可逆过程范文

可逆过程范文（精选9篇）

可逆过程 第1篇

自有限时间热力学[1,2,3,4,5,6]用于实际热机的性能研究分析和优化研究以来,取得了一系列成果。 Rubin[7]最早提出的内可逆卡诺循环模型是有限时间热力学研究的基本物理模型。近几十年来,应用有限时间热力学和最优控制理论分析实际内燃机循环也取得了一系列的成果。Mozurkewich[8]等和Hoffman[9]等将最优控制理论应用于Otto循环和Diesel循环分析,得到Otto循环和Diesel循环的活塞最优运动规律。Aizenbud[10]等和陈林根[11]等将活塞最优运动规律应用到内燃机循环分析中,得到了2种传热规律下Otto循环的最优活塞运动规律。戈延林[12,13]等给出了熵产生最小时不可逆Otto循环和不可逆Diesel循环热机活塞最优路径。 Angulo -Brow n[14]等建立了一类考虑时间因素的不可逆Otto循环模型。Klein[15]和陈林根[16,17]等分析了传热损失对Diesel和Otto循环性能的影响。 戈延林[18]等导出了在 存在摩擦 和传热损 失时Diesel循环的功率效率特性。上述工作都是在工质比热恒定的情况下进行的。在实际热机工作时, 工质温度变化范围较大,工质的比热也随着温度的变化而变化,这种变化将会对循环产生一定的影响。Ghatak[19]首先考虑了工质变比热和外不可逆性对Dual循环的影响。陈林根[20]等研究了考虑工质变比热和摩擦损失时的Dual循环的性能。戈延林[21,22]等分析了工质变比热对内可逆和不可逆Otto循环的影响。

随着对热机循环的深入研究,人们开始探索一种普适循环,目的是能够使得循环包括一些常用的循环模型。秦晓勇[23]等建立了由2个绝热过程、1个等热容加热过程以及1个等热容放热过程组成的普适热机循环模型。戈延林[24,25]等建立了由2个等热容吸热过程、2个放热过程和2个绝热过程组成的普适空气循环不可逆循环模型,通过数值计算给出了功率与压比、效率与压比以及功率与效率之间的关系,并且分析了工质变比热对循环性能的影响。陈林根[26]等建立了考虑传热损失、摩擦损失以及内不可逆性损失的往复式热机普适循环模型,分别研究了循环在工质比热比恒定或随温度线性、非线性变化情况下的性能特性,结果表明采用不同的工质比热模型时,变比热对循环的影响不同。在实际热机循环过程中,工质进行的吸热过程是多变过程,而且这种变化将会对循环的性能产生一定的影响。分析多变指数对循环的影响,能够对实际热机的设计起到指导作用。用变比热吸热过程代替定比热的吸热过程,更符合实际热机工作情况。

在上述研究的基础上,建立考虑摩擦损失、传热损失和工质变比热时,由2个绝热过程,1个多变吸热过程和1个等容放热过程组成的循环模型。 这个模型具有一定的普适性,它包含了Otto循环和Diesel循环,同时又有一定的拓展性,在多变指数取不同值时,又产生了一类新的循环模型。同时应用有限时间热力学理论和方法,分析多变指数、 工质变比热、摩擦损失和压比对循环输出功率、效率的影响。

1循环模型和性能分析

往复式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀和压缩等过程都是在汽缸内进行的,因此结构比较紧凑,实际应用广泛。现有的四冲程内燃机都采用开式循环,吸入空气后经过与燃料的混合、燃烧,燃气膨胀做功以后以废气的形式排入大气,下一循环需要重新从大气中吸入新鲜空气。燃烧和排气都是不可逆过程,而且燃气的质量和成分与空气不同。引入 “空气标准假设”将开式循环抽象成以空气为工质的理想闭式循环。在Otto循环的基础上考虑吸热过程为多变过程的循环模型图如图1所示,其中1 - 2为绝热压缩过程,2 - 3为多变吸热过程,3 - 4为绝热膨胀过程,4 - 1为等容放热过程。

在实际热机循环过程中,比热随工质的温度变化而变化,而且这种变化将会对循性能产生一定的影响。按文献[19]~ 文献[22]的处理方法假设工质的比热仅与温度有关,并且在循环的工作范围之内,工质的比热与温度呈线性关系,可以表示为:

式中: bv—与定容热容相关的常数,J/( mol·K) ; ap—与定压热容相关的常数,J/( mol·K) ; R—工质的气体常数,J/( mol·K) ; k1—工质比热随温度变化系数,J/( mol·K2) ; Cvm—工质的摩尔定容比热, J / ( mol·K) ; Cpm—工质的摩尔定压比热,J/( mol·K) 。

由绝热指数k定义可得:

多变过程摩尔比热Cnm与定容比热Cvm关系为:

式中: n—多变指数。

假设热机每秒循环次数为N,循环工质的摩尔质量为M,则按照陈林根[20]等对Dual循环的处理方法,循环的吸热率Qin为:

循环的放热率Qout为:

循环输出的可逆功率PR为:

式中: N—热机单位时间内循环次数; M—工质的摩尔量,kmol。

由于工质的比热是随温度变化的,所以绝热过程的绝热指数k( k = Cp/ Cv) 也要随温度变化。因而经常被使用的恒比热可逆绝热过程的公式不适用于变比热可逆绝热过程。按照文献[19]~ 文献 [22]的处理方法,假设变比热绝热过程可以被分解为无数个无限小的过程,每个无限小的过程中可以近似地认为工质的比热是恒定的。例如,可以将任意2个状态之间的可逆绝热过程看作是由无数个无限小的绝热指数k为常数的可逆绝热过程组成,当工质的温度和比体积分别变化了dv和d T时,对于任意一个无限小的过程可表示为:

由式( 9) 可得:

式中: Ti—工质在i状态时的温度; Vi—工质在i状态时的比体积,i = 1,2,3,4。

定义循环压缩比 γv为:

因此,对于绝热过程1 - 2和3 - 4有:

由循环过程特性可知,对于2 - 3多变过程和4 - 1定容放热过程有:

代入式( 10) 可得:

对于理想循环,不存在传热损失 。 然而,对于实际的活塞式内燃机循环,在工质和气缸之间的不可逆传热损失是不能忽略的 。 按照文献[ 15 ] ~ 文献[ 17 ]假设通过气缸壁的传热损失与工质和环境的温差成正比,且壁温为常数 。 则由工质燃烧和传热可得工质的吸热流率Qin为:

式中: A— 工质的热值, J/mol ; B— 传热损失系数, J/ ( mol·K ) 。

在活塞式内燃机中,活塞在气缸中运动会产生摩擦损失,按照文献[14]、文献[20]的处理方法, 假设活塞与气缸之间的摩擦力fu与速度v成线性关系有:

式中: μ—摩擦系数,N·s/m; L—活塞运动距离,m。

因此,由摩擦力造成的功率损失Pμ为:

