线性系统（精选12篇）
线性系统 篇1
摘要：为了更好地研究非线性液位系统在工作点大范围变化时的控制问题, 对A3000过程控制装置中非线性单容水箱的液位控制进行了研究。建立了精确的单容水箱模型, 提出了一套基于传统PID控制的反馈线性化控制方案, 并在Freelance 800F DCS中成功进行了组态和调试, 验证了反馈线性化控制方案在非线性液位系统中的可行性和优越性。
关键词：非线性液位系统,模型,反馈线性化,PID控制,Freelance 800F DCS
1 引言
液位控制系统是过程控制中的一类重要研究对象。在工业生产过程中, 有很多场合需要对控制对象进行液位控制, 所以研究液位控制系统具有显著的理论和实际意义。实际工业生产中的液位控制, 大部分是非线性的, 以往一般采用在工作点附近线性化方法来设计控制器。这种基于近似处理的方法缩小了系统的正常工作范围, 并造成性能的明显下降, 严重时甚至导致控制的失败。所以急需一种能够直接对非线性系统进行设计和处理的工具来取代这些线性近似方法, 以获得精确度更高、性能更优越的控制系统。在控制理论专家的不断努力下, 非线性控制理论研究和实际应用取得了很大的进展, 陆续提出了相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等[1]。但是非线性系统由于其结构的复杂性至今还有许多理论方面的工作尚需完善, 因而对非线性系统进行分析和设计是非常困难的。目前非线性控制理论中一种简单而又有效的方法是对非线性系统进行反馈线性化, 然后采用线性系统理论使线性化后的系统很容易就能达到期望的控制指标。反馈线性化控制一般分为两大类:微分几何反馈线性化方法和动态逆控制方法 (直接反馈线性化) 。前者方法抽象, 不利于工程应用, 所以本文采用后者来设计控制器, 通过抵消系统的非线性, 实现对单容水箱的液位控制 (1) 。
2 非线性液位控制系统
2.1 非线性液位控制系统结构
非线性液位控制系统由横卧的圆柱形单容水箱、储水箱、水泵、涡轮流量计FT、液位传感器LT、出水阀、入水阀、电动调节阀以及作为控制器的控制机柜、计算机组成, 结构如图1所示。
本非线性液位控制系统的工艺流程如下:对非线性单容水箱, 不断有水流入, 同时也有水不断流出。在实验过程中, 储水箱中的水经水泵抽出后由电动调节阀进入水箱, 然后通过出水阀流出并返回到储水箱。液位传感器LT用于检测水箱中的液位H, 涡轮流量计FT用于检测流入水箱的流量。水的流入量Qi由电动调节阀开度加以控制, 流出量Qo由用户根据需要通过调节出水阀开度来改变, 在整个实验过程中开度保持恒定。被控量是液位H, 控制量是电动调节阀开度, 由控制器对水位偏差信号进行PID运算后得到。
2.2 非线性液位控制系统的要求与难点
非线性液位控制系统的控制目标是使被控对象的液位值尽可能快地稳定在所给定的液位值上 (水箱的液位变化范围为0～21cm) 。当系统发生扰动, 工作点大范围变化时, 要求被控量能迅速稳定地恢复到系统所要求的液位值。
工业生产中的液位控制一般采用PID控制策略, PID控制器的参数是根据过程参数来整定的, 它与系统所处的稳态工作情况有关。工作点改变时, 控制器参数的“最佳值”也就随之改变, 这就需要PID控制器参数作相应调整。但是PID控制器没有这种“自适应”能力, 只能依靠人工采用试验加试凑的方法重新整定。由于生产过程的连续性以及参数整定需要一定的时间, 这种重新整定实际很难实现, 有时甚至是不可能的。
所以需要寻求一种在工作点改变时, PID控制器参数仍可保持不变的控制策略, 而反馈线性化控制是针对这种情况的一种简单有效的方法。
3 非线性液位控制系统的水箱模型
由于确定控制方案、整定调节器最佳参数、分析质量指标以及选择反馈结构都是以被控过程的数学模型为重要依据的, 所以先要建立被控对象的数学模型。可先通过机理分析确定模型的结构形式, 再通过实验数据来确定模型中各参数的大小。
3.1 单容水箱被控对象动态数学模型
如图1所示, 被控量为水位H, 它反应了水的流入和流出量之间的平衡关系, 控制量为电动阀的开度u。各参数的物理意义及数值如表1所示。
由物料的动态平衡关系可知, 某时刻水箱的进水流量Qi与出水流量Qo之差等于水箱内液体体积的变化率, 即:
在起始的稳定平衡工况下, 流入量Qi0等于流出量Qo0, 即:
用增量形式表示为:
由式 (5) 和式 (6) 可得:
所以由式 (7) ～式 (9) 可得模型的结构形式为:
3.2 模型参数获取
3.2.1 获取出水阀门流量系数k
对A 3000非线性单容水箱做流量与液位高度关系实验, 出水阀开度保持在2.1cm处, 流量与水箱液位之间的关系如表2所示。
由
可得:
在负载阀 (出水阀) 开度保持恒定的情况下, k可视为定值。
3.2.2 获取电动调节阀门流量系数Ku
Ku在不同的开度下值是不同的, 所以为了简化系统, 采用在平衡点处近似线性化的方法求取Ku, 在整个系统的设计中把它看作常数。做流量与开度关系实验, 绘制流量与开度曲线, 如图2所示, 可得电动调节阀流量系数为:
3.3 验证模型准确性
机理模型是建立在若干假设条件基础上的, 因此需要对数学模型正确性进行验证, 以确认所建数学模型的有效性。通过对比在阶跃信号作用下模型的仿真输出曲线与实际输出曲线来验证模型的有效性。
对比两者在平衡点 (液位高度为14cm) 时阀门开度增加20%的阶跃响应曲线, 利用Matlab绘制两者拟合程度图如图3所示。
图3中, 虚线为实际系统阶跃响应曲线, 实线为模型仿真阶跃响应曲线。
由图3可见两者是比较吻合的, 说明所建立的数学模型是准确的, 能够满足要求。
4 控制策略设计
反馈线性化方法是非线性控制理论中发展比较成熟的一种设计方法, 基本设计思想是:通过适当的非线性状态反馈和非线性坐标变换 (或动态补偿) , 将一个非线性系统部分或全部地变换成线性系统, 然后再用线性控制系统设计方法对变换后的线性系统进行设计, 使系统满足设计指标要求。与传统的非线性控制方法相比, 反馈线性化不再依赖于系统运动的求解和稳定性分析, 只需研究系统的反馈结构, 使得非线性系统的控制问题变得简单[2]。
