基本介紹
- 書名：複雜流體網路分析與控制
- 出版社：電子工業出版社
- 頁數：146頁
- 開本：16
- 作者：隋金雪 楊莉
- 出版日期：2013年6月1日
- 語種：簡體中文
- 品牌：電子工業出版社
內容簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
《複雜流體網路分析與控制》可作為從事複雜流體網路分析與控制研究和套用的科技人員的參考書，也可作為高等學校研究生學習流體網路控制的教學參考書。
圖書目錄
第1章緒論1
1.1流體網路概述1
1.2流體網路分析與控制的套用背景2
1.3流體網路的研究現狀3
1.3.1流體網路分析4
1.3.2流體網路控制7
1.3.3流體網路最佳化10
1.3.4血液循環流體網路分析與控制11
1.4本書的內容摘要及章節安排15
第2章流體網路非線性控制建模18
2.1流體網路分支動力學分析18
2.1.1連續方程19
2.1.2運動方程19
2.2基於電路圖論的流體網路動力學分析22
2.3基於電路圖論的流體網路動力學分析25
2.4流體網路的降階模型29
2.5本章小結31
第3章流體網路非線性控制器設計32
3.1基於全階模型的全分支控制器設計32
3.2基於降階模型的連支控制器設計34
3.3流體網路非線性控制器仿真36
3.3.1基於全階模型的全分支控制器仿真38
3.3.2基於降階模型的連支控制器仿真42
3.4輸入受限下反饋線性化控制器設計45
3.4.1基於執行機構分配的反饋線性化45
3.4.2無可行解存在的近似反饋線性化48
3.4.3非線性控制跟蹤仿真48
3.5本章小結53
第4章流體網路最佳化與控制一體化設計54
4.1引言54
4.2流體網路最佳化建模55
4.3和聲搜尋最佳化算法56
4.3.1和聲搜尋算法步驟57
4.3.2改進的和聲搜尋算法61
4.4礦井通風流體網路最佳化實例62
4.4.1單風機網路最佳化62
4.4.2多風機網路最佳化64
4.4.3改進的和聲搜尋最佳化結果67
4.5流體網路最佳化與控制一體化設計67
4.6本章小結68
第5章血液循環網路建模與平均法分析69
5.1引言69
5.2血液循環系統流體網路分析70
5.3周期性受迫血液循環流體網路建模與分析71
5.3.1引例71
5.3.2基於電路圖論的血液循環流體網路分析73
5.3.3血液循環流體網路建模與平均法分析75
5.3.4兩分支流體網路分析80
5.3.5四分支流體網路分析85
5.4腦循環Willis環流體網路平均法求解與病變分析89
5.4.1腦循環Willis環網路分析90
5.4.2基於平均法的Willis環網路分析92
5.4.3正常人Willis分析98
5.4.4腦梗塞Willis環病變分析101
5.4.5椎動脈狹窄Willis環病變分析105
5.5本章小結109
第6章Willis環非線性建模與病變控制110
6.1引言110
6.2 Willis環網路建模與控制仿真110
6.2.1 Willis環網路建模與控制器設計110
6.2.2 Willis環全分支控制器仿真114
6.2.3 Willis環連支控制器仿真117
6.2.4 Willis環跟蹤仿真120
6.2.5 Willis環病變控制與治療123
6.3 Willis環病變仿真驗證124
6.3.1腦梗塞病變仿真驗證124
6.3.2椎動脈狹窄病變仿真驗證127
6.4控制器的實現形式——治療方法與手段130
6.5本章小結133
參考文獻134
1.1流體網路概述1
1.2流體網路分析與控制的套用背景2
1.3流體網路的研究現狀3
1.3.1流體網路分析4
1.3.2流體網路控制7
1.3.3流體網路最佳化10
1.3.4血液循環流體網路分析與控制11
1.4本書的內容摘要及章節安排15
第2章流體網路非線性控制建模18
2.1流體網路分支動力學分析18
2.1.1連續方程19
2.1.2運動方程19
2.2基於電路圖論的流體網路動力學分析22
2.3基於電路圖論的流體網路動力學分析25