对于四冲程发动机而言,活塞每个循环运行的路程为:

式中: x1、x2—分别为活塞起始、终止时的位置,m。

活塞的平均速度为:

循环次数N与发动机转速W的关系:

导出由于摩擦造成的功率损失Pμ为:

因此,循环输出功率P为:

循环效率 η 为:

在给定工质的摩尔质量M、循环次数N、转速W 、与传热和燃烧有关的常数A和B、压缩比 γv和初温T1的情况下可以解出T2,可知仅是初温和压比的函数; 然后再解出T3,可知T3仅是初温和压比的函数; 最后解出T4,可知T4也仅是初温和压比的函数。将解出的T2、T3和T4代入得到相应的功率、效率。由此得到功率和效率与压缩比的关系及循环的其他特性关系。

式( 26 ) 两边同时对转速求导,令d P/d W = 0 ,可得:

由式( 27) 可得功率输出最大时对应的转速Wp为:

代入可得,在最佳转速时的最大功率输出Pmax为:

令g ( γv,T1) = bv( T3- T2) - R ( T3- T2) / ( n - 1) + 0. 5k1( T32- T22) ,代入式可得:

对式( 30) 两边同时对转速求导,可得:

综合分析可知,在给定初温后,每一个压比对应一个最佳转速使得功率输出最大,最大功率输出由公式给出。由此式可知,转速越大,效率下降速度越快。

2数值算例

参照文献[17]、文献[22]、文献[25]确定各参数取值如表1所示。在此取值范围,可以得到不同参数组合下的 η - γv、P - γv和P - η 曲线。

3结果讨论

考虑吸热过程为多变过程后模型具有一定的普适性又有一定的拓展性,当n = 0时,循环为Diesel循环; 当n = ∞ 时循环为Otto循环; 当n < 0时循环是一类介于Otto循环和Diesel循环之间的循环; 当n < k时,循环是一类性能优于Otto循环和Diesel循环的循环。前人已经对Otto循环和Diesel循环做了大量分析研究,文中主要对n = 2时工质变比热和摩擦损失对循环性能的影响进行分析。

图2和图3给出了变比热对循环性能的影响。 图中虚线表示k1= 0时的功率与压比以及效率与压比的关系,此时比热 为恒值,实线表示k1= 0. 004844J / ( mol·K2) 时功率与压比以及效率与压比的关系,此时比热随温度变化而变化。图2和图3表明考虑工质变比热时,各种特例循环功率和效率极值大小关系不变,但对于单种循环考虑变比热以后,循环的功率和效率极值都下降。

图4和图5给出了k1对循环功率和循环效率的影响,由式可知k1表示比热随温度变化快慢的程度,k1越大表示工质比热对温度变化越敏感。 随着k1的增大,功率和效率都将下降,效率和功率的最大值所对应的压比基本没有变化。由图4可知,当k1增加20% 时,最大效率约下降5% 。由图5可知,当k1增加20% 时,最大功率约下降5. 5% 。 当k1= 0. 004844J / ( mol·K2) 时,最大功率对应的压比为4. 8,最大效率对应的压比为6. 3。当k1= 0. 008370J / ( mol·K2) 时,最大功率对应的压比为5,最大效率对应得压比为6. 4。由此可知,不存在固定压比使得循环效率和循环功率同时达到最大值。

图6给出了k1对功率与效率的关系影响曲线,在确定循环工质以后,该曲线对实际热机的设计有一定的指导作用,可以使循环按照不同的目标进行设计( 以最大功率为目标,以最大效率为目标,兼顾效率和功率为目标等) 。由上分析可知, 在k1变化时,为了使热机有较高效率和较大输出功率,应尽量使用k1小的工质。

图7和图8给出了转速对循环功率和循环效率的影响。转速越高,表征单位时间内循环的次数越多。因此,导致单位时间内活塞和汽缸之间的摩擦力做功增加,摩擦力造成的功率损失越大。由图7可知,随着转速的增加循环最大输出功率增大, 转速增加20% ,循环最大输出功率约增大16% ,最大输出功率对应的压比约下降4% 。由图8可知, 随着转速的增加,循环最大效率点降低,转速增加20% ,循环最大效率点约下降2. 5% ,循环最大效率所对应的压比约下降6% 。对比图7和图8可知,在转速一定的情况下,循环最大功率点和最大效率点所对应的压比不同。图9给出了转速对循环功率效率的影响曲线,该曲线对动力机械工作有一定的指导作用。

图10和图11给出了摩擦系数 μ 对循环功率和循环效率的影响。当不考虑摩擦损失时( μ = 0) ,循环效率随着压比的增大而增大,循环功率随着压比的增大先增大后减小,呈抛物线型。当考虑摩擦损失时,循环功率和循环效率与压比的关系呈抛物线型。由图10可知,当 μ 增大20% 时,最大功率约下降4% ,由图11可知,当 μ 增大20% 时, 最大效率越下降2% 。由图10和图11可以看出, 最大功率和最大效率对应的最佳压比不同。图12给出了摩擦因子对循环效率和循环功率的影响。

图13和图14给出了多变指数n对循环功率和循环效率的影响。图13给出在不同多变指数时功率与压比的关系曲线,曲线呈抛物线型。当n = 0时功率最大时对应的压比为 γv= 5. 3,当n = 2时功率最大对应的压比为 γv= 4. 6,在最大功率输出时多变指数对循环的最佳压比有一定的影响。图14给出在不同多变指数时效率与压比的关系曲线,曲线呈抛物线型,随着多变指数的增加,热机的效率先减小后增大,随着压比的增加,效率先增大后减小。当多变指数确定时,都存在最佳压比使得循环的效率最大。当n = 0时最高效率对应的最佳压比为 γv= 6. 7,当n = 2时最高效率对应的最佳压比为 γv= 6. 2,可见多变指数对循环最佳效率所对应的压比有一定的影响。

4结语

在Otto循环和Diesel的基础上,建立了考虑工质吸热过程为多变过程、工质变比热、传热损失和摩擦损失时的一类普适往复式循环模型。用有限时间热力学理论对模型进行研究,导出了循环输出功率和效率。通过数值计算得到循环的性能特性,结果表明:

1) 考虑工质变比热以后,循环的功率和效率都会降低。

2) 考虑摩擦损失后,效率不再随着压比增大而无限增大,存在最佳压比使得效率达到极值。

电机的可逆原理 第2篇

定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构

由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机的可逆运行原理

自然界:可逆与不可逆 第3篇

1、时间：可逆与不可逆

可逆、不可逆是关于过程的概念，一个物质系统从某一状态出发，经某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，它能够使该系统和外界环境完全复原，则原来的过程为可逆过程；反之则为不可逆过程。对于可逆与不可逆的认识是与对于时间的认识相伴的。

时间的概念来自古人对于自然过程的感受与思考。在中国古代有许多关于时间的格言、谚语，如“机不可失，时不再来”、“天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”，反映了对时间的不可逆性的初步认识。