4.1 直接反馈线性化方法 (DFL) [3]
如果单输入单输出非线性系统的输入-输出高阶微分方程具有下述形式:
式中:u (t) , y (t) ———系统的输入、输出。
定理对于某一类能控的单输入非线性系统, 如果其运动方程消去中间变量以后, 可以写成式 (14) 的形式, 而且对于任意时间函数V (t) , 非线性方程:
均有有界解:
对系统式 (14) 施加形如式 (16) 的非线性反馈补偿以后, 就可以化为新的线性化受控对象:
式中:u (t) ———非线性控制律;V (t) ———时间函数, 原系统式 (14) 的虚拟控制输入量。
实现反馈线性化就是选择虚拟控制量, 设计出非线性反馈补偿器去抵消原系统中的非线性因素, 使系统线性化, 即获得输入输出之间的一个线性微分关系。这种方法不需要进行复杂的非线性坐标变换, 物理概念清楚、数学过程简明, 便于工程界掌握4.2本模型的反馈线性化
根据直接反馈线性化理论, 对于式 (10) 所示的液位控制系统, 设控制输入为:
把式 (10) 右边用一个时间函数V (t) 来代表, 即:
那么, 相对于输入量V (t) , 式 (10) 所示的非线性系统就变成了一个线性化的新的受控对象:
整个反馈线性化过程可用图4表示。
求解出的非线性控制律u (t) 为:
式 (20) 为原受控对象式 (10) 的直接反馈线性化补偿律, 这样就实现了对非线性液位系统的反馈线性化, 就可采用我们熟悉的线性控制理论对其系统进行设计来实现控制目标。
5 非线性液位控制系统的硬件及组态设计
5.1 硬件
本实验装置采用北京华晟的A 3000系列综合过程控制实验系统, 它由现场系统和控制系统组成图5为A 3000现场系统。
本次实验将使用上述装置的上水箱 (横卧的圆柱形单容水箱) 、储水箱、2号水泵、涡轮流量计、液位传感器、电动调节阀等。
A 3000控制系统 (A 3000-CS) 包括传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板和第三方控制系统接口板。这些设备都布置在一个工业机柜中。
基于以上硬件设备, 构建如图6所示的分散控制系统 (DCS) 。
过程级:安装在控制机柜中, 由AC 800F控制器组成, 包括中央单元、S800I/O站、通信接口、电源等。
监控级:操作员站 (安装了IndustrialITDigivis中文软件的两台台式PC机) , 工程师站 (台式PC机, 不进行组态时可兼作操作员站使用) 。
5.2 组态设计
采用IndustrialIT系统的CBF软件, 通过图形化组态方法对过程控制站硬件配置、所需的各种控制算法和策略、操作站人机接口 (HIS) 等进行组态。完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的过程站及操作员站中。硬件组态图如图7所示。
图8为操作员控制流程画面, 操作员可在该面板上执行相关操作。
6 调试及结果分析
在作为工程师站的计算机的CBF软件中打开项目文件a3000、Digvis软件, 同时在另一台作为操作员站的计算机中打开Digvis。在工程师站中通过系统网络加载组态至相应的过程站及操作员站中操作员执行相应操作, 同时打开A 3000过程控制装置电源和2号水泵, 就可以对系统进行调试。
6.1 调试
整个实验过程分为两个部分:参数调试实验和设定值扰动实验。参数调试实验的目的是:确定系统在稳态工作点 (平衡点) 的PID控制器的参数设定值扰动的目的是:在整定好的参数下改变系统的工作点, 比较传统PID策略和反馈线性化PID策略控制性能的优劣。
6.1.1 参数调试实验
手动给定阀门开度, 启动水泵, 使液位稳定在水箱中部即平衡点位置, 对传统PID控制系统和反馈线性化PID控制系统在平衡点附近加小范围的设定值扰动, 并用经验法整定PID参数。在操作员站的趋势图中观察系统的阶跃响应曲线 (见图9) , 并在线修改参数, 反复试凑, 最终确定的最佳参数为:比例系数KP=10, 积分时间TI=40s, 微分时间TD=0s。
6.1.2 设定值扰动实验
将工作点逐渐远离平衡点, 比较传统PID和反馈线性化PID策略两者的控制效果。
先对传统PID系统作设定值扰动实验, 步骤如下:
(1) 待系统稳定在平衡点后, PID控制器参数保持不变, 在PID控制面板上改变设定值, 设为8cm。
(2) 继续改变设定值, 设为4cm。趋势图如图10所示。再对反馈线性化PID系统作设定值扰动实验。在操作员站的控制流程画面下切换成反馈线性化PID控制, 其余步骤与传统PID系统设定值扰动实验步骤相同。趋势图如图11所示。
6.2 结果分析
由图10和图11两幅趋势图可得到以下结论:
(1) 在平衡点附近, 出现扰动时, 液位都能稳、准、快地回到系统的设定值。
(2) 当改变系统的工作点时, 常规控制PID控制方案控制性能恶化, 甚至造成系统不稳定。随着工作点逐渐远离平衡点, 控制性能恶化越明显。而反馈线性化PID的液位曲线比较平滑, 调节过程比较稳定, 最后液位值基本稳定在设定值。
由实验结果可知, 在PID控制器参数保持不变, 工作点大范围改变时, 反馈线性化PID控制的控制效果明显优于传统PID的控制效果。
7 总结
反馈线性化加入了抵消非线性的反馈结构, 补偿了动态过程中出现的非线性因素。对PID控制器而言, 它的广义被控对象是线性的, 对象特性不随工作点的改变而改变, 所以调节器参数也不需随着工作点的改变而重新整定, 不仅减轻了运行人员的工作量, 也增大了控制系统在大范围变工况下的稳定性。
通过构建DCS, 验证了所建立的单容水箱模型的准确性, 也验证了反馈线性化控制方案在非线性液位系统中的可行性和优越性。
但是, 本文所设计的控制系统还存在一些不足, 需要进一步研究, 如在设计反馈线性化控制策略时, 只对被控对象采用了反馈线性化, 而把电动调节阀近似看成是线性的。如若能把这一部分的非线性因素也考虑到系统的反馈结构中, 则可进一步改善系统的控制性能。
参考文献
[1]方勇纯, 卢桂章.非线性系统理论[M].北京:清华大学出版社, 2009.
