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微生物间歇发酵1,3-丙二醇中的非线性时变时滞最优控制研究

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微生物间歇发酵1,3-丙二醇中的非线性时变时滞最优控制研究

作者：李昱泽山东工商学院

学位级别：硕士

1,3-丙二醇(简记1,3-PD)是化工生产中的一种不可或缺的原料,微生物间歇发酵生产1,3-PD具有浓度高、操作方式简单等优点,已受到国内外广泛研究。时滞现象普遍存在于生产过程中。目前,时滞最优控制系统被广泛应用于生物制药、化工生产、... 详细信息

1,3-丙二醇(简记1,3-PD)是化工生产中的一种不可或缺的原料,微生物间歇发酵生产1,3-PD具有浓度高、操作方式简单等优点,已受到国内外广泛研究。时滞现象普遍存在于生产过程中。目前,时滞最优控制系统被广泛应用于生物制药、化工生产、多智能体系统等领域。本课题以工业生产中微生物发酵生产1,3-PD过程为背景,对一类非线性时变时滞系统的最优控制理论与算法进行了研究。研究包括建立数学模型、提出基于最优控制理论的时变时滞最优控制算法,并进行分析和优化。通过数值模拟,验证了所提出的算法的可行性和有效性。本课题的研究成果不仅对微生物间歇发酵生产1,3-PD过程的优化和控制具有重要的意义,而且也为时变时滞最优控制系统的研究和应用提供了参考。主要内容如下:1、研究了间歇发酵甘油生产1,3-PD过程中的单目标时变时滞最优控制问题。鉴于该过程中存在时滞现象,提出了一个非线性时变时滞微分系统来刻画该过程。本文的目标是最大化终端时刻1,3-PD的产率,并基于此建立了一个时变时滞最优控制模型,来计算最优的初始生物量、初始甘油和发酵时长。为了将该最优控制模型转化为具有固定终端时刻的问题,提出了一种时域转换技术。通过应用罚函数法,将相应的问题转化为一个仅含有盒式约束的优化问题,并设计了一种改进的差分进化算法来求解。数值结果表明,该算法相比已有的结果有明显提高。2、研究了间歇发酵甘油生产1,3-PD过程中的双目标时变时滞最优控制问题。以最大化1,3-PD产率和最小化甘油消耗率为目标函数,提出了一个双目标时变时滞最优控制模型。双目标优化问题和单目标优化相比,最大的区别在于双目标优化问题是一个向量优化的问题。而向量之间仅仅存在偏序关系,难以直接比较向量之间的大小。本文应用时域转换技术和精确罚函数法,将双目标时变时滞最优控制问题转化为一系列双目标优化问题,并设计HDE-NSGA-Ⅱ智能算法求解该双目标优化问题。通过使用多个经典测试函数进行实验分析,得到的帕累托前沿显示了最优目标值的分布,表明了所得最优策略的有效性。

关键词：时变时滞最优控制差分进化算法双目标优化间歇发酵

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微生物间歇发酵过程的时变时滞最优控制研究

控制工程 2023年第7期30卷 1332-1337页

作者：刘重阳李昱泽山东工商学院数学与信息科学学院山东烟台264005 山东工商学院信息与电子工程学院山东烟台264005

主要研究间歇发酵甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)过程中的时变时滞最优控制问题。针对该间歇发酵过程中存在的时滞现象,采用一种非线性时变时滞微分方程系统来刻画该过程。将终端时刻1,3-PD的产率最大化作为性能指标,建立了一个最优控制模... 详细信息

主要研究间歇发酵甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)过程中的时变时滞最优控制问题。针对该间歇发酵过程中存在的时滞现象,采用一种非线性时变时滞微分方程系统来刻画该过程。将终端时刻1,3-PD的产率最大化作为性能指标,建立了一个最优控制模型来计算最优的初始生物量、初始甘油和发酵时长。进一步,为了将该最优控制模型转化为具有固定终端时刻的问题,提出一种时域转换技术。通过应用约束转化技巧和罚方法,将该具有固定终端时刻的问题转化为一个仅含有盒式约束的优化问题,并设计了一种改进的差分进化算法来求解。从仿真实验的数值结果可以看出,在终端时刻,运用本控制算法得到的1,3-PD的产率相比之前的产率有明显提高。