自然科学产生以后，其关注对象首先是自然界现存事物的现存关系。在牛顿力学体系中，虽然有关绝对时空的基本假定，但“时间本质上是一个与运动有关的参量”[1]；相对论[2]和量子力学作为20世纪物理学的两次革命，均未能修改牛顿力学的这个特征。

在“存在的物理学（p h y s i c s o f being）”[1]中，基本的定律对时间来说都是可逆的；时间仅为描述运动的一个参量，与物质的运动性质无关，过去和未来没有区别，没有进化和历史。无论是牛顿方程的运动轨道，还是薛定谔方程的波函数，将时间“换向”（即将t换为-t）后，其形式都不会改变。在经典的时间观念中，可逆性是一个基本点，不可逆性则往往被看作是对运动的初始条件或状态不够了解的结果，是应予摒弃的。如在经典热力学中，不可逆现象因其对提高热机效率不利而必须尽量加以排除；在经典的理论计算中，不可逆过程总是被设法化简为可逆过程，等等。

热力学第二定律在物理学中占有重要地位，它是“演化的物理学（Physics of becoming）”[1]的开端，这个定律以熵增加原理第一次在物理学中引入了进化的观念，描述了时间不可逆性，并说明了不可逆过程的方向指向熵增加的方向。

以普里高津为代表的布鲁塞尔学派，在非平衡态热力学方面所进行的研究，把历史的因素引入物理学和化学，使之像生物学、社会学那样去研究演化与发展，“时间之矢”成为研究的着眼点。耗散结构理论标志着对不可逆性的研究进入一个新阶段。

1.1 可逆性

自然界不存在真正意义上的可逆过程，但确实存在能够以可逆性描述或处理的过程。这是人们引入可逆性概念的基础。

对可逆性的研究在自然科学中占有重要的地位。以人的有限认知能力去了解和认识无限的、复杂的自然界，一个有效的方法，就是将研究对象理想化。理想化的、无损耗的过程都是可逆过程，如伽利略的斜面理想实验、理想的单摆、理想的弹性碰撞等等。在此基础上建立的具有时间完全可逆性的牛顿力学定律是科学发展史上的一个里程碑。

人们由可逆过程出发进行的研究经过积累和修正，从而可以了解不可逆过程的规律，并逐渐逼近对自然界本质的认识。如卡诺循环是以可逆过程为基础提出来的，这种理想循环在实际中无法实现，但却由此推出了对热力学不可逆过程作第一次定量表述的热机效率公式。

可见，可逆性在人们认识自然的过程中是既作为理想的模型又作为使复杂问题简化的方法而起作用的，可以说没有对可逆过程的研究，就没有自然科学的发展。

在自然界的发展演化过程中，不存在真正的可逆过程，但却广泛存在着貌似可逆的循环过程，如自然界中水、氧、碳的循环过程；自然有机体的生成及降解；生命体的新陈代谢过程；生命体的生长及消亡等等。这些过程因其周期性循环而能达到状态的复原，但其对环境的改变却不能复原，在此我们称此类过程为准可逆过程。自然界因这些准可逆过程在流动与循环中不断发展，生生不息。可以说准可逆过程是自然界进化的“加油机”，是自然界得以持续进化的基础，否则自然界将在进化中走向衰竭。准可逆过程对自然界的演化具有重要意义，因而有必要予以特别关注。

1.2 不可逆性

世界上一切实际过程都是不可逆的。宇宙的起源与演化，恒星的起源与演化，地球的起源与演化，生命的起源与演化，无一不是不可逆过程。可以说，不可逆性是与一切发展与演化过程相联系的。在自然界的发展与演化中，不可逆性起着基本的、建设性的重要作用[3]。正是由于不可逆性的存在，才会有系统新质的产生，自然界的演化才成为可能。

不可逆过程存在于两个方向上，即所谓“熵增”分支与“熵减”分支。

不可逆过程如果在平衡态附近发生，就会导致系统“熵增”，即退化。根据热力学第二定律，系统经过一个过程达到平衡时，其熵值最大，系统最无序，从而达到“热寂”，失去发展的动力；系统成为“瞎”[3]的、“死”的。当然，系统的完全退化只能发生在与外界没有物质交换也没有能量交换的孤立系统中，自然界中的退化都是部分的、不完全的。

不可逆过程如果在远离平衡态发生，就会导致系统“熵减”，即进化。根据普里高津的耗散结构理论，系统在远离平衡的状态下，从外界吸收大量的物质、能量，通过系统中的非线性作用可导致有序结构的产生。科学家发现的贝纳德花样、化学振荡、激光等等，都是远离平衡、系统开放条件下的有序现象。

处于“熵减”分支上的不可逆过程有演化历史，而且“不忘”历史，对这种过程来说，“时间是创造”[4]，系统有序结构的产生及有序度的提高，导致系统进化，直至生命的产生。

2、可逆性与不可逆性之关系

可逆与不可逆，从概念上和实际上是相比较而存在，相依存而发展的，并且在一定条件下可以互相转化，是一种对立统一的关系。

在现实中，可逆性只适用于有限的简单的情况，而不可逆性才是这个世界的规律。但可逆性概念在人类认识自然的过程中发挥了重要作用，并将继续发挥作用。

如前所述，理想化的可逆过程是研究自然界的不可逆过程的规律的有效工具，而且在实践中用可逆过程来近似处理某些自然过程（如弹性碰撞，天体的轨道运动）也是简单而方便的。基于此，我们可以说，可逆与不可逆在方法论意义上是并存的。

本文所讨论的准可逆过程，其主要特点是循环和周期性。每一个准可逆过程又是由两个或两个以上的不可逆过程组成的。基于此，我们也可以说，不可逆性是准可逆性得以维持的基本条件，而准可逆性又是不可逆过程得以持续进行的基本保障。

在人类出现以前，自然界靠着各种不可逆的过程保持不断演化，同时又以各种准可逆的过程对演化进行调节，保持和谐，使得自然生态系统保持长期稳定。人类的活动，特别是近几百年来人类的活动对自然生态系统造成了严重的干扰。人工生态系统的产生，极大地满足了人类生产和生活的需要，提高了人类的生活质量，加快了人类社会的发展；但同时，其对自然生态系统的破坏也日益严重。人类活动已造成许多严重的生态问题，如土地荒漠化和生物物种的灭绝；同时大量不可降解的人工物进入自然界，对环境造成了严重污染。

因此，为了地球自然生态的长期稳定，为了人类社会的可持续发展，人类应更加重视人与自然的和谐统一。人类不能把自然作为征服和改造的对象，同时只单纯地发展环境保护的制度和技术也是远远不够的；人类不可能从目前的文明后退，去过与自然和谐共存的原始生活；人类社会也不可能停止发展或大大地放慢发展速度，以求保护自然生态环境。人类应改变发展的模式，人类的所有活动都应存在调节机制，人类的所有产品都应具备“降解”机制。这样才能重建人与自然的和谐关系。