[2]胡寿松.自动控制原理[M].第4版.北京:科学出版社, 2001.
[3]马幼捷.直接反馈线性化 (DFL) 的理论体系研究[J].青岛大学学报, 1997, 10 (4) :87-90.
线性系统 篇2
考虑具有二次成本函数的随机线性系统,研究了状态反馈控制的.保证成本控制问题.依据线性矩阵不等式得到了保证成本控制器存在的充分条件,最后得到了随机线性闭环系统保证成本最小的最优保证成本控制律的表达式.
作 者：郭子君 吴让泉 Guo Zijun Wu Rangquan 作者单位：郭子君,Guo Zijun(华南农业大学应用数学研究所,广州,510642)
吴让泉,Wu Rangquan(东华大学理学院,上海,51)
非线性振动系统的混沌研究 篇3
非线性动力学中的复杂性现象的发现及分岔和混沌理论的建立，被认为是当代的基础科学的重大成就之一，它使非线性科学有了可靠的理论保证，并激励众多的自然科学、工程学和数学工作者深入探索和研究。今天非线性科学正促使整个现代知识体系成为新科学，而动力系统、分岔、混沌和奇异性理论方法的发展也已超越原来数学的边界，广泛应用于振动、自动控制、系统工程、机械工程等部门非线性问题的研究，并且对经典力学、物理学、固体力学、流体力学、化学工程、生态学和生物医药，乃至一些社会科学部门的研究和发展都产生了深远影响。同时，科学世界的进一步深化反过来又促进非线性动力学数学理论的纵深发展。
混沌理论为研究自然界各种复杂现象提供了有效的途径，它构成了非线性动力学近代理论的基本内容之一。
1.研究混沌的主要非线性方法
1.1时间序列分析和相图法
由微分动力系统的定义可知一个微分系统的解沿着时间的方向定义了一条解曲线，即它表示了动力系统的状态变量随时间的历程。相图是系统的解在维相空间中描出的曲线，此曲线称为相轨迹。
画出了时间历程图和相图后，可以通过对比分析和综合以确定解的分岔和混沌现象。在相空间中，周期运动对应封闭曲线，混沌运动对应一定区域内随机分布的永不封闭的轨迹（奇怪吸引子）。但当动力系统的相空间的维数超过2或运动很复杂时，相轨迹可能混乱一片，很难看出规律和头绪，这是它的局限性。
1.2庞加莱截面法
法国数学家H. Poincaré利用几何的观点，对非线性动力学系统进行了深入的研究，总结出了该方法。
定义1：Poincaré映射
其中，τ=τ（q）是经q点的轨线首次回到所需的时间（一般而言， τ依赖于q，但不一定等于闭轨γ的周期T=T（p） ，但是当q→p 时，将有τ→T）。称为Poincaré截面，整个过程如图所示。
显然，p点为Poincaré映射的一个不动点"同时，由Poincaré映射的定义可知， Poincaré映射可由微分方程的通解求得。
当系统的运动为极限环运动时，在Poincaré截面上简化为一个不动点；当系统运动为周期运动时，在Poincaré截面上简化为n个点（称为周期n运动）；当系统的运动为准周期运动时，在Poincaré截面上则为沿一条直线段或一条曲线弧分布着的点的集合。因此Poincaré映射可用来判断一个系统是否为混沌系统。显然，它是一种比较直观的方法。这种方法对于判断一个三维非线性自治系统是否具有二维环面（对应的是准周期运动）特别有效，但是这种方法也有缺陷，不能很好的判断一个更为复杂的混沌系统究竟是否是混沌或准周期运动。
定义2： 频闪采样法
为了避免复杂运动在相空间中轨迹的混乱不清，类似庞加莱截面法，可以只限于观察隔一定时间间隔（称采样周期）在相空间的代表点。即不管连续运动的轨迹如何，用隔一定时间闪光一次的频闪（观察）法观察轨迹上的一部分代表点（称为采样点）。这样原来在相空间的连续运动就被一系列离散点p0、p1、p2、...所代表。
在通常情况下，变量总是取有限值，从而采样点是在一定区域内的一片密集点。如果采样点足够多，不断加大分辨力，可得到不断重复原分布形态的微细几何结构。这表明吸引子有不同层次的自相似结构，从而系统的运动是混沌。
1.3重构相空间法
重构相空间法的目的是使一个时间序列在一个合适的空间坐标系中能显示出混沌吸引子的结构。判断混沌运动的可靠方法之一是构造相图， 寻求奇异吸引子。
假设从实验中测得一个数值序列x，x，...x，...， 其中x是第i时刻测量得到的试验值，由于此数据序列是按时间序列进行测量得到，所以称为时间序列。因为不知道实际的相空间的维数是多少，我们先用测得的这些数据支起一个m维空间。现在重新回到m维嵌入空间上来。构造维空间的方法很多，这里仅介绍一种较为直观且有效的方法。如取m=10，把x，x，...，x，...x 。作为10维空间中的一个矢量y1，然后，右移一步，把x，x，...，x，...x作为维空间中的第二个矢量y2。继续如上的步骤，构造出一批矢量y，y，...，y。任意两矢量之间差的绝对值r=
y
-y为矢量yi，yj端点间的距离。任意给出一个数ε，然后与所有的点对（y，y）间距离rij相比较，看有多少个r小于ε，其数目记为N1（ε），而rij>ε的数目记为N2（ε）。若令N（ε）=N（ε）+N（ε） ，把距离小于ε的点对在所有的点对中占的比例记为C（ε），即C（ε）= 。以上整个计算过程可以利用计算机来完成。
1.4功率谱分析方法
功率谱表示随机运动过程在各频率成分上的统计特性，可以采用标准程序软件计算或专用的频谱分析仪器测定其功率谱。为描述混沌振动的随机性，可以应用研究随机振动的频谱分析方法识别混沌运动。通常假设混沌是各态历经的，即时间上的平均量与空间上的平均量相等。
在许多实际问题中，人们往往只能观测到如下的离散事件序列
由于它反映了实际非线性动力系统的运动状态，而吸引子正是这种状态的归宿，因此吸引子的信息就包含在这一时间序列当中。从实验中可以直接测量的对象就是时间序列分析的功率谱。
