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复杂流体网络分析与控制 PDF下载

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内容简介

  本书主要介绍复杂流体网络的分析与控制的方法,并应用于矿井通风系统、血液循环系统等实际复杂流体网络系统中。其中,流体网络建模建立了多执行机构复杂流体网络的非线性全阶模型和降阶模型;控制器设计建立了基于反馈线性化的全分支控制器和连支控制器设计;基于矿井通风系统建立了流体网络优化与控制一体化设计;基于血液循环系统分别验证了流体网络病变分析与控制治疗研究。本书基本上建立了流体网络建模、分析与控制的理论知识体系。

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目录

第1章 绪论
 1.1 流体网络概述
 1.2 流体网络分析与控制的应用背景
 1.3 流体网络的研究现状
  1.3.1 流体网络分析
  1.3.2 流体网络控制
  1.3.3 流体网络优化
  1.3.4 血液循环流体网络分析与控制
 1.4 本书的内容摘要及章节安排
第2章 流体网络非线性控制建模
 2.1 流体网络分支动力学分析
  2.1.1 连续方程
  2.1.2 运动方程
 2.2 基于电路图论的流体网络动力学分析
 2.3 基于电路图论的流体网络动力学分析
 2.4 流体网络的降阶模型
 2.5 本章小结
 
第3章 流体网络非线性控制器设计
 3.1 基于全阶模型的全分支控制器设计
 3.2 基于降阶模型的连支控制器设计
 3.3 流体网络非线性控制器仿真
  3.3.1 基于全阶模型的全分支控制器仿真
  3.3.2 基于降阶模型的连支控制器仿真
 3.4 输入受限下反馈线性化控制器设计
  3.4.1 基于执行机构分配的反馈线性化
  3.4.2 无可行解存在的近似反馈线性化
  3.4.3 非线性控制跟踪仿真
 3.5 本章小结
第4章 流体网络优化与控制一体化设计
 4.1 引言
 4.2 流体网络优化建模
 4.3 和声搜索优化算法
  4.3.1 和声搜索算法步骤
  4.3.2 改进的和声搜索算法
 4.4 矿井通风流体网络优化实例
  4.4.1 单风机网络优化
  4.4.2 多风机网络优化
  4.4.3 改进的和声搜索优化结果
 4.5 流体网络优化与控制一体化设计
 4.6 本章小结
第5章 血液循环网络建模与平均法分析
 5.1 引言
 5.2 血液循环系统流体网络分析
 5.3 周期性受迫血液循环流体网络建模与分析
  5.3.1 引例
  5.3.2 基于电路图论的血液循环流体网络分析
  5.3.3 血液循环流体网络建模与平均法分析
  5.3.4 两分支流体网络分析
  5.3.5 四分支流体网络分析
 5.4 脑循环Willis环流体网络平均法求解与病变分析
  5.4.1 脑循环Willis环网络分析
  5.4.2 基于平均法的Willis环网络分析
  5.4.3 正常人Willis分析
  5.4.4 脑梗塞Willis环病变分析
  5.4.5 椎动脉狭窄Willis环病变分析
 5.5 本章小结
第6章 Willis环非线性建模与病变控制
 6.1 引言
 6.2 Willis环网络建模与控制仿真
  6.2.1 Willis环网络建模与控制器设计
  6.2.2 Willis环全分支控制器仿真
  6.2.3 Willis环连支控制器仿真
  6.2.4 Willis环跟踪仿真
  6.2.5 Willis环病变控制与治疗
 6.3 Willis环病变仿真验证
  6.3.1 脑梗塞病变仿真验证
  6.3.2 椎动脉狭窄病变仿真验证
 6.4 控制器的实现形式——治疗方法与手段
 6.5 本章小结
参考文献

前沿

  许多流体技术领域如液压、气动技术、矿山管网系统、石油化工的压缩机管路及医学的血流动力学等都有大量的流体传输问题需要解决。正确设计和合理使用流体动力和流体控制系统,研究管内流体传动、瞬变问题,无论在理论上还是在实际应用上,都十分重要。本书针对流体网络研究中存在用线性化方法研究非线性系统、分支模型非等价近似等难以反映系统特性的问题,研究流体网络的建模、分析与控制。本书的主要内容包括:
  (1)流体网络非线性控制建模。针对目前流体网络模型难以反映系统特性的问题,根据流体网络分支间流量和压力相互影响的动力学特性,将Kirchhoff电流电压定律、图论原理和每一分支的流体动力学方程(微分方程)引入流体网络的建模中,建立了流体网络的多变量非线性全阶模型,其中分支的模型利用不可压缩的Navier-Stokes方程来建立;由于网络分支的流体流量是相互依赖的,根据电路图论原理可以找到系统的最少独立分支(连支)即网络动态的最小实现,据此建立了系统的降阶模型,该模型反映了流体运动的非线性本质。
  (2)非线性控制器设计。分别基于反馈线性化对全阶模型和降阶模型进行了非线性控制器设计,降阶模型控制器设计只通过连支就可实现对流体网络所有分支的控制;在此基础上通过控制分配解决了输入受限下反馈线性化控制器设计,仿真结果表明,设计的控制器能使矿井通风流体网络的流量和压力快速地收敛于其参考值,风量控制准确率除了分支1为98.11%,其他均超过99%,实现了流体网络的精确控制。
  (3)针对流体网络流量按需分配的要求,提出了一种改进的和声搜索算法对流体网络的流量分配进行优化计算。仿真结果显示,优化后单风机通风流体网络总能耗降低了3225W,其下降幅度约为3.81%;多风机通风网络总能耗降低了17779W,其下降幅度约为6.76%。把优化后的压力和流量作为参考值代入前述模型进行控制器设计,求解最小分支阻力,这些阻力可以为流体网络建设和改造提供参考,从而实现流体网络优化、控制及建设的一体化设计。
  (4)针对血液循环这一特殊的周期性受迫流体网络,建立了非线性微分方程的流体网络模型,采用平均法首次给出血流量的高次谐波解,利用一次谐波解分析了某些血管循环疾病的形成过程;对脑循环(Willis环)进行建模和10次谐波求解,仿真结果显示,脑循环18条分支的变化和临床观察到的血流改变现象一致,从而验证了所建模型的正确性。
  (5)利用第2章流体网络建模方法建立了脑循环(Willis环)网络模型,基于反馈线性化进行控制器设计,研究了脑梗塞、颈动脉狭窄、椎动脉狭窄和动静脉畸形4种病变相关分支的阻力和流量的变化过程,基于病变数据的仿真验证了所建模型的正确性,为脑循环疾病的治疗提供了依据,并提出了通过药物、手术和针灸等治疗手段实现上述控制的基本方法。
  由于作者水平有限,书中不妥及错误之处在所难免,还望读者批评指正。
  作者

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