3、结束语

对自然系统准可逆过程的研究应该是自然科学的一个非常重要的课题。人类应在充分研究不可逆过程的基础上，充分地研究自然生态系统的准可逆过程，目前正得到发展的生态科学、环境科学、环保技术等，虽是这方面的好的开端，但在真正意义上对准可逆过程的科学研究还未进行。人类应深入研究自然生态系统准可逆过程的机理和本质，建立普适的理论，指导人类未来的活动。

摘要：从概念和实际的角度对可逆性、不可逆性,同时对它们之间的关系,进行了论述及分析。指出自然科学应在充分研究自然界的不可逆性的基础上,对自然界的准可逆的循环过程给予高度关注,并进行深入研究。

关键词：可逆,不可逆,自然生态,准可逆

参考文献

[1]沈小峰.耗散结构理论中的哲学问题,普里高津与耗散结构理论[M].西安:陕西科学技术出版社.1998:345

[2]史蒂芬·霍金.时间简史[M].长沙:湖南科学技术出版社.2000:131

[3]普里高津.时间之探索,普里高津与耗散结构理论[M].西安:陕西科学技术出版社.1998:243

氨的催化氧化是可逆反应吗 第4篇

氨(Ammonia，即阿摩尼亚)，氮和氢的化合物，分子式为NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨，水溶液又称氨水。降温加压可变成液体，液氨是一种制冷剂。氨也是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料。氨对地球上的生物相当重要，它是许多食物和肥料的`重要成分。氨也是所有药物直接或间接的组成。氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。

格值可逆自动机的代数性质 第5篇

有穷自动机作为计算理论中最简单的数学模型,它不仅是计算机科学的理论基础,为现代计算理论提供可靠的形式理论,而且与神经网络、数学模型等领域密切相关,在汇编语言、编译语言和算法设计等方面有重要的应用[4,6,7]。但在处理自然语言尤其是人类使用的语言时,形式语言对于人类使用语言的模糊性的描述能力明显不够为此,1965年,Zadeh LA[8,16,19]等人提出了模糊语言的概念,1969年Wee WG利用模糊集的方法研究自动机理论[16,17],模糊自动机为计算理论提供了一种研究和处理包含模糊性自然语言的有力工具,关于模糊自动机和模糊语言的讨论已有很多[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18].在[11]中Mordeson JN开始了模糊自动机的代数研究,Asveld PRJ,等人在[1]较详细地研究了模糊自动机的代数性质.随后李永明,邱道文,应明生[9,10,13,14,18]等人不同程度地推广了模糊自动机理论,并提供了多值逻辑意义下研究自动机理论的方法,其势必将拉近形式语言和自然语言之间的距离.当强调对于环境资源的消耗问题,亦即资源的权值,就得到了更广泛的基于词的计算模型———加权自动机模型,其在模型检测,文本搜索,时态逻辑,图像压缩和语音处理等领域的应用已成为近期热点问题[3]。本文旨在进一步探索取值于一般有界格的-值自动机的代数性质,主要针对自动机的可逆性展开研究。

2定义

定义2.1格值自动机(亦称为￡值自动机,简记为￡-VMA)是三元组M=(Q,∑,μ),其中Q,Σ都是非空有限集,分别表示有限状态集和有限输入符号集,μ是Q×∑×Q的值有限子集,即μ:Q×∑×Q→,￡表示￡值状态转移函数。

命题:“输入τ使当前状态q转移到下一状态”记为“(p,τ,q)∈μ”,其真值为μ(q,τ,p)。

按照形式语言通常记法,∑*表示∑上长度有限的串的集合,ε表示空串,对任意θ∈∑*,｜θ｜表示串θ的长度。∑*关于串的连接运算构成由∑生成的自由幺半群。

定义2.2给定任意￡-VMA M=(Q,∑,μ),定义扩充模糊状态转移函数为:μ*:Q×∑*×Q→￡,即

(1)对任意q∈Q,若q=p,则μ*(p,ε,q)=1,否则μ*(p,ε,q)=1;

(2)对任意x∈∑*,a∈∑,μ*(p,xa,q)=∨r∈Q(μ*(p,x,r)∧μ(r,a q))。

由定义2.1和定义2.2容易证明以下命题成立。

命题2.1设M=(Q,∑,μ)是任一￡-VMA,则。

定义2.3若映射π:∑*→∑*满足,对任意τ∈∑且x∈∑*,π(ε)=ε,π(τ)=τ,π(xτ)=π(τ)π(x),π(π(x))=x,则称映射π是可逆的。

命题2.2设映射π:∑*→∑*是可逆的,则对任意x,y∈∑*都有π(xy)=π(y)π(x)。

证明:利用数学归纳法对y的长度｜y｜归纳证明结论成立。

当｜y｜=0时,即y=ε,由定义2.3π(xy)=π(xε)=π(x)=επ(x)=π(ε)π(x)=π(y)π(x);

假设｜y｜=n-1时结论成立,即π(xy)=π(y)π(x);

当｜y｜=n时,令y=zτ,其中｜z｜=n-1,由定义2.3和归纳假设可知π(xy)=π(xzτ)=π(τ)π(xz)=π(τ)π(z)π(x)=π(zτ)π(x)=π(y)π(x),因此由数学归纳法可知结论成立。

定义2.4设M=(Q,∑,μ)是任一￡-VMA,且π:∑*→∑*是可逆映射,则称Mπ=(Q,∑,μπ)是M的逆自动机,其中μπ表示由μ和π诱导出的映射,μπ:Q×∑×Q→￡,即μπ(p,τ,q)=μ(q,π(τ),p)。

定义2.5对于任意￡-VMA Mπ=(Q,∑,μπ),定义扩充模糊状态转移函数为:μπ*:Q×∑*×Q→￡,即

(1)对任意q∈Q,若q=p,则μπ*(p,ε,q)=1,否则μπ*(p,ε,q)=1;

(2)对任意x∈∑*,a∈Σ,μπ*(p,xa,q)=∨r∈Q(μπ*(p,x,r)∧μπ(r a,q))。

命题2.3设M=(Q,∑,μ)是任一￡-VMA,且π:∑*→∑*是可逆映射,则以下条件等价。

(1)￡是分配格;

证明:(1)⇒(2):只需证明μπ*(p,xy,q)=∨{μ*(q,π(y),r)∧μ*(rπ(x),p):r∈Q,p,q∈Q},以下利用数学归纳法对y的长度y归纳证明结论成立。

当｜y｜=0时,即y=ε,由定义2.2和定义2.4可知结论成立;

假设结论对于｜y｜=n-1时成立;

当｜y｜=n时,令y=τ1τ2…τn∈∑*,其中τ1,τ2,…,τn∈∑,由定义2.4可知

(2)⇒(1)只需证明对任意a,b,c∈￡,a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c)。构造￡-VMA M=(Q,∑,μ)和Mπ=(Q,∑,μπ)如下:

其他情况下μ取值为0。令x=τ1,y=τ2τ3由(2)可知

因此a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c),由a,b,c的任意性可知￡是分配格。

摘要：首先在格值逻辑框架下引入格值自动机的概念,并提出可逆映射的概念,从而诱导出格值可逆自动机的概念;其次研究了格值可逆自动机的代数性质,同时给出保证该代数性质成立的充分必要条件.