关键词：时变时滞时域转换罚方法差分进化算法间歇过程

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海泡石离心分级流动特性研究与装置设计

海泡石离心分级流动特性研究与装置设计

作者：李昱泽湘潭大学

学位级别：硕士

海泡石是目前世界上用途最广的非金属矿物材料之一,随着超细颗粒生产技术的发展,海泡石超细粉研究开发与应用迈入了新阶段,因此研发性能稳定可靠、高精度的海泡石分级装备,能广泛促进中国海泡石工业的发展。本文通过在传统离心式分级装... 详细信息

海泡石是目前世界上用途最广的非金属矿物材料之一,随着超细颗粒生产技术的发展,海泡石超细粉研究开发与应用迈入了新阶段,因此研发性能稳定可靠、高精度的海泡石分级装备,能广泛促进中国海泡石工业的发展。本文通过在传统离心式分级装置内增设内外双壁绕面式筛网实现了离心和筛分耦合作用下的颗粒分级,同时引入负压吸附辅助方式和伯努利效应增强分级效果,本文完成了海泡石离心分级装置机械结构、关键零部件结构设计,同时深入研究了不同工艺参数下设备内流场的两相流动特性和颗粒透筛机理,揭示了不同参数下流体颗粒运动规律,本文主要的研究思路及研究内容如下所示:（1）海泡石矿粉颗粒特性检测。采用矿粉综合性能检测仪、扫描电镜、激光粒度仪、斯托默粘度计等仪器检测,测得海泡石颗粒的密度、粘度、压缩度、形貌特征、粒度分布等物性参数,为后文的数值模拟及结果检验提供数据支撑。（2）海泡石离心分级理论研究及装置设计。基于介观尺度下离心、筛分及负压吸附耦合作用下的动力学基础理论,以立式螺旋离心机中的经验和试验数据为参考依据,实现了设计样机的技术参数数值计算,完成了海泡石离心分级装置的基本理论研究及整体结构设计。（3）介观尺度下分级区内海泡石颗粒流动的数值模拟。基于气固两相动力学理论,结合离心分级技术、筛分技术和负压吸附的方法研究,建立原理样机的分割模型及实域模型。实现分割模型的网格划分及装配,通过FVM方法针对筛筒转速300、500r/min,转鼓转速200、400r/min,射流速度5、10、15、20m/s下离心耦合流场中海泡石颗粒的流动特性进行计算,提出一种同时考虑颗粒粒径、离心旋转、筛网筛分及射流的数值模拟分析方法,对海泡石矿粉颗粒运动情况进行数值模拟分析,同时运用UDF实现了颗粒特性、粘性边界的定义问题。（4）海泡石离心分级实验研究。搭建海泡石粉离心分级实验平台,并进行了不同转鼓及筛网配合转速下及不同射流速度下的分级试验,得到分级效果最佳的配合转速及分级速度;针对不同工艺参数下装置的分级性能进行检验,以验证是否满足生产需求,末节对仿真结果预实验结果对比分析。理论分析、数值模拟和实验结果表明,本文研制的将离心力场分级、筛分及负压吸附方式相融合的新型分级装置,具有分级精度高、分级速度快、筛网冲击小、调节便利等优势,对开展海泡石矿粉的工程应用及扩大生产具有重要意义,可提高湖南湘潭储量丰富的海泡石矿粉应用范围及产品附加值。

关键词：海泡石颗粒离心分级透筛筛分负压吸附数值模拟

生物质气微型燃气轮机低排放燃烧室燃烧性能研究

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生物质气微型燃气轮机低排放燃烧室燃烧性能研究

作者：李昱泽沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

近年来在微型燃气轮机燃烧室的研发中,在保证燃气轮机性能的前提下,低排放技术成为了重中之重,国内外对微型燃气轮机燃烧室的研发工作也多是围绕着降低污染物排放开展的。生物质气是一种可燃成分及热值都有别于天然气的可燃气体,其燃烧... 详细信息

