统、水轮机组系统、发电机机组系统三部分[2]。为了验证多模型动态矩阵控制算法, 仅对单机孤网的水力机组模型进行预测和系统仿真。

1.1 水轮机组段传递函数

水轮机组段传递函数为[1]:

1.2 发电机组段传递函数

发电机的传递函数为[1]:

1.3 电液随动系统传递函数

电液随动系统的传递函数为[1]:

将水轮机、调速器、发电机三部分的数学模型进行整合, 并对整合后的系统进行简化, 得到单机单管水轮机调节系统数学模型如图1[1]。

2 多模型动态控制矩阵算法

2.1 DMC预测模型及滚动优化

动态矩阵控制采用对象的阶跃响应模型作为内部模型, 设某一受控对象在单位阶跃控制作用下 (u=1) , N个采样周期后趋于稳定, 即y (NT) =aN≈y (∞) 。则采样值为:

式中:T为采样周期;N为取正整数。

当i>N时, 用前N个有限项采样值{a1, a2, …, aN}来描述系统的动态特性, 建立其非参数模型。

若系统在 (k+i) T (i=1…n) 离散时刻的初始值为y0 (k+i|k) (i=1…n) 且控制增量是Δu (k+i) (i=0…n) 。根据线性系统的叠加原理, 利用采样矢量值[a1, a2, …, aN]T作为预测模型建模参数, 设建模的时域长度为N, 得到受控对象在单位阶跃响应作用下的离散化的数学模型。

即:

为保证系统稳定, 防止控制增量Δu (k) 剧烈增长, 采用优化性能指标加以约束:

式中

因此将控制问题转化为:如何使性能指标式 (6) 达到局部最小。

现将式 (5) 的预测模型表示为向量形式:

式中:

根据公式

本文所示动态矩阵控制只对实时增量Δu (k) 进行控制, 而控制增量Δum与R、Q及设定值yr (k) 有关, 其中Q对有扩大和缩小的作用, 取Q=diag (q1q2…qP) 其中0

当系统进入到下一次判定时, 会出现和上面类似的优化问题, 系统自动求出Δu (k+1) 作用于控制对象, 实现滚动优化全过程。

2.2 反馈校正

当预测模型与实际模型受到外界干扰或者存在模型失配问题时, 预测值就会与实际值发生偏差, 进行系统反馈校正可以消除这种不稳定的情况。

首先求出系统实际输出的误差:

用式 (10) 表示模型中未知因素对系统输出的影响。

再用加权方法对误差预测进行系统性修正, 得到式 (11) [3]:

式中:

最后随着时间基点变动, 得到k+1时刻新的预测值完成反馈校正。

表示为向量形式:

3 水力机组仿真计算

3.1 常规的PID控制

参考文献[3]设计PID控制器并对其按照ya=1进行参数整定:Kp=1.3, Ki=0.23, Kd=0.2。采用同样的PID参数分别在系统接力器行程ya=1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6下运行, 按减10%负荷变化。

横坐标表示水力机组开环阶跃响应的时间t (秒) , 纵坐标表示对应的输出转速变化率x, 由图2可以明显地看出该水力机组系统在30s时系统输出稳定。

3.2 单一模型动态矩阵控制

选取一组参数A1, 系统矩阵N=20, 时间间隔1.5, 为保持系统稳定, 取yr=0, Q=diag (1 1…1) , R=diag (1 1…1) 。

横坐标表示水力机组开环阶跃响应的时间t, 纵坐标表示对应的输出转速变化率x, 由图3可以明显地看出该水力机组系统在40s时系统输出稳定。

3.3 多模型动态控制矩阵

选取不同的参数Ai, i=1…5。

横坐标表示水力机组开环阶跃响应的时间t (秒) , 纵坐标表示对应的输出转速变化率x, 由图4可以明显的看出该水力机组系统在15s时系统输出稳定。

4 分析比较

常规的PID调节在某一确定的工况下可以达到局部的最优化效果, 但是水力机组是一个时变系统, 因此无法达到全局最佳的效果。单一DMC控制对模型的匹配程度依赖性强, 当模型失配时, 即使反馈校正也无法使系统控制达到最优。多模型DMC在快时变的情况下, 可能会出现辨识过程还未结束, 新工况又重新开始, 这样辨识的实时性就得不到保证, 因此采用离线优化获取动态矩阵系数并存入存储器, 运行时根据工况调整相应的模型, 从而保证与现场实际一致。采用样条插值法, 可以快速并且连续的变换模型, 避免模型切换时的扰动。为直观反映控制品质, 现列表如表4。