一种量子可逆逻辑模板综合算法 第6篇

自从shor的量子因数分解算法和grover的量子搜索算法的出现, 量子计算成为了计算机科学家、 数学家和物理学家研究的重点。 由于量子计算是可逆的, 且可逆逻辑可以避免计算过程中信息的丢失, 理论上将不会产生能耗, 因此可逆逻辑被广泛应用在量子计算中。 可逆逻辑的综合算法被大量地提出[1,2,3,4,5], 但是, 这些综合算法通常得不到可逆逻辑的最优线路, 线路的代价较高。 最优线路是指实现一个可逆逻辑函数而所需要的逻辑门最小数量的线路, 线路的代价是指一个线路中逻辑门的数量和。

为了综合最优线路, 模板优化技术被提出[6,7,8,9]。 模板是一个实现恒等功能, 且不能被其他模板所优化的最优线路。 当线路中一个门序列同模板中一个门序列相同, 且长度大于模板长度的一半以上, 则这个门序列可以被模板的剩余门序列所替代, 从而优化可逆逻辑线路。 可以看出, 模板优化依赖于模板的数量, 模板数量越多, 优化效果越好。 文献[9] 提出了一个模板综合的方法, 由于计算和存储条件的限制, 文献仅得到了3-qubit长度不大于8 的模板。

以3-qubit为例, 提出了一个基于遗传算法的量子模板综合方法, 该方法通过遗传算法的交叉、 变异、 选择算子, 不断进化, 最终得到模板, 具体的算法在第三章描述, 第二章介绍了相关的背景知识, 实验结果在第四章, 第五章是总结。

2 背景知识

一个量子比特的状态是一个二维复数空间的向量, 这里的a和β为任意复数, 且必须满足归一化要求。

量子可逆逻辑门是量子计算的基本单元, 量子比特经过各个量子逻辑门时, 依据门功能发生变换。常用的量子可逆逻辑门库为NCT门库, NCT门库构成了量子可逆逻辑综合的最小完备门集。文中可逆逻辑线路和模板将采用NOT、CNOT和Toffoli门综合。

NOT (x1) 门是1-qubit逻辑门, 其功能为

CNOT (x1, x2) 门是2-qubit逻辑门, 其功能为

Toffoli (x1, x2, x3) 门是3-qubit逻辑门, 其功能为

例如对于可逆函数f={3, 0, 6, 2, 4, 7, 1, 5}, 其真值表如表1所示, 量子线路如图2所示。

模板是实现恒等功能的线路, 并且不能被其他模板所优化。 一个长度为m的模板记为T=G0G1G2…Gm-1=1。 对于长度为m的模板, 取任意的k (0≤k≤m-2) , 令f=G0…Gk, 则Gk+1…Gm-1=f-1, 即G0…Gk= (Gk+1…Gm-1) -1。 当线路中的一个门序列与G0…Gk相匹配, 并且, 则可以用 (Gk+1…Gm-1) -1=Gm-1…Gk+1的门序列等价替换当前线路中的门序列, 从而达到优化线路的目的。

3 基于遗传算法的模板综合

遗传算法 (Genetic Algorithm, GA) 是现代计算方法中非常重要的一种全局优化方法[10]。 遗传算法从生物进化过程中获取灵感, 利用计算机模拟自然选择和生物的交配、 变异现象, 从而实现对现实问题的求解。 遗传算法将一个问题的解空间编码, 每一个编码代表一个个体, 即染色体, 建立一个包含潜在的解的群体作为种群, 在环境作用下通过选择 (selection) 、 交叉 (crossover) 和变异 (mutation) 一代代繁衍, 由于子代的环境适应力一般优于父代, 因此算法最终能够得到问题的较优解。

选择又称为选择算子, 按照预先选定的策略从父代中挑选一些个体生存下来, 剩下的个体则被淘汰。 交叉是指仿照自然界基因传递的过程交配, 对存活下来的父代个体的某些基因进行优化组合, 办法是将两个父代个体某些对应位置的基因互换, 以产生新的个体。 变异是指对编码的某些位置上的基因按一定概率进行的改变。

在基于遗传算法的模板综合中, 将一个量子可逆逻辑线路看成一条染色体, 而线路中的量子可逆逻辑门就是这个染色体的基因。 算法的目的是找到实现恒等函数功能且不能被其他模板优化的线路, 如果找到这样的线路, 则将线路加入现有的模板库。 算法首先初始化种群, 也就是随机产生一定数量的量子可逆逻辑线路, 每一个线路被编码为一条染色体, 然后种群经过适应度计算、 选择、 交叉、 变异等操作产生子代, 重复上述操作, 不断进化, 种群最终出现一些实现恒等功能的量子可逆逻辑线路。 最后再判断这些线路是否为模板线路, 如果是, 就加入现有的模板库。

算法描述:

染色体编码。 由于每一个逻辑门, 代表着一个染色体的基因, 3-qubit的逻辑门共有12 种, 所以采用实数编码染色体。 如图3 所示。

适应度函数。 适应度函数是评估一个染色体的优异程度, 为了得到恒等功能函数的量子线路, 适应度函数同目标函数的汉明距离有关, 函数如下:

fitness=hamming*circuit_size

其中hamming是当前线路输出与恒等函数输出的汉明距离之和, circuit_size为当前量子线路的大小, 如果fitness大于0, 则说明该线路实现的函数功能不是恒等函数, 一般来说, fitness越小, 则离解空间越近, 反之则越远。

选择算子。 这里算法采用了类似排序选择法 (rank-based selection) , 策略是较大几率选择小适应度的染色体进入下一轮进化, 同时对相同适应度的染色体进行扫描分析, 只选择其中相似度较低的染色体进入下一轮进化。 选择相似度低的染色体是为了防止遗传算法过早的收敛, 出现 “早熟” 现象。如果选择后, 种群数量不够设定值, 则随机生成新的染色体, 加入种群中。

交叉算子。 算法采用了two-point crossover的算子, 随机选择2 条染色体和2 个基因位点 (locus) a、 b, 然后将染色体1 的a至b的基因与染色体2 的a至b的基因进行交换, 生成2 条新的染色体。

例如, 染色体1: 6 1 2 10 1 4 12 7 10 1

染色体2: 7 3 4 9 12 7 2 10 5 11

基因位点a=3, b=6, 则新染色体为:

新染色体1:6 1 4 9 12 7 12 7 10 1

新染色体2:7 3 2 10 1 4 2 10 5 11

变异算子。 染色体变异, 是随机选取一个染色体和一个基因位点, 在该基因位点进行基因的突变。

例如, 染色体: 6 1 2 10 1 4 12 7 10 1

基因位点为8, 则新染色体为:

新染色体: 6 1 2 10 1 4 12 3 10 1

值得注意的是, 交叉算子和变异算子并不是对所有染色体有效, 而且以一定的概率进行操作, 算法中交叉概率为0.9, 变异概率为0.1。

算法最后将得到的恒等函数功能的量子线路同模板库进行优化, 如果优化成功, 则丢弃该线路, 否则, 算法找到了一个新的模板, 并加入当前的模板库。

4 实验结果

为了验证算法的有效性和更好地比较试验结果, 对文献[6][9]的3qubit模板问题进行搜索, 寻找更多的解。

依据上述算法, 用c语言写了一个程序, 模板的大小设定为10, 种群大小为2000, 进化次数为500, 算法从长度1开始搜索模板一直到长度9 为止。 在搜索长度为n的模板时, 首先生成初始化种群, 然后进行选择、 交叉、 变异操作, 将适应度高的个体遗传到下一次进化中, 经过数百次进化, 得到最终的染色体, 经过线路优化和现有模板库进行比较后, 将符合的新模板加入模板库。 程序运行后, 得到9 以内的量子可逆逻辑模板, 结果如图4 所示。

图5 是算法得到的模板, 同文献[6][9]比较, 不仅得到了文献中所有的模板 (长度5、 6 和8 的模板) , 还得到长度9 的新模板 (T9-1、 T9-2、 T9-3) , 值得注意的是, 基于遗传算法的模板合成方法没有计算和存储的限制, 只需要对算法中相关的参数进行修改, 就可以得到大规模的模板序列, 比如4-qubit模板、 长度为10 的模板等。

5 结语

遗传算法是一个有效的全局搜索方法, 基于此算法, 进行3-qubit的量子可逆逻辑模板的合成, 从实验结果看出, 该算法可以有效地综合模板线路, 与文献[6][9]相比, 它没有存储和计算上的限制, 特别是综合大尺寸的模板线路, 有着良好的效果。 但值得注意的是, 由于遗传算法中的 “早熟” 问题, 会影响模板搜索的结果, 因此对遗传算法中, 选择、 交叉、 变异算子的研究, 防止搜索结果过早收敛, 避免陷入局部优化, 是今后的研究方向之一。

参考文献

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[6]Maslov D, Dueck G W, Miller D M.Toffoli network synthesis with templates.IEEE Trans Computer-Aided Design Integrated Circuits System, 2005, 24 (6) :807-817

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[9]Md.Mazder Rahman and Gerhard W.Dueck.An Algorithm to Find Quantum Templates.In WCCI 2012 IEEE World Congress on Computational Intelligence, Brisbane, Australia, june 2012, 623-629

可逆性后部白质脑病30例分析 第7篇

1 临床资料

1.1 一般资料

选取2009年8月至2012年8月我院住院确诊为RPLS患者30例, 其中男18例, 女12例;年龄26～75岁, 平均49岁;高血压脑病10例;妊娠高血压综合征2例, 肝功能衰竭3例, 肾功能衰竭9例, 肾病综合征4例, 肺癌化疗2例。

1.2 临床表现

患者均为急性起病, 除其中3例外均血压显著升高 (150～220/100～140mmHg) , 出现头痛12例、意识障碍11例、癫痫发作13例、视觉障碍15例, 精神症状6例。

1.3 影像学检查

患者头颅CT表现为枕叶低密度影16例, MRI表现为双侧顶枕叶, 脑干, 小脑和 (或) 基底节区对称或不对称的T1低或等信号, T2高信号, DWI等或稍高信号;其中累及顶叶15例, 枕叶24例, 基底节区10例, 小脑4例, 脑干3例。

1.4 治疗结果

经脱水降颅压, 治疗原发病, 控制血压, 抗癫痫药物止痫, 妊娠患者硫酸镁解痉, 终止妊娠等治疗后, 临床症状缓解。2～3周后临床症状、体征消失, 基本痊愈。复查头颅MRI, 异常信号基本消失。

2 讨论

近年来RPLS已日益引起临床医师的关注, 由于其可逆性这一特点, 正确迅速诊断及治疗对其预后影响较大。其病因复杂, 目前发病机制尚不明确, 常见病因包括高血压病, 免疫抑制药物应用, 急性间歇性卟啉病, 糖尿病肾病, 低血容量, 电解质紊乱, 溶血性尿毒症, 肝功能衰竭, 慢性肾功能不全, 急性肾小球肾炎, 血管炎, 肿瘤, 输血, HIV感染, 静脉应用丙种球蛋白等[2,3,4]。

其发病机制尚不明确, RPLS发病可能为多种因素作用所导致的结果, 血压突然增高可能是其发病的主要原因。高血压, 体液潴留及免疫抑制药物对血管内皮细胞产生细胞毒性作用引起脑部毛细血管渗漏综合征有关。血压急骤升高, 超过脑血管自我调节能力, 血管由收缩变为自动扩张, 脑血流量增加过度灌流, 使脑血管床内液体外漏而进入细胞外间隙, 引起血管源性脑水肿, 导致颅压增高和斑片状出血[5], 若高灌注状态持续存在, 甚至可导致细胞毒性脑水肿引发不可逆性脑梗死[6]。本组中多数患者均为血压急骤增高所致, 基础疾病大多与高血压有关, 也可证实以上机制。

该病主要的临床表现有: (1) 癫痫发作。可作为首发症状, 常表现为全身性发作, 也可表现为视觉性发作, 大多数反复癫痫发作。 (2) 头痛为全头胀痛。 (3) 视觉障碍。常见视物模糊, 还可出现偏盲, 幻视等。 (4) 精神行为异常和意识障碍包括认知功能下降, 记忆力注意力定向力下降, 嗜睡, 昏睡, 思维混乱, 主动性降低等。有的患者可出现瘫痪, 感觉障碍, 共济失调, 但较少见。多数患者急性期都有血压增高, 但是不一定是持久性的。本组患者均为急性起病, 血压显著升高, 出现头痛, 意识障碍, 癫痫发作, 视觉障碍及精神症状。符合该病临床表现, 其中头痛, 癫痫及视觉障碍表现最多见。

RPLS最常见的影像学表现是大脑半球后部白质水肿, 特别是双侧顶枕叶, 脑干, 小脑, 基底节及大脑皮质也可受累。多为对称性, 也可不对称、白质重于灰质, 占位效应轻、病灶无强化, 通常不累及距状沟和枕叶中线旁结构。磁共振上表现为T1WI为等或低信号改变, T2Wl为高信号改变, DWI为等或略高信号改变, ADC图为高信号改变, 此时与脑梗死明显不同, RPLS患者在DWI出现脑部血管源性水肿的典型信号, 即低信号或等信号。目前DWI被认为是诊断和排除缺血性/细胞毒性脑改变的金标准[7], 可区别缺血性脑损伤的细胞毒性水肿与RPLS的血管性水肿。经过积极治疗, 影像学改变可在数天或数周内回复正常。本组患者多数为顶枕叶受累, 经过有效治疗后, 临床症状消失, 影像学表现明显好转。这样的可逆性特点可以与脑梗死, 静脉血栓, 动脉炎, 脱髓鞘病鉴别。该病大脑后部白质受损为主主要是由于白质内血管丰富, 组织结构疏松, 细胞外液易潴留, 同时后部血管的交感神经活性较低, 导致血流动力改变时, 保护性血管收缩功能丧失, 血管局部扩张后血管内压力升高, 血管内液体外渗。因此, 大脑后部白质为血管源性水肿易发区域。