近年来在微型燃气轮机燃烧室的研发中,在保证燃气轮机性能的前提下,低排放技术成为了重中之重,国内外对微型燃气轮机燃烧室的研发工作也多是围绕着降低污染物排放开展的。生物质气是一种可燃成分及热值都有别于天然气的可燃气体,其燃烧特性与天然气存在较大的差别,为天然气设计的低排放微型燃气轮机燃烧室不适用于生物质气。为深入研究生物质气低排放微型燃气轮机燃烧室的燃烧及排放特性,本文对一种为生物质气设计的低排放燃烧室的燃烧性能进行了实验研究与数值模拟研究。在实验研究中,进行了使用不同生物质气的燃烧特性测试。分析了空气分配方式、燃料喷嘴组合方式及燃料成分等因素对燃烧室燃烧效率、总压恢复系数以及污染物排放的影响规律。实验结果表明:值班级与主燃级的燃料分配比例对燃烧性能存在影响,当燃料分配比为0.375时,NOx和CO的排放为10.47ppm和10.94ppm,燃料效率在99%以上,达到了对燃烧室污染物排放的要求。建立了燃烧室数值计算模型,对实验状态下的燃烧特性进行了计算并与实验结果进行了对比,确认了所采用数学模型的可信性后,对影响燃烧室点火性能的参数（点火温度、火核半径以及点火位置等）,进行了数值计算。计算结果表明:处于一个合适的油气比范围内,点火温度从1000K增加到2500K能够提供更多的点火能量来引燃燃料与空气混合气,更容易引燃周围区域,火焰传播速度加快;点火位置轴向距离过远,燃料出口处的燃料的着火会很困难。当轴向距离大于0.085m后,点燃初始火焰所需能量将大幅度增加,火焰传播速度迅速下降;越大的点火火核半径能够提供给用于引燃燃料的能量就越多,这会导致火焰传播速度更快,点火时间更短,点火性能更好。

关键词：微型燃气轮机低排放燃烧室排放性能研究气体燃料

基于SSP-RCP不同情景的京津冀地区土地覆被变化模拟

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地理学报 2022年第1期77卷 228-244页

作者：范泽孟中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023

如何实现自然与人文双重驱动下的特大城市群地区土地覆被变化的情景模拟,不仅是当前土地覆被变化研究领域的热点问题,也是城镇化可持续发展研究的核心主题之一。本文在对现有土地覆被变化情景模型缺陷进行分析和修正的基础上,构建了自... 详细信息

如何实现自然与人文双重驱动下的特大城市群地区土地覆被变化的情景模拟,不仅是当前土地覆被变化研究领域的热点问题,也是城镇化可持续发展研究的核心主题之一。本文在对现有土地覆被变化情景模型缺陷进行分析和修正的基础上,构建了自然要素与人文要素耦合驱动的土地覆被情景曲面建模(SSMLC)方法。结合IPCC 2020年发布的共享社会经济路径(SSPs)与典型浓度路径(RCPs)组合的CMIP6 SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5的气候情景数据,以及人口、GDP、交通、政策等人文参数,分别实现了SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的京津冀土地覆被变化的情景模拟。模拟结果表明:SSMLC对京津冀地区土地覆被变化模拟的总体精度为93.52%;京津冀地区的土地覆被在2020—2040时段内的变化强度最高(3.12%/10a),2040年以后的变化强度将逐渐减缓;在2020—2100年间,建设用地增加速度最快,增加率为5.07%/10a。湿地的减少速度最快,减少率为3.10%/10a。2020—2100时段内的京津冀土地覆被在SSP5-8.5情景下的变化强度整体高于在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下的变化强度;GDP、人口、交通和政策等人文因子对京津冀地区耕地、建设用地、湿地和水体的影响强度高于对其他土地覆被类型的影响强度。研究结果证实了SSMLC模型能够有效模拟和定量刻画京津冀地区土地覆被空间分布格局在未来不同情景的时空变化趋势和强度,模拟结果可为京津冀协同一体化的国土空间优化配置与规划、以及生态环境建设提供辅助依据和数据支撑。