5 结语

本文通过对常规PID调节、单一模型DMC调节以及多模型DMC调节的分析比较, 发现多模型DMC调节在水力机组调节中能获得比其他调节方式更好的控制品质, 在电站实践中发现, 随着软件开发技术的加强以及预测控制近20年的迅猛发展, 多模型DMC正慢慢的展现其强大的生命力, 已有部分电站和调速器研究机构尝试采用其控制方法并获得了很好的效果, 可以设想传统的PID调节方式将完成其使命并最终退出历史舞台, 更好地控制方式会替代PID调节完成更复杂环境下的优化控制[4]。

参考文献

[1]沈祖诒.水轮机调节系统分析[M].北京:水利电力出版社, 1991:26-43.

[2]孙美凤.水力机组预测控制分析与研究[J].水力发电学报, 2010, 29 (4) .

[3]孙美凤.高水头引水式水电站机组之间水力干扰的研究[J].中国农村水利水电, 2002, (9) .

湍流模型在环境水力学研究中的应用篇2

湍流模型在环境水力学研究中的应用

摘要：对湍流模型应用于模拟预报工程附近的.流场特征与物质掺混输运扩散规律的研究进行了综述,分析了国内外各种湍流模型的研究现状及发展趋势;同时就湍流模型求解环境水力学问题提出了笔者的观点,并对零方程模型、单方程模型、双方程k-ε模型及修正的各向异性k-ε模型、雷诺应力模型、代数应力模型、低雷诺数流动模型、双流体模型及湍流高级模拟等模型的各自特点进行了讨论.作者：华祖林作者单位：河海大学水文水资源及环境学院期刊：水科学进展 ISTICEIPKU Journal：ADVANCES IN WATER SCIENCE年，卷(期)：,12(3)分类号：X143 TV131.2关键词：湍流模型水流物质输运环境水力学数值预报

对话历史构建微观模型篇3

一、体现历史发展线索，确定项目编写思路

1.挖掘历史发展，明确项目内容。

对物质组成的研究，从古希腊的四元素说（土、气、水、火）到亚里士多德的五元素说（土、气、水、火、以太）到中国古代的五行说，都是在对物质组成的基本微粒进行探讨。1661年波义耳在研究空气时利用不断分割的思路认为“只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素”，并将这一观点下的“元素”视为物质组成的基本单位。

1777年拉瓦锡利用汞在空气中生成汞灰，将汞灰再分解得到原来空气的方法，结束了空气是组成物质的基本单位的错误见解，也给我们提供了一种研究物质组成的重要的思维方法：采用“合”与“分”的方法研究物质组成。1808年，道尔顿提出原子学说，1814年阿伏伽德罗和安培各自提出分子假说，1858年，分子学说被广泛认可，从微观角度认识物质组成经历了漫长的科学过程。随着技术的发展，1897年汤姆逊发现电子，拉起了研究原子内部结构的序幕，使人类可以从原子内部结构进一步理解物质的组成。

对物质定量关系的研究也一直在进行中，1799年，普罗斯阐述了定比定律，测定发现物质中元素的质量比是固定的。1804年道尔顿提出倍比定律：“当相同之两元素可生成两种或两种以上的化合物时，若其中一元素之重量恒定，则其余元素在各化合物中之相对重量有简单倍数之比。”在此基础上，基于基准量思想研究物质的化合价和相对原子质量，有效地发展了物质的定量研究。

2.反思历史关键事件，提炼项目核心内容。

从对化学史的反思中，我们总结对物质组成研究是从微观和宏观两方面进行。微观上不断探讨组成的基本微粒，以及微粒构成物质的规律；宏观上利用物质的质量、气体体积等信息来研究物质组成。宏观现象与微观解释相结合促进人类对物质组成的深入认识。

我们都认为化学学科是从微观的分子原子层面研究物质组成、结构、性质的学科。在构建微观模型的过程中，我们需要解决几个问题。

（1）为什么要从微观的角度进行研究？在整个化学发展史上经历了怎样的发展变化过程？

（2）如何研究微观世界？化学家利用了怎样的思维方法，如何将宏观现象与微观组成建立关联？

（3）化学家在证据面前经历了怎样的推理过程来形成对微观世界的认识？科学家的认识与探究过程和学生的认识过程有什么相似之处？学生在探究的过程中有哪些可以借鉴的科学家的思维方法？在教学活动中如何通过合理的探究活动让学生建立起其微观模型？