对于随机信号的样本函数，对xi进行傅立叶变换。
对n个采样值加上周期条X=x ，可计算时间序xj的自相关函数Φm=xx ，自相关函数的傅立叶变换就是功率谱：
式中，S说明第k个频率分量对xj的贡献，其意义代表单位频率上的能量。
从时间序列上分析了非线性动力系统的波动状态后，就可以很容易地从功率谱上区分出周期函数、拟周期函数和非周期函数。
2.总结
线性系统 篇4
非线性系统和线性系统之间的本质差别可以概括为以下两点:
1.线性系统可以应用叠加原理, 而对于非线性系统, 由于其特性不是线性的, 因而不能应用叠加原理。对于这些不能应用叠加原理的系统, 分析中大信号和小信号的作用结果可以大不相同。
2.一般而言, 对于非线性系统求取完整解 (Close Form Solution) , 现有的数学工具还很不充分。一般只能对非线性系统的运动情况作部分估计, 如对其稳定性、动态品质等作一些估计。
由于许多控制系统中都有非线性, 而且这些非线性特性千差万别, 不可能有统一的普遍适用的处理方法, 使得对系统的分析难度增大;而线性系统大为简单, 可以用线性常微分方程来描述.因此借助于“线性系统”的理论与方法来解决非线性问题, 成为一种普遍使用的方法。在我们经常用到的方法中, 相平面法中用欧拉折线代替相轨迹是一种局部线性化措施 (局部舍去高次项) ;分区线性化是用折线型特性代替非线性特性 (舍去部分非线性) ;描述函数法是在自变量为谐变量时, 非线性特性的线性化 (舍去高次谐波) ;李亚普诺夫方法虽然是真正的非线性方法, 不舍去任何东西, 但在构造V函数时, 采用二次型这一关键步骤, 正是基于线性系统建立起来的。
这里, 我们主要讨论的是针对控制对象的线性化, 而不是针对控制方案的线性化。从被控对象考虑, 线性化方法大体可分为两类。一类是基于己知模型的线性化方法。具体有微分几何精确线性化方法、自适应反馈线性化方法、基于状态观测器的线性化方法、反函数校正线性化方法等。它们的共同点在于由于模型己知, 他们对模型要求严格的条件。另一类便是基于未知模型的线性化方法。由于仅知道模型阶数的上界, 这类方法多采用数值或函数逼近的方法。具体有分段线性化方法, 样条函数方法, 大范围嵌入线性化思想, 适用性较强的局部ARMAX模型线性化方法, 平衡与非平衡多模态ARMAX模型的线性化方法, 非线性NARhl AX模型的ARMAX全局线性化方法, 自适应模糊神经网络控制器设计线性化方法等。在这类方法中, 由于模型未知, 它们大多通过对输入输出行为近似建模, 并通过变换, 最后得到一种准线性结构, 即局部线性模型叠加成非线性系统。在变换中, 经常使用泰勒级数、幂级数等进行线性化, 且适应性较强, 对于条件要求也不苛刻。
从控制思想考虑, 线性化方法主要有以下两大类:
(1) 精确线性化方法;
(2) 近似线性化方法;
精确线性化方法 (简称线性化) 是非线性系统几何方法最主要的手段之一。它的基本思想是通过对输入和状态变量的变换把非线性系统变成线性系统。Brockett于1976年提出的方法, 解决了单输入系统存在的问题, 而Jakubczyk等人解决了多输入系统存在的问题, 这些问题的解决是目前非线性控制理论取得的最主要成果之一。精确线性化方法不仅具有很好的理论意义, 而且已经成功解决了许多实际对象的控制设计问题。
近似线性化方法是控制界熟悉的系统设计方法。我们最常用的是取系统的一阶近似。此方法简便易行, 但只适用于工作点变化范围不大的情况。现代的近似线性化方法的基本思想是通过坐标变换把强非线性系统变换成弱非线性系统;或者通过反馈保持线性系统的部分特点。它是精确线性化方法的自然推广, 目的在于控制系统在工作点变化较大时也能正常工作。目前近似线性化方法已得到广泛的研究, 并应用于化工、电器、机械、航空等领域。
基于精确线性化方法与近似线性化方法的基础, 提出模糊线性化模型。模糊线性化是在近似线性化的基础上, 结合模糊逻辑对一类非线性对象线性求解的方法, 它是实现模糊控制的一个有效的简化手段。该方法的主要思想是将用局部线性模型的加权和来描述整个非线性系统的特性;换言之, 一个整体非线性的模型可以看作是许多个局部线性模型的模糊逼近。
基于模糊模型控制的方法已经成为分析和综合有关含有复杂非线性特性系统的另一研究方案。目前, 这个领域内的文献已提出关于状态模糊模型稳定性的控制设计问题。而事实上, 由于状态空间模型中存在干扰, 这个问题转化为一类鲁棒稳定性问题。本论文就是沿着这个方向, 利用模糊模型的明显特性作为线性系统矩阵的凸包而发展起来的一种结构, 提出一类非线性系统的模糊线性化理论, 利用Takagi-Sugen。模型和李雅普洛夫稳定性定理对该类非线性系统的结构、系统稳定性进行分析, 提出模糊线性化的构造方法, 并设计出满足李雅普洛夫稳定性的控制器。使用这个准线性模糊结构后, 一类基于静态或动态输出反馈, 克服建模误差和参数不确定性的复杂非线性系统的鲁棒稳定性就减化为线性矩阵不等式问题 (LMI--Linear Matrix
Inequality) 。
参考文献
[1]程代展.非线性系统的几何理论, 科学出版社, 2004[1]程代展.非线性系统的几何理论, 科学出版社, 2004
[2]孙浩, 席裕庚, 张钟俊, 非线性系统的I/O扩展线性化, 控制理论与应用:2004[2]孙浩, 席裕庚, 张钟俊, 非线性系统的I/O扩展线性化, 控制理论与应用:2004
线性系统 篇5
一类非线性系统分岔混沌拓扑结构分析
分析了一类非线性系统的.动力学行为.基于稳定性理论,讨论了CHEN系统平衡点的稳定性、局部拓扑结构.对CHEN系统进行数值模拟表明理论结果和数值结果一致.