关键词：土地覆被情景曲面建模 SSP-RCP情景土地覆被变化情景时空模拟京津冀

基于加权核范数和L_(2,1)范数的最优均值线性分类器

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电子与信息学报 2022年第5期44卷 1602-1609页

作者：曾德宇梁泽逍吴宗泽广东工业大学自动化学院广州510006 广东工业大学粤港澳离散制造智能化联合实验室广州510006

缺陷检测是智能制造系统的一个重要的环节。在采用传统机器学习算法进行缺陷分类的时候,通常会遇到数据噪声干扰,降低算法对缺陷类别的预测精度。尽管近几年提出了如鲁棒线性判别分析(RLDA)等强大的算法用于解决数据受稀疏噪声干扰的分... 详细信息

缺陷检测是智能制造系统的一个重要的环节。在采用传统机器学习算法进行缺陷分类的时候,通常会遇到数据噪声干扰,降低算法对缺陷类别的预测精度。尽管近几年提出了如鲁棒线性判别分析(RLDA)等强大的算法用于解决数据受稀疏噪声干扰的分类问题,但仍存在一些缺点限制其应用性能。该文提出一种新的基于线性判别分析的最优均值鲁棒线性分类模型(OMRLSA)。不同于以往应对噪声数据的分类方法忽略稀疏噪声具有的拉普拉斯分布特性对数据均值的影响,该文所提出的最优均值鲁棒线性分类模型会自动更新数据的最优均值,从而保证数据的统计特性不会受到噪声的干扰。此外,随后的损失函数中首次在鲁棒分类模型中引入了关于正则化和误差测量的联合L_(2,1)范数最小化和秩压缩的加权核范数最小化方法,从而提高算法的鲁棒性。在具有不同比例损坏的标准数据集上的实验结果说明了该文方法的优越性。

关键词：缺陷检测缺陷分类鲁棒线性分类器低秩恢复

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以新质科研推动中国骨科的原始创新

中华骨科杂志 2024年第7期44卷 427-429页

作者：张英泽河北医科大学第三医院创伤急救中心河北省骨科研究所河北省骨科生物力学重点实验室国家卫生健康委骨科智能器材重点实验室石家庄050051

2023年9月习近平总书记在黑龙江考察调研期间首次提到“新质生产力”一词,强调高质量发展需要新的生产力理论来指导,而以科技创新为核心,以信息化、智能化为特征的新质生产力已经在实践中形成,并展示出对高质量发展的强劲推动力和支撑... 详细信息

2023年9月习近平总书记在黑龙江考察调研期间首次提到“新质生产力”一词,强调高质量发展需要新的生产力理论来指导,而以科技创新为核心,以信息化、智能化为特征的新质生产力已经在实践中形成,并展示出对高质量发展的强劲推动力和支撑力。进一步明确中国骨科以新质生产力推动高质量发展的着力点,体现了以高质量考核为新质生产力赋能助力的鲜明导向,照亮了中国骨科新一轮高质量发展的光明前景!

关键词：生产力理论原始创新高质量发展支撑力信息化新质考察调研着力点

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加强以临床应用价值为导向的基础研究

中华创伤骨科杂志 2024年第1期26卷 1-3页

作者：张英泽河北医科大学第三医院创伤急救中心国家卫生健康委骨科智能器材重点实验室河北省骨科研究所河北省骨科生物力学重点实验室石家庄050051

1945年7月,二战结束前夕,美国科学研究和发展办公室主任范内瓦尔·布什(Vannevar Bush)递交给时任美国总统杜鲁门一份报告——《科学,无尽的前沿》,为战后美国科学技术的发展指明了方向,"确保战后美国的科学技术永远领先世界,不仅仅要... 详细信息