基于此，本项目的活动以化学发展史为背景线索，将学生的学习活动依托在科学发展史的背景下，体现科学阅读的思维活动，并注重从发展史中学习科学的研究方法。同时还要特别重视模型建构，通过搭建和绘画等方式外显模型建构的过程和结果，因为微观模型的建构过程就是学生对微观的深入认识过程。

二、宏观微观结合，拆解项目具体活动

本项目拆解任务的过程和科学研究的过程有相似之处。“项目导引”先从物质的宏观现象出发去探索微粒可能会有的特点，“任务一”进一步探索具体的微粒构成，构建分子模型，“任务二”在实验事实进一步发展的基础上发现原子可分，从而进一步打开原子的内部结构。对元素质量和物质质量的探索，是从宏观质量和微观组成建立关联的。因此，在“项目导引”部分通过实验探究引导学生初步建立微粒观，并认识微粒的基本特点（见图1）。“任务一”以常见的水为例，以人类发展过程中对水的认识为引导，结合资料阅读、实验探究、创设问题情境，引导学生假设猜想、模型模拟及修正等活動，带领学生认识和构建分子模型。“任务二”以科学史资料阅读、经典科学实验重现、模型模拟、教师搭桥学生实践等活动，带领学生通过实验观察、模拟分析、归纳总结等方法形成对原子结构的认识。“任务三”以问题创设情境、计算分析与科学史资料相结合、应用问题驱动分析等活动，带领学生认识元素及元素与物质的定性和定量的关系。

任务一：认识水分子，搭建分子模型

以“我们可以通过什么方法来研究水的组成呢”的驱动型问题开启本任务的活动。本任务分为三个活动。（见图2）阅读对物质微观组成的研究历史，分析假说、模型、证据之间的关联，理解科学本质。学生活动依托在化学史的背景下，从科学研究方法和概念形成两方面完成宏观到微观的建构。

任务二：构建原子模型认识物质组成规律

在建立分子认识的基础上，进一步构建原子模型，并在原子模型的基础上，认识物质组成的规律。此任务遵循学生的认识，在实验事实的基础上，将学生的追问外显化，以符合学生的驱动型追问进行活动拆解，分为三个活动。（见图3）

活动一有三个核心活动：一是对原子已有认知的探查；二是对阴极射线实验的观察与思考，结合科学史资料的阅读认识原子是可以再分的，可以分出质量很小且带负电荷的粒子，通过分析推理可知原子中必然有带正电的部分，且原子的绝大部分质量集中在带正电的部分；根据实验观察及分析推理，由学生进行第三个核心活动，引导学生自主构建新的原子模型。活动二包含两个核心活动：一是从定性的角度认识原子中带正电的部分体积很小但质量很大，即原子的核式模型；二是从定量的实验思路出发，通过模拟实验与推理计算认识原子与原子核大小的相对关系。活动三有三个核心活动：一是通过实例讲解认识原子核外电子排布的一般规律并根据这些规律画出前18号元素的原子结构示意图，为后续活动做铺垫；二是通过交流研讨活动，认识原子的稳定结构，从而进一步认识离子的形成及离子与原子的关系；三是通过画出几种原子模型及梳理各个模型之间的更迭线索，构建科学的原子模型认知体系，并体会科学推理及科学方法在科学发展中的重要作用。

任务三：探究元素与物质组成的奥秘

带领学生从微观世界的分子、原子的学习进入到宏观世界的元素。活动一从元素的角度认识物质中以元素周期表为依托，设计了比较开放的交流研讨活动，引导学生将宏观的元素名称、元素符号、元素分类、元素化合价、原子团等信息与微观的原子结构相关知识和理解契合在一起，使学生在学习新知识的过程中将任务一和任务二的相关知识的理解应用起来，起到逐步深化学生认知的作用。活动二从元素质量到物质组成，引导学生从定量的角度认识物质与元素的关系，通过自主探究活动和对科学史资料的阅读，梳理元素质量与原子数目之间的比例换算方法，同时体验应用基准量的科学方法解决问题的过程，在此过程中完成相对原子质量的知识学习。活动三探究元素质量与物质质量的关系中以补钙和补钙剂为载体，梳理了本项目学习中的主体知识结构，并完成了物质中某元素质量分数的计算及相关知识的学习和应用。（见图4）