该病一经诊断必须积极治疗, 对决定预后有非常大的意义, 因其长时间的血管源性水肿可导致细胞毒性脑水肿引发不可逆性脑梗死, 故强调早期诊断, 早期治疗, 一般预后较好, 针对脑水肿降颅压是首要治疗, 并且应辅助针对癫痫, 高血压等对症治疗。本组患者经治疗后预后均良好, 影像学异常亦基本恢复, 未遗留明显后遗症。但文献报道存在预后欠佳患者[8], 故加强对这一疾病的认识非常必要。

参考文献

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[7]Schaefer PW, Grant PE, Gonzalez RG.Diffusion weighted MR ima-ging of the brain[J].Radiology, 2000, 217 (2) :331.

可逆性大脑后部白质脑病临床分析 第8篇

可逆性大脑后部白质脑病在临床中具有意识障碍、头痛、癫痫发作性抽搐等症状表现,影像检查结果中能够发现双侧皮层及其下产生的水肿;控制血压后症状能够得到明显缓解,临床表现及影像结果都能在半个月左右的时间恢复正常。该病具有多样病因,临床早期诊断难度较大,尽快明确诊治,大部分患者可迅速恢复正常。现对8例可逆性大脑后部白质脑病的有关资料进行分析,具体情况总结如下。

1 资料与方法

1.1 患者资料

收集2011年1月—2012年12月期间的8例可逆性大脑后部白质脑病综合征患者,其中有3例男患者,5例女患者,患者年龄在23—72岁之间。主要病因类型为,3例患者为高血压脑病(其中有1例患者为合并肾功能不全),2例患者为子痫,1例患者为多发性大动脉炎,1例患者为血栓性血小板减少性紫癜,1例患者为系统性红斑狼疮。

1.2 临床表现

可逆性大脑后部白质脑病在临床中主要有意识障碍、头痛、癫痫发作性抽搐等症状表现。本研究病例中有6例患者为急性发病,2例为亚急性发病。发病症状主要有,有2例患者为意识障碍、5例患者为头痛、1例患者为癫痫发作性抽搐。

1.3 影像检查

8例患者都进行头颅CT、核磁共振检查,可发现大脑半球后部白质存在T1及T2双侧对称的加权呈长信号病灶。病变位置主要分布为,5例患者在大脑后部白质,1例患者在侧脑室前角旁,2例患者在小脑白质与脑干。头颅CT检查可发现3例双侧枕叶低密度影;5例患者核磁共振表现中T1呈短信号、T2呈长信号,主要发现在以两侧枕叶大面积改变时比较常见。临床症状好转半个月左右内对头颅CT、核磁共振复查,7例患者影像学改变消失,1例患者遗留小片状病灶,一个月后再对患者进行复查,头颅CT结果中病灶已消失。

1.4 脑脊液及脑电图检查

本研究中的8例患者采取腰穿方式检查脑脊液,7例患者压力在182—326静压(1静压=0.0098千帕),3例患者压力在85—185静压(1静压=0.0098千帕),对脑脊液进行生化及常规检查不存在任何异常。脑电图检查结果中有3例患者在正常范围,1例患者轻度异常,4例患者中度异常;两侧大脑半球产生弥漫性慢波,主要是枕叶,依次是颞叶、顶叶。半个月后对脑电图进行复查,存在的异常改变已完全消失。

1.5 治疗方法

8例患者都采用脱水(125毫升20%甘露醇注射液,2—4次/天;20毫克呋塞米,1—2次/天)、血压控制(5分钟内乌拉地尔首剂负荷25毫克后以4—8毫克/小时进行持续泵入,环节癫痫发作性抽搐(10毫升地西泮)及改善循环(长春西汀20毫克/天)等方法治疗,其中对3例患者采取高压氧治疗方法。

2 结果

8例患者中有6例患者症状与体征完全消失(占75%),有2例患者症状显著好转。

3讨论

可逆性大脑后部白质脑病是具有可逆性的一种临床综合征,正常情况下,可自动调节人脑血流,其发病机制应为血压迅速增高超过了脑血管系统自我调节能力时,脑血管对功能障碍进行自动调节,因血管痉挛导致潜在可逆性脑缺血,而扩张的脑动脉又造成脑组织灌注过度,导致渗出血管内液体及大分子物质受到影响。

因脑后循环的血管交感神经肾上腺素可分布在较少的纤维中,交感神经在血压迅速拉升时对脑血管的自我调节能力进行维持,而后循环对损害血压瞬间更加敏感。肾功能不全时毒性物质渗出将损伤血管内皮,产生暂时性血脑屏障损害,因蛋白渗出对颅内集聚尿毒症性毒性物质加重[1]。血管内形成的微血栓导致脑动脉产生脑缺血、闭塞、缺氧及血管源性水肿,进而伴有脑出血的脑梗死。

颈动脉内膜剥脱术后并发可逆性大脑后部白质脑病患者可采取再灌注方法突破灌注压,主要出现血管神经源性水肿;临床中主要有意识障碍、头痛、癫痫发作性抽搐等症状表现。本研究中的8例患者都具有颅内压不同程度升高等情况,7例产生头痛,5例患者意识具有不同程度障碍及精神异常,2例患者存在各种形式的癫痫发作性抽搐。

本研究中的8例患者CT、核磁共振检查都存在双侧大脑后部主要是白质的对称性病灶等表现,核磁共振的T2加权呈长信号,T1加权呈短信号,并对如小脑、额叶、基底节区等部位产生一定影响[2]。本研究中有1例患者具有左顶枕叶、小脑小片状病灶,这与其严重病情形成微血栓导致脑缺血梗死,治疗恢复较慢等具有一定关系。

怀疑存在可逆性大脑后部白质脑病患者,应及时采用头颅CT、脑电图、核磁共振及脑脊液腰穿检查等方法进行综合检查,才能及时结合病因采取有效治疗措施,获得较好的临床疗效。

参考文献

[1]李元元,付潆苇,韩丽英.妊娠合并白质脑病病例分析[J],中国医药指南,2014.12:283.