作 者：邓学明 DENG Xue-ming 作者单位：浙江科技学院理学院,浙江杭州,310023刊 名：河北科技大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：200829(3)分类号：O193关键词：CHEN系统 分岔 拓扑结构 全局复杂性
线性系统 篇6
【关键词】非线性编辑系统 精品课程建设 应用
2003年4月，国家教育部开始启动精品课程建设，通过颁布《关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》，具体规范了精品课程建设的内容和要求。这对促进教学质量，优化教学资源，凝聚教学资本，扩大教学范围起到至关重要的作用。而课程教学录像是精品课程申请和展示必不可少的部分，所以，以非线性编辑（以下简称非编）系统为代表的编辑技术，受到了广大教师的广泛欢迎，为建设精品课程提供了便利条件。
一、非线性编辑系统的具体内涵剖析
非编是相对于传统的线性编辑系统而言，主要是指将输入的视音频信号通过转换，运用数字压缩技术，以帧或秒的形式快速、精准地存取编辑素材，并利用非编软件完成整个作品的剪辑和合成工作。在具体的剪辑中根据素材的长短不同、前后顺序不同，采用蒙太奇的剪辑手法，将素材依据个人的喜好和具体的编辑目的进行剪辑。当前，我国主要的非编系统日渐成熟，并形成了以大洋、索贝为代表的非编系统体系，完善了整个非编系统的建设。同时，一些国外先进的非编系统和软件也逐渐引入了各高校，例如premiere、苹果、Eduis等。
二、精品课程建设中非线性编辑系统的应用
我国精品课程建设中非编系统的应用主要体现在针对教师授课实施录像，通过对录制内容的剪辑，将所完成的视频传输到网上或用作教学课件，实现精品课程的传播，使所有教师和学生通过对精品课程的学习与了解，提高自身的教学方法和教学质量，真正达到教学资源共享的目的。因此非线性编辑系统的主要应用分为前期录制、中期剪辑以及后期输出的三个环节。
①前期录制：前期录制主要强调的是利用摄像机将教师授课的内容，完整而流畅地拍摄和记录下来，这是技术部分。针对内容部分，首先要强化授课教师与摄像师之间的沟通。教师在录制之前，要先将所讲授的内容以及具体的授课形式进行完整统一的安排，最好形成基本的授课内容计划。摄像师根据授课的内容计划适当选取镜头的形式和画面的内容，并询问教师的意见，以保证摄录双方都能实现满意的效果。当然，授课教师也要注重具体的个人形象以及整体教室的布局，以免出现画面内容凌乱，影响拍摄效果的呈现。在具体拍摄时，摄像师根据教师的讲授内容，随时调整镜头的变换，但切记要保持平稳，以免给人以晃动或不稳的感觉。课程录制一般都以无间断的录制为主，但在拍摄实验课程时，由于器材或教具以及实验过程的准备时间过长，影响拍摄内容的有效性，所以，摄像师可适当进行间断性拍摄，对于无效内容适当删除，提高摄像的内容和质量。另外，根据教室的具体布局，在不同方位进行机位安排。如果教室的布局过小，1台机位就可以满足全程的录制。如果教室的布局相对较大，且教师的运动范围以及运动频率过高时，可设置左、中、右、前、后的三个或四个机位。针对实验课程的拍摄，可在此基础上安置一个随机拍摄的机位，可根据具体的实验内容，进行近距离的拍摄，以实现拍摄的多方位、多角度。同时，在拍摄的内容上，每台机位都负责不同的内容，例如：主机位一般设置在教室的最后方中心位置，用于全景和主场景拍摄和记录。其他副机位主要负责学生听课场景的拍摄，多以近景或特写为主，并辅助一些推拉摇移跟等摄像技巧的使用。
②中期剪辑：剪辑过程中，我们主要使用premiere和大洋非编。结合精品课程的内容，适当选取素材，一方面可以为实际拍摄的素材，另一方面还可选用教师课件、图片、其他音频或视频等。将所有素材转化成编辑格式，导入非编系统内，按照课程的讲授顺序，取其精华，去其糟粕，遵循剪辑基本规则和审美要求，进行艺术加工。但是精品课程的剪辑不同于其他电影或短片的剪辑，必须保证课程的完整性和流畅性，将整个课程呈现给广大师生。所以剪辑的过程中尽量少使用剪辑的技巧，以免喧宾夺主。针对专业性较强的课程，要征求教师的意见和建议，做到全面、完整、科学。在视频中要适当添加字幕、片头、片尾等，将基本的课程信息全部展现在视频中，尽量保持无遗漏、无差错。
③后期输出：根据《国家精品课程教学录像的基本技术标准》规定：我国精品课程的视频文件一般选用avi、rmvb、wmv、flv等格式，以320×240或720×576的标准为主。在渲染生成完成后，剪辑人员要查看生成的视频文件，检查其中是否存在跳帧、漏帧、失真等情况。如遇到此种情况，应根据原工程文件，进行调整和修改，再次渲染生成，直到视频文件流畅为止。
总结
精品课程建设中非编系统的应用不仅是教学水平的提高展现，更是整个时代发展的必然要求。非编系统以其独特的优势和简便的操作技巧广泛应用在教学当中，不仅丰富了教学内容的多样性，更对教学质量的提升起到了巨大的促进作用，真正实现了素质教育的最终目的。
【参考文献】
[1]林超.非线性编辑在多媒体课堂教学中的应用技巧[J]. 山西电教， 2010（02）.
[2]寇霞.谈非线性编辑技术在教学中的应用[J]. 职业教育研究， 2011（01） .