三、体现项目学习，立体构建目标

对项目的基本思路和活动安排有了了解之后，我们来反观一下项目的目标。项目学习教材要关注项目自身价值的实现，同时还要关注知识、技能、方法、素养等的培养。

1.以项目成果推动完成成果目标。

以项目成果的不断完善促进项目任务的推进。本项目中主要完成：讨论“梳理我对物质组成的认识”的海报；绘制“假如我是水分子”系列漫画。图5是各任务阶段目标的项目成果目标对应关系。

2.建立知识体系，体现能力发展。

从图6中可看出，知识目标上，本项目从宏观和微观两方面入手认识物质组成：

（1）物质是由微粒构成的。①从认识水分子到构建分子模型。从分子角度认识物质分类（纯净物、混合物），从分子角度认识变化，从分子角度认识物质。②从原子结构的角度认识组成物质的规律。由认识原子的内部结构到关注核外电子排布，进而理解原子构成分子的核心规律——化合价。

（2）物质是由元素构成的。从原子的角度连接对元素的认识，建立宏观与微观之间的关联。进而，从元素角度认识物质组成，认识元素质量与物质质量的关系。

方法目标上，在研究微粒特点时，利用分割法来研究组成物质的微粒。在确认物质的组成元素时，利用“合”和“分”的思路方法，正向证明与逆向证明相结合。在确认各元素的质量时，利用基准量的思想将难测的实际量转化为相对质量。

情感目标上，带领学生在学习探究的过程中形成对相关知识的认知和知识体系的建立，了解知识来源，帮助学生更好地理解知识内容，同时在学习过程中体会科学家的科学思想和科学方法中的智慧闪光点，体会科学技术与科研环境对科学发展的重要作用。

3.凸显科学本质，培养核心素养

本项目充分体现了对化学史的应用，在对化学史的阅读活动中体会科学研究价值，也在对内容的推理论证中体现了对化学学科核心素养的培养，主要表现在以下方面：第一，在项目的完成中通过水分子模型的构建，真正将宏观现象与微观构成建立关联，形成宏观微观结合的化学素养，能從物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系；能根据物质的微观结构预测物质在特定条件下可能具有的性质和可能发生的变化；形成正确的物质观。第二，培养证据推理的化学素养。能基于各种证据，对物质的微观组成及其变化提出可能的假设；能基于证据进行分析推理，证实或证伪所做的假设；能解释证据与结论之间的关系，阐述形成科学结论所需要的证据和获取证据的途径，如学生构建微观模型的过程，其本质就是学生在提出自己的假设，学生在相互质疑的过程中利用实验事实进行论证。第三，模型认知，我们对微观世界的认识是建构模型的过程，运用模型来解释某些化学现象，预测物质及其变化的可能结果。通过模型与事实的不断的争论过程优化模型，甚至推翻模型。第四，从化学史的学习中学习科学家实事求是的科学精神。

四、教学设计过程中注重项目的特色和落实

我们希望教师在项目三的教学中能注意以下两点：

其一，充分利用教材中化学史的学习背景，体现科学阅读活动在学习中的重要意义。在教学中设置的科学史资料阅读、经典科学实验重现、经典实验原理模拟、探究基准量法的应用历程、认识元素与元素之间存在的规律等实验探究及分析等活动全部都依托化学史为学习背景，带领学生在学习探究的过程中了解知识来源，形成对相关知识的认知、知识体系的建立等，帮助学生更好地理解知识内容，同时在学习过程中体会科学家的科学思想和科学方法中的智慧闪光点，体会科学技术与科研环境对科学发展的重要作用。例如，将电解水实验探究与之前的科学家认识水的资料衔接，学生体验了科学家的实验方法，并认识到电池的发明对该研究的重要作用。在模型模拟活动之后，学生带着疑问进行“读科学史故事，学科学家智慧”的活动，在其中不但体会到科学家曾经经历过很长时间与他们类似的疑惑和纠结，也明白了最终科学家如何达成了一致的认识，为自己的活动画上句号的同时也体会到科学精神的魅力。在构建原子模型的学习过程中，不但重现了经典的阴极射线实验，而且通过模拟探究活动认识α粒子散射实验的原理和结论。在学习元素与物质组成奥秘的过程中，体验了基准量方法在解决问题中的巧妙作用，契合了科学史上建立相对原子质量的过程。在教学中，应该注重从化学史的阅读中学会科学阅读的方法，从科学家的研究中学习科学研究方法，体会科学家的科学精神。