2.4流體網路的降階模型29
2.5本章小結31
第3章流體網路非線性控制器設計32
3.1基於全階模型的全分支控制器設計32
3.2基於降階模型的連支控制器設計34
3.3流體網路非線性控制器仿真36
3.3.1基於全階模型的全分支控制器仿真38
3.3.2基於降階模型的連支控制器仿真42
3.4輸入受限下反饋線性化控制器設計45
3.4.1基於執行機構分配的反饋線性化45
3.4.2無可行解存在的近似反饋線性化48
3.4.3非線性控制跟蹤仿真48
3.5本章小結53
第4章流體網路最佳化與控制一體化設計54
4.1引言54
4.2流體網路最佳化建模55
4.3和聲搜尋最佳化算法56
4.3.1和聲搜尋算法步驟57
4.3.2改進的和聲搜尋算法61
4.4礦井通風流體網路最佳化實例62
4.4.1單風機網路最佳化62
4.4.2多風機網路最佳化64
4.4.3改進的和聲搜尋最佳化結果67
4.5流體網路最佳化與控制一體化設計67
4.6本章小結68
第5章血液循環網路建模與平均法分析69
5.1引言69
5.2血液循環系統流體網路分析70
5.3周期性受迫血液循環流體網路建模與分析71
5.3.1引例71
5.3.2基於電路圖論的血液循環流體網路分析73
5.3.3血液循環流體網路建模與平均法分析75
5.3.4兩分支流體網路分析80
5.3.5四分支流體網路分析85
5.4腦循環Willis環流體網路平均法求解與病變分析89
5.4.1腦循環Willis環網路分析90
5.4.2基於平均法的Willis環網路分析92
5.4.3正常人Willis分析98
5.4.4腦梗塞Willis環病變分析101
5.4.5椎動脈狹窄Willis環病變分析105
5.5本章小結109
第6章Willis環非線性建模與病變控制110
6.1引言110
6.2 Willis環網路建模與控制仿真110
6.2.1 Willis環網路建模與控制器設計110
6.2.2 Willis環全分支控制器仿真114
6.2.3 Willis環連支控制器仿真117
6.2.4 Willis環跟蹤仿真120
6.2.5 Willis環病變控制與治療123
6.3 Willis環病變仿真驗證124
6.3.1腦梗塞病變仿真驗證124
6.3.2椎動脈狹窄病變仿真驗證127
6.4控制器的實現形式——治療方法與手段130
6.5本章小結133
參考文獻134
序言
前言
許多流體技術領域如液壓、氣動技術、礦山管網系統、石油化工的壓縮機管路及醫學的血流動力學等都有大量的流體傳輸問題需要解決。正確設計和合理使用流體動力和流體控制系統，研究管內流體傳動、瞬變問題，無論在理論上還是在實際套用上，都十分重要。本書針對流體網路研究中存在用線性化方法研究非線性系統、分支模型非等價近似等難以反映系統特性的問題，研究流體網路的建模、分析與控制。本書的主要內容包括：
（1）流體網路非線性控制建模。針對目前流體網路模型難以反映系統特性的問題，根據流體網路分支間流量和壓力相互影響的動力學特性，將Kirchhoff電流電壓定律、圖論原理和每一分支的流體動力學方程（微分方程）引入流體網路的建模中，建立了流體網路的多變數非線性全階模型，其中分支的模型利用不可壓縮的Navier-Stokes方程來建立；由於網路分支的流體流量是相互依賴的，根據電路圖論原理可以找到系統的最少獨立分支（連支）即網路動態的最小實現，據此建立了系統的降階模型，該模型反映了流體運動的非線性本質。
（2）非線性控制器設計。分別基於反饋線性化對全階模型和降階模型進行了非線性控制器設計，降階模型控制器設計只通過連支就可實現對流體網路所有分支的控制；在此基礎上通過控制分配解決了輸入受限下反饋線性化控制器設計，仿真結果表明，設計的控制器能使礦井通風流體網路的流量和壓力快速地收斂於其參考值，風量控制準確率除了分支1為98.11%，其他均超過99%，實現了流體網路的精確控制。