线性时变周期系统的弹性控制 篇7
线性时变周期(LTVP)系统是一类复杂而又非常有研究的价值系统,在物理以及工程技术中有着广泛应用[1]。近些年来,国内外许多研究学者对线性时变周期系统的研究作出过很多有意义的贡献。例如,文献[2]致力于离散的周期系统的模型匹配问题的研究,而张雪峰[3]研究了线性时变周期系统的稳定性和鲁棒控制,并且成功地给出了基于LMI的LTVP系统稳定性的充要条件。
尽管近年来,国内外学者对LTVP系统展开了多方面的研究,其中,不乏许多重要且独特的见解。但是,在设计LTVP系统的控制器时,关于控器的鲁棒性的问题的研究并不多见。
弹性控制[4]是指系统能够忍受控制装置的结构和参数、系统的结构和设计参数引起的波动,以及在非正常情况下,系统可以维持状态已知,以及可以接受一定恢复程度的运行。而这些非正常情况对系统的影响,在一定程度上,可以转化为控制器的鲁棒性。
因此,本文在研究弹性控制器的设计时,就考虑到了控器的鲁棒性,致力于LTVP系统的弹性控制的研究。并且,成功地给出了LTVP系统镇定的充分条件,以及相应的弹性控制器的设计方法。
二、LTVP系统简介
考虑一个LTVP系统
其中:x(t)∈Rn,u(t)∈Rm,A(t):R→Rr×n,C(t):R→Rr×n是以T为周期的分段函数,B:R→Rn×m为常数矩阵。Rn表示n维实数。
本文利用鲁棒控制的相关思想,可以把系统(1)简化成一种鲁棒扰动形式,而该鲁棒扰动形式是范数有界的。
对系统(1)而言,A(t)是范数有界且分段连续的,即存在一个常数ρ(0<ρ<∞),使得AT(t)A(t)≤ρ2I为不失一般性,设A(t)=A+MF(t)E,其中A,M,E是具有适当维数的矩阵,且FT(t)F(t)≤I。下面给出几个本文所需要涉及的引理。
引理1[5]LTVP系统(1)被称为是渐近稳定的,如果存在一个对称正定矩阵P,使得
引理2[5]对于任意给定的实矩阵S1,S2,S3(其中S1=S1T,S3>0)有S1+S2S3-1S2T<0,当且仅当
引理3[6]对于给定的具有适当维数的复数矩阵Ω,Γ,∑,且Ω是对称矩阵,则Ω+ΓF(t)∑+∑TFT(t)ΓT<0对任意的F(t)满足FT(t)F(t)≤I,当且仅当存在一个正数ε>0,使得Ω+εΓΓT+ε-1∑T∑<0。
下面给出Riccati稳定的概念,该稳定渐近稳定更强。
定义1系统(1)可以被称为是Riccati稳定,如果对于任意给定的正交矩阵F(t),FT(t)F(t)=I存在一个对称正定矩阵P使得
三、弹性控制器的设计
考虑如下形式的状态反馈控制律:
其中,K表示控制器的增益,△K表示增益的摄动。
考虑如下两种形式的摄动:
其中,FiY(t)Fi(t)≤I(i=1,2,I)(为适当维数的单位矩阵)。
定理1考虑具有加法摄动(i)的闭环LTVP系统(7),若存在对称正定和矩阵以及正数ε1,ε2使得
成立,其中“*”是由矩阵的对称性而省略的部分,Ω=XAT+AX+WTBT+BW,
则K=WX-1,u(t)=B(K+△K)x(t)为无记忆弹性控制律,使得闭环系统
渐进稳定。
证明:A(t)=A+MF(t)E,u(t)=(K+M1F1(t)N1)x(t)由引理1可知,为使系统(7)渐近稳定,有
左右同乘P-1,并令X=P-1,W=KX,可得
再连续两次使用引理3,可得Ω+ε1MMT+ε2BM1M1T+ε2BM1M1TBT+ε1-1XN1TN1X<0,
其中Ω=XAT+AX+WTBT+BW,再由引理2,可得出不等式(6),定理得证。
定理2考虑具有乘法摄动(ii)的闭环LTVP系统(7),若存在对称正定X和矩阵W以及正数ε3,ε4使得
成立,其中,“*”是由矩阵的对称性而省略的部分,
则K=WX-1,u(t)=(K+△K)x(t)为无记忆弹性控制律,使得闭环系统(7)渐进稳定。
证明与定理1类似,此略。
四、仿真算例
例1对于定理1,我们考虑具有如下参数的LTVP系统:
通过求解定理1中的线性矩阵不等式(6)可得:
例2对于定理2,我们考虑具有如下参数的LTVP系统:
M2=[0.5],N2=[0.1 0.1]T,其余参数矩阵与例1所给出的相同。求解定理2中所给出的线性矩阵不等式(8),可得:
五、结语
本文针对线性时变周期系统,给出了一个新的二次稳定方法,并且给出了基于LMI的弹性控制器的设计方法,同时,本文考虑了弹性控制器的两种摄动。这就较为全面地解决了传统的稳定控制器,未考虑控制器的鲁棒性,而相对脆弱的问题。最后,本文给出数值仿真的算例,验证了所提出的方法的有效性。当然,其他相关问题,还需要进一步的研究。
摘要：线性时变周期(LTVP)系统是一类非常有研究价值的系统,在研究该系统的镇定性问题时,一般需要设计状态反馈控制器,但是,传统的状态反馈控制器往往没有考虑到控制器的鲁棒性,从而导致控制器相对脆弱。而本文为了解决该问题,设计出弹性控制器,成功解决了该问题。而且给出基于LMI的弹性控制器的设计方法,利用仿真实例验证了所提出方法的有效性。
关键词：线性时变周期系统,弹性控制,线性矩阵不等式,鲁棒性
参考文献
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[4]马静,叶泳,贾秋生.弹性控制综述[J].信息与控制,2015,44(1):67~75
[5]张庆灵,张雪峰,翟丁.控制理论基础[M].北京:高等教育出版社,2008
线性系统稳定性的判断 篇8
系统稳定是系统能够正常运行的重要保证, 而对系统进行稳定性判断是自动控制理论分析中的基本任务之一。为了通过系统的开环传递函数快速判断系统是否稳定, 本文从时域和频域两个角度讨论了三种方法, 比较得出三种方法各自的优越性以及不足。
1 劳斯—赫尔维茨稳定判据
(1) 赫尔维茨判据
设线性系统的特征方程为
则使系统稳定的必要条件是:在特征方程中, 各项系数为正数。