1945年7月,二战结束前夕,美国科学研究和发展办公室主任范内瓦尔·布什(Vannevar Bush)递交给时任美国总统杜鲁门一份报告——《科学,无尽的前沿》,为战后美国科学技术的发展指明了方向,"确保战后美国的科学技术永远领先世界,不仅仅要领先世界,而且要领先世界几代,才能确保美国能够真正地赢得永久的和平"。虽然已经过去了80年,但该报告中的许多思想对当前科技发展仍然具有很强的指导性,其中极为重要的一项就是将基础研究放在突出的位置。

关键词：杜鲁门办公室主任战后美国科学技术

银离子导电玻璃的制备及其表面原位金属化机理研究

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银离子导电玻璃的制备及其表面原位金属化机理研究

作者：曹泽泽太原理工大学

学位级别：硕士

随着半导体和光学器件的快速发展,普通玻璃及光学玻璃的应用逐渐增多,其与金属的相互键合被广泛应用于集成电路制造、电子封装、多功能芯片以及MEMS传感器等领域。目前常用的玻璃与金属键合技术包括钎焊、匹配封接、胶接、阳极键合和共... 详细信息

随着半导体和光学器件的快速发展,普通玻璃及光学玻璃的应用逐渐增多,其与金属的相互键合被广泛应用于集成电路制造、电子封装、多功能芯片以及MEMS传感器等领域。目前常用的玻璃与金属键合技术包括钎焊、匹配封接、胶接、阳极键合和共晶键合等。其中,共晶键合是一种在玻璃表面涂镀金属层后,与其他金属等异种材料发生冶金反应的键合技术,玻璃与金属可形成欧姆接触,但工序复杂,涂镀金属层与玻璃本体的连接强度可靠性较低。阳极键合是在电场作用下,玻璃内部O与金属反应成键,工艺简单,连接强度较高,但会在非键合面析出钠盐,影响多级晶片的连续键合。受阳极键合启发,本课题探索制备银离子导电玻璃替代阳极键合所使用的硅酸盐玻璃,在电场和温度场的复合作用下,采用与阳极键合相反的电路连接方式,在玻璃键合面形成银金属层,并利用析出银层与其他金属在温度场下发生类似共晶键合的冶金反应,实现玻璃与金属的欧姆连接。而本技术的关键在于探索制备高电导率的银离子导电玻璃,研究键合面Ag在电场-温度场作用下的析出和生长机制。本文采用熔融淬火技术,制备了银离子特种导电玻璃,研究银离子含量、成分及制备工艺对电离激活能和电导率的影响规律,明确了高电导率离子导电玻璃的组分及制备方法。通过电/热多物理场模拟与表面原位金属化实验结合的方式,探究了复合场作用下银离子在玻璃基体中的物质输运特征以及在玻璃表面的析出和原位生长机制,明确了温度和电场强度对离子传输及表面析出的影响规律。本文的主要研究内容如下:采用熔融淬火法探索制备了不同掺硫元素的Ag导电玻璃,对不同组分导电玻璃样品进行交流电导率分析,结果显示,Ge-Ga-S-Ag I玻璃样品室温电导率最高,可达1.33×10 S/cm,拥有最低的活化能,为0.41 ev。通过拉曼光谱分析玻璃内部结构特征,得知Ge-Ga-S-Ag I玻璃内部的[Ge IS](n=1,2,3)结构单元为Ag的高速传输构建了有效的离子通道,使其具备较高的离子电导率。针对所制备的Ge-Ga-S-Ag I玻璃进行表面原位金属化实验,研究“电场-温度场”复合效应下Ag输运;分析不同通电电压下的电流特征,建立电流随时间变化的数学模型;研究界面Ag自由扩散、还原及银枝晶生长规律,观察玻璃表面Ag生长层的枝晶形貌特征和银枝晶“离散-茂盛-堆叠-成片出现”的分布规律,揭示玻璃表面原位金属化机制。进一步开展导电玻璃表面原位金属化多场耦合数值模拟,得到玻璃在不同通电电压和电导率条件下的表面金属化演变规律。在整个金属化过程中,玻璃中的Ag浓度分布呈现阳极侧最少,形成Ag耗尽层,阴极侧积聚,形成Ag金属层的现象。

关键词：银离子导电玻璃熔融淬火法离子电导率表面金属化多场耦合数值模拟