（3）針對流體網路流量按需分配的要求，提出了一種改進的和聲搜尋算法對流體網路的流量分配進行最佳化計算。仿真結果顯示，最佳化後單風機通風流體網路總能耗降低了3225W，其下降幅度約為3.81%；多風機通風網路總能耗降低了17779W，其下降幅度約為6.76%。把最佳化後的壓力和流量作為參考值代入前述模型進行控制器設計，求解最小分支阻力，這些阻力可以為流體網路建設和改造提供參考，從而實現流體網路最佳化、控制及建設的一體化設計。
（4）針對血液循環這一特殊的周期性受迫流體網路，建立了非線性微分方程 的流體網路模型，採用平均法首次給出血流量的高次諧波解，利用一次諧波解分析了某些血管循環疾病的形成過程；對腦循環（Willis環）進行建模和10次諧波求解，仿真結果顯示，腦循環18條分支的變化和臨床觀察到的血流改變現象一致，從而驗證了所建模型的正確性。
（5）利用第2章流體網路建模方法建立了腦循環（Willis環）網路模型，基於反饋線性化進行控制器設計，研究了腦梗塞、頸動脈狹窄、椎動脈狹窄和動靜脈畸形4種病變相關分支的阻力和流量的變化過程，基於病變數據的仿真驗證了所建模型的正確性，為腦循環疾病的治療提供了依據，並提出了通過藥物、手術和針灸等治療手段實現上述控制的基本方法。
由於作者水平有限，書中不妥及錯誤之處在所難免，還望讀者批評指正。
作者
許多流體技術領域如液壓、氣動技術、礦山管網系統、石油化工的壓縮機管路及醫學的血流動力學等都有大量的流體傳輸問題需要解決。正確設計和合理使用流體動力和流體控制系統，研究管內流體傳動、瞬變問題，無論在理論上還是在實際套用上，都十分重要。本書針對流體網路研究中存在用線性化方法研究非線性系統、分支模型非等價近似等難以反映系統特性的問題，研究流體網路的建模、分析與控制。本書的主要內容包括：
（1）流體網路非線性控制建模。針對目前流體網路模型難以反映系統特性的問題，根據流體網路分支間流量和壓力相互影響的動力學特性，將Kirchhoff電流電壓定律、圖論原理和每一分支的流體動力學方程（微分方程）引入流體網路的建模中，建立了流體網路的多變數非線性全階模型，其中分支的模型利用不可壓縮的Navier-Stokes方程來建立；由於網路分支的流體流量是相互依賴的，根據電路圖論原理可以找到系統的最少獨立分支（連支）即網路動態的最小實現，據此建立了系統的降階模型，該模型反映了流體運動的非線性本質。
（2）非線性控制器設計。分別基於反饋線性化對全階模型和降階模型進行了非線性控制器設計，降階模型控制器設計只通過連支就可實現對流體網路所有分支的控制；在此基礎上通過控制分配解決了輸入受限下反饋線性化控制器設計，仿真結果表明，設計的控制器能使礦井通風流體網路的流量和壓力快速地收斂於其參考值，風量控制準確率除了分支1為98.11%，其他均超過99%，實現了流體網路的精確控制。
（3）針對流體網路流量按需分配的要求，提出了一種改進的和聲搜尋算法對流體網路的流量分配進行最佳化計算。仿真結果顯示，最佳化後單風機通風流體網路總能耗降低了3225W，其下降幅度約為3.81%；多風機通風網路總能耗降低了17779W，其下降幅度約為6.76%。把最佳化後的壓力和流量作為參考值代入前述模型進行控制器設計，求解最小分支阻力，這些阻力可以為流體網路建設和改造提供參考，從而實現流體網路最佳化、控制及建設的一體化設計。
（4）針對血液循環這一特殊的周期性受迫流體網路，建立了非線性微分方程 的流體網路模型，採用平均法首次給出血流量的高次諧波解，利用一次諧波解分析了某些血管循環疾病的形成過程；對腦循環（Willis環）進行建模和10次諧波求解，仿真結果顯示，腦循環18條分支的變化和臨床觀察到的血流改變現象一致，從而驗證了所建模型的正確性。
（5）利用第2章流體網路建模方法建立了腦循環（Willis環）網路模型，基於反饋線性化進行控制器設計，研究了腦梗塞、頸動脈狹窄、椎動脈狹窄和動靜脈畸形4種病變相關分支的阻力和流量的變化過程，基於病變數據的仿真驗證了所建模型的正確性，為腦循環疾病的治療提供了依據，並提出了通過藥物、手術和針灸等治療手段實現上述控制的基本方法。
由於作者水平有限，書中不妥及錯誤之處在所難免，還望讀者批評指正。
作者