直流电机PWM可逆调速系统设计 第9篇

直流电机是形成最早的一种电机形式, 广泛应用于交运、航天、自动化等各种领域中。早期的直流电机控制系统由各种非线性电子电路组成, 结构复杂、功能单一, 限制了其应用。随着电力电子技术的发展和进步, 脉冲宽度调制技术 (Pulse-Width Modulation, 简称PWM) 逐渐成熟, 在很大程度上带动了直流电机的发展。PWM的主要原理是通过控制半导体器件的通断来产生一系列幅度相同、宽度不等的矩形波, 根据等面积定则可以通过控制这些矩形波的宽度来模拟各种形式的信号, 即PWM通过控制半导体器件的通断时间来控制输出电压的幅值和频率。

随着电子技术、信息技术和控制技术的发展, 采用芯片对直流电机的速度进行调节逐渐得到应用。芯片在直流电机调速系统中的主要作用是产生PWM调制信号, 还具有一定的其他控制功能。单片机以其占地面积小、能耗低、价格便宜、使用简便而成为直流电机调速系统的第一选择。

1 直流电机的调速方法

根据直流电机的基本工作原理, 其转速主要由三个条件决定:端电压U、主磁通 Φ 和电枢回路内阻R, 根据这三个条件可以将直流电机的调速方法分为三种。

(1) 改变端电压U调速。直流电机的转速与其端电压U正相关, 调节端电压U的高低可以连续得调节转速的快慢, 在调节的过程中, 电机的转矩近似保持恒定。采用这种方式, 可以获得比较快的响应速度和比较平滑的速度特性, 但是需要装置额外的可调电源, 价格较高。

(2) 改变主磁通 Φ 调速。通过调节励磁电流If的大小可以方便得控制电机主磁通 Φ 的高低, 进而改变直流电机的转速。在调节的过程中, 直流电机的电磁功率近似保持恒定。采用这种方式, 可以获得比较平滑的速度特性曲线, 但是只能使电机的速度由低到高变化而不能使转速降低, 并且响应速度较慢。

(3) 改变点数回路内阻R调速。改变电枢回路的内阻R, 可以间接改变端电压U的大小, 进而改变电机的转速。采用这种方式, 具有价格低廉、操作简单的优势, 但是不能获得平滑的转速特性, 机械特性较差, 在启动的过程中基本上无法发挥作用, 并且外接电阻会消耗额外的能量。因此, 这种方式的使用场合很少。

综合比较以上几种方法的优缺点, 本文采用改变电枢电压的方式进行调速。根据上文的分析, 采用这种方式需要配备大容量的可调电源, 本文通过PWM电路实现。

2 PWM调速系统整体设计及基本原理

(1) 系统整体设计。本文采用STC89C52RC型单片机产生PWM信号对直流电机的速度进行调节。系统需要实现的主要功能有五个:电机的启动、停止、加速、减速、反转。根据系统的功能可以将其分为三个主要部分:输入、控制、输出。输入部分可以通过选择直流电机的运行状态;控制部分的主体为STC89C52RC型单片机, 还包括其他的辅助电路;输出部分主要有液晶数码显示器组成, 主要作用是读取PWM电路的占空比, 可以方便得了解电路的运行状态。输入部分和输出部分构成比较简单, 本文主要对控制部分进行分析。

(2) PWM调速原理。PWM通过控制电力电子器件的通断, 产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形波, 对直流电机进行控制。图1给出了PWM调速的基本结构。

图1 给出的PWM电路结构为双极性, 即电路的输出只有两种形式的电平。电路的主要元件为VT1、VT2、VT3、VT4四个晶闸管, 通过控制其所在支路的通断时间, 即可自由控制直流电机两端的电压。VT1和VT4所在支路导通时, 电枢供电电压UAB为正, VT2和VT3所在支路导通时, 电枢供电电压UAB为负, 两条支路的控制信号互补, 并且留有一定的死区时间。通过控制VT1和VT4所在支路和VT2和VT3所在支路的通断时间比例, 即占空比的高低, 即可以方便得控制PWM电路输出矩形波的等效正弦电压的幅值, 进而控制直流电机电枢回路的供电电压。

3 系统硬件设计

本文的设计为基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统, 本章将对系统各模块的硬件构成进行设计。

(1) STC89C52RC型单片机介绍。STC89C52RC型单片机是由我国宏晶科技有限公司生产的一种8 为STC增强型8051 系列单片机。篇幅所限, STC89C52RC型单片机各管脚的功能本文不再赘述, 具体见参考文献5。

(2) 系统电源。系统中的STC89C52RC型单片机及控制部分中的其他辅助电路均采用DC-5V供电电源, 但是直流电机的驱动电路供电电源为DC-12V, 所以, 系统中还需要设置一个将可以实现直流电压变换的电路。本设计选择使用线性稳压电源实现此功能。其工作原理见图2。

从图2 可以看出, 系统所采用的直流电压变换器具有两个输出, 电路结构非常简单, 并且具有稳态精度高的优点, 还能够在一定程度上抵抗交流侧输入电压的不正常波动。

(3) PWM输出。PWM信号的产生主要由系统控制部分的STC89C52RC型单片机完成, 在P3.7 端口生成一系列幅值相同、宽度不等的矩形波。关于矩形波的形式, 本文采用周期恒定、占空比改变的方式, 通过调节占空比的高低来控制直流电机电枢两端电压U的大小, 进而控制转速连续变化。

(4) 电动机驱动模块。本文采用L298 芯片对直流电机进行驱。由于STC89C52RC型单片机P3.7 端口产生的矩形波幅值较小, 所以不能直接将其加在电机两端进行驱动, 需要加设一些辅助电路对矩形波的幅值进行放大, L298 芯片即可完成此功能。L298 芯片工作于单极性方式, 即直流电机电枢供电电压极性保持不变。STC89C52RC型单片机P3.7 端口的输出作为L298 芯片的是能信号, 控制其工作与否, 间接控制直流电机的端电压高低进行调速。由于本文研究的对象为小容量直流电机, 因此, 只需要占用L298 芯片的两个驱动端口中的一组即可, 另一组引脚可以悬空或通过上拉电阻接高电平。

(5) 系统整体设计图。图3 为直流电机PWM可逆调速系统的整体设计图, 系统的DC-5V和DC-12V供电电源由图2 单独给出。

4 结论

本文对基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统进行了设计, 重点对系统的控制部分进行了分析。系统的控制部分主要由STC89C52RC型单片机和L298 芯片以及供电电源和一些辅助电路构成。STC89C52RC型单片机的主要作用是产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形PWM信号波, L298 对这些矩形波的幅值进行放大, 增强对电机的驱动能力。由于能力所限, 本设计尚存在各种缺点, 需要在将来的工作中作进一步改进。

摘要：旋转电机的形式主要有三种:直流电机、异步电机、同步电机。其中, 直流电机由于具有较为完善的启动性能和宽广平滑的调速特性在生产和生活的各个领域得到广泛的应用。本文对直流电机的调速方法进行了分析, 重点对PWM控制的直流电机调速系统进行了设计。

关键词：直流电机,PWM,调速

参考文献

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