(2) 劳斯判据
劳斯表的前两行由特征方程的系数直接构成。第一行由特征方程的第一、三、五, …项系数组成;第二行由第二、四、六, …项系数组成。
线性系统稳定的充分必要条件是:劳斯表的第一列各值为正。
2 根轨迹法
根轨迹是指当系统的某个参数 (如开环增益K) 由零连续变化到无穷大时, 闭环特征根在复平面上运动的轨迹。若闭环极点全部为s左半平面, 即根轨迹分布在s左半平面, 则系统一定是稳定的。
3 奈奎斯特稳定判据
在复平面上用一条曲线Γ表示ω由0→∞时的频率特性, 即用矢量G (jω) 的端点轨迹形成的图形, 就叫做奈奎斯特曲线。反馈控制系统稳定的充分必要条件是半闭合曲线ΓGH (由闭合曲线Γ沿实轴负方向平移一个单位长度获得) 不穿过 (-1, j0) 点, 且逆时针包围临界点 (-1, j0) 点的圈数R等于开环传递函数的正实部极点数P。
下面将结合具体实例分别对这三种判据进行说明。
例:系统的开环传递函数如下, 试判断该系统的稳定性:
解一:由系统的开环传递函数可得特征方程
, 可选择劳斯—赫尔维茨稳定判据进行判别, 过程如下:
该系统的劳斯表为
由于劳斯表的第一列系数全为正, 故该系统稳定。
解二:已知系统的开环传递函数, 可以用开环函数对闭环特性进行研究, 即根轨迹法。
, 利用MATLAB画出以K为参数的根轨迹。
MATLAB编程为:
rlocus (G) ;
可以从绘制出的图中看出, 根轨迹存在于复平面的左半平面, 那么当K=30时, 对应的根也在左半平面, 所以得出该系统是稳定的。
解三:根据开环传递函数可以画出奈奎斯特曲线。
MATLAB编程为:
由奈奎斯特曲线可以看出, 它不穿过 (-1, j0) 点, 且逆时针包围临界点 (-1, j0) 点的圈数R为0, 等于开环传递函数的正实部极点数P。满足奈奎斯特稳定判据, 因此也可以得出该系统稳定。
由以上三种解法可以得出劳斯—赫尔维茨稳定判据在已知系统特征方程时简单可行;根轨迹法在多回路系统分析时较为方便;奈奎斯特稳定判据在频域研究时使用方便。根轨迹法和奈奎斯特稳定判据在有些情况下较难得出曲线, 但是可以运用MATLAB辅助判断。实践应用中可根据系统情况适当选择方法, 准确快速地对系统稳定性进行判断。
4 结语
本文把劳斯—赫尔维茨稳定判据、根轨迹法、奈奎斯特稳定判据放在一起进行比较, 使系统的稳定性判断更加清晰, 并提供了MATLAB求解的方法。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理 (第五版) .科学出版社, 2007年6月
电力系统非线性控制研究 篇9
论文采用微分几何方法对单机无穷大电力系统进行分析和控制器的设计, 使系统能在扰动的作用下也能够稳定运行, 甚至在周期扰动的作用下, 也能工作在稳定运行点。
1 简单电力系统非线性模型及可能的运行状态
电力系统的模型有很多种, 线性的、非线性的, 非线性模型根据考虑的因素不同又分为多种, 下面是单机电力系统的非线性二阶模型, 本研究以此模型为例。
其中: 式中个字母的物理意义:x1为电机的功角, x2为角速度, H为转动惯量, D为等值阻尼系数, Pe为电磁功率, Pm为机械功率, Ps为扰动功率幅值, β为扰动功率频率。
研究发现电力系统式 (1) 在参数c1、c2、c3、c4和β分别取不同值时会出现不同的运行状态, 从平衡点稳定运行、单倍周期稳定运行到失稳都会出现, 另外, 近些年研究发现, 在一定参数下, 系统还还会出现一种类似随机的振荡运行状态, 这种运行状态被称为混沌振荡, 已经有学者在进行电力系统的混沌状态研究。
2 电力系统非线性模型的精确线性化
利用微分几何方法可以对式 (1) 系统进行精确线性化处理。给系统 (1) 的第二项式加控制量u, 并令输出函数等于第一个状态变量, 得:
把系统写成微分几何理论表达标准型:
采用微分几何方法对系统求李导数和李括号, 做坐标变换, 进行精确线性化处理, 过程如下:
设置新坐标, 用变量z表示, 令:
经这样处理后, 系统 (2) 变换成系统 (3) 型, 即变换成为一个线性系统形式, 这样可以采用线性控制的方法进行控制器的设计。
3 电力系统控制器设计
对于线性化的系统 (3) 设计控制器, 使系统的输出按预期的轨道运行, 即实现渐进跟踪控制。
根据参考文献[3]中的定理可得在下列状态反馈下:
在本系统中, 输出跟踪误差向量定义为:e=yd-y, 则渐进跟踪控制律为:
4 数值仿真
系统参数c1, c2, c3, c4和β分别取0.2、1.0、0.02、1.0和1.0, 期望输出分别取单位阶跃信号ε (t) 和正弦信号sin (t) , 进行实验, 仿真结果如图1和图2所示, 其中横坐标为时间t, 纵坐标为系统状态变量。
由仿真结果可以看出, 在加入控制器之前, 系统在扰动的影响下, 开始出现了失稳状态, 数值在不断增加。在第25秒加入控制器, 图1是期望输出是单位阶跃信号ε (t) 的仿真结果, 图2是期望输出是单位阶跃信号sin (t) 的仿真结果。由仿真结果可以看出, 加入控制器后, 在控制过程中改变期望输出信号, 控制系统的实际输出仍能够较好的跟踪期望信号, 实现渐进跟踪, 并且期望输出可以使我们希望的任意信号。
5结束语
本论文采用微分几何非线性方法对电力系统非线性模型进行了精确线性化, 在此基础上设计出渐进跟踪控制器, 在此控制器的作用下, 不仅能使系统稳定运行, 还可以使系统运行按人们预期的轨道上运行, 达到了控制电力系统的目的。仿真结果表明该方法是有效的。
参考文献
[1]卢强, 孙元章.电力系统非线性控制[M].北京:科学出版社, 1993.
[2]张强, 王宝华.基于变量反馈的电力系统混沌振荡控制[J].电力自动化设备, 2002, 22 (10) .
基于线性微分系统的曲线曲面构造 篇10
关键词：线性微分系统,常微分方程,CAD/CAM,龙格库塔法
0 引言
在复杂曲面高精度数控加工的过程中, 复杂曲面的构造是加工的基础。目前的设计和研究中, 除了制造工厂和设计机构以外, 很难获取加工对象的设计图纸。因此, 大多数情况下只能依据加工对象的点云数据进行曲面重构。现阶段用于构造曲面的方法主要有参数样条方法、Coons曲面、Bezier曲线曲面和B样条曲线曲面[1,2], 但在用这些方法构造曲面的过程中, 需要进行大量的多个曲面光顺和拼接工作, 而且在计算效率和参数选择上仍存在许多问题[3]。现在产品设计多采用流线型, 其表面由无数条流线构成, 流线的求解形式可以看做一般常微分方程的初值问题。因此, 常微分方程完全可以用来解决复杂曲线曲面的建模问题, 而且在建模过程中产生的流线可以直接作为数控加工中的刀具路径, 例如复杂型腔的高速铣削等。本文基于微分系统, 利用线性常微分方程和最小二乘拟合, 将微分与参数曲面的思想相结合, 完成曲线曲面的构造。
1 曲面构造方法
1.1 曲面构造方法分析
微分几何学以光滑曲线 (曲面) 作为研究对象, 所以整个微分几何学是由曲线的弧线长、曲线上一点的切线等概念展开的[4]。由于微分几何是研究一般曲线和一般曲面的有关性质, 因此可以利用微分几何进行曲线曲面的构建。给定一个微分方程, 就相当于给定一个方向场, 微分方程的解即为一条积分曲线。在曲面的加工中, 曲面的切法矢是必不可少的条件, 因此, 在用微分方程构建曲面时, 所构造的曲线即为积分曲线, 所有积分曲线的合集即为微分方程所表述的方向场所对应的曲面。
对于微分方程, 由于方程的解仅由函数的初始条件决定, 所以, 只要获取适当的初始点和对应方程, 即可拟合出整条曲线, 进而构造曲面[6,7]。
1.2 常微分曲线曲面模型
已知曲面的点云集合Xi={xi, yi, zi}, i=1, 2, …, n和切向量场V (t) , 曲面的常微分方程可以表示为
其中f (t, u) =D (u) t3+E (u) t2+F (u) t+G (u) , t∈[0, 1], u=0, 0.5, 1, …A, D, E, F, G为系数矩阵。
将式 (1) 写成一般的曲面表达形式, 得
若固定u值, 则表示曲线的常微分模型, 即
其中u0为曲线对应的指定值。
1.3 常微分曲线曲面拟合
将式 (2) 表示成线性方程组MP=V的形式, 其中:
若共有n条常微分曲线, 将矩阵M中的每一项表示为:
式 (1) 所表示的方程通解为
但是不便于直接求解。对于每条常微分曲线, 都有对应的M矩阵, 因此, 在进行曲面拟合的过程中, 用最小二乘法[10]对式 (4) 中的系数pij、qij和sij进行求解。
对于第k条常微分曲线, 有M (uk) P=Vk, 即:
表示成矩阵的形式, 得
最小二乘法的矩阵形式为
1.4 用龙格库塔法求解一阶线性微分方程组
在1.3节中, 对于B矩阵和M矩阵的求解, 这里采用在工程上最广泛应用的4阶龙格库塔法[8,9], 该方法主要在已知方程导数和初值信息的情况下, 应用于计算机仿真中, 省去求解微分方程的复杂过程。
令初值问题表述如下:
即可得到微分方程组:
在区间a≤t≤b上的数值解。
则对于该问题的4阶龙格库塔公式为:
其中:
4阶龙格库塔法是四阶方法, 也就是说每步的误差为h5阶, 而总积累误差为h4阶。
2 计算实例
采用上述方法, 以叶片截型为例, 其点云数据及拟合结果如图2所示。
为了验证本文方法的实用性, 采用最小二乘法对该截型曲线进行拟合, 并与常微分方程曲线模型进行对比, 最小二乘法和常微分方程拟合的误差分别为:σ1= (0.0788, 0.0939, 0) ;σ2= (0.0079, 0.0016, 0) 。
残差图如图3所示。
3 结语
本文在建立曲线曲面常微分方程模型时, 在传统常微分方程形式的基础上引入了调节项f (t, u) , 降低了系统的敏感度, 增加了系统的可调节性。随着数控技术的飞速发展, 越来越多的产品和设计在造型过程中采用流线型设计, 流线型可以最大限度地降低相对运动中的阻力, 使产品具有更加优越的运动性能。因此, 以流线和流体力学为依托的流曲线曲面造型成为人们研究的热点。而流曲线曲面构建的基础正是微分方程。本文通过对微分系统曲面建模的优化, 提出了一种更为快速便捷的造型方法, 为流曲线曲面的构建提供一定的参考, 其中曲面的整体构建还可以进行进一步的探讨。
参考文献
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非线性编辑系统在教学中的影响 篇11
【关键词】非线性编辑系统；功能；电教
近年来，多媒体技术的发展为计算机的应用开辟了广阔空间。通常信息的表现方式被称为媒体，如文字、声音、图像等，人们把综合使用这些媒体来表达信息称为多媒体。多媒体计算机能够同时抓取，处理、编辑、存储和展示两种以上不同类型信息媒介。这些信息媒体包括文字、图形、图像、声音、动画和活动影像等。这样，就为多媒体计算机影视制作提供了技术保障。使用传统的磁带编辑系统，如要编辑中间的素材，则要从头开始卷带，搜索时间长且很不方便，信号的损耗也是相当严重的，进入20世纪90年代后期，伴随着计算机技术的迅猛发展，数字技术在音视频节目制作中得到广泛应用，形成了一种全新音视频编辑方式——非线性编辑。传统的线性编辑系统由编辑机、特技机、字幕机、调音台、时基校正器和切换台等设备组成，联机复杂，易出故障。以非线性编辑取代传统的线性编辑，从表面上看只不过是方式的改变，而从深层次上看则是音视频节目制作领域、观念的一场革命。
一
传统的线性编辑是利用编辑机、字幕机、特技机、调音台等对录像带上的信号进行组接特技合成、字幕叠加和音响合成等处理，最后形成音视频教学电视节目带。编辑工作复杂繁重、效力低下、而且制成的节目带经多代复制后图像质量也会严重下降，这为电视教材的制作和播出带来了很大的不便。非线性编辑系统是以计算机为平台，配以专用板卡和大容量高速硬盘，利用相应的编辑软件，控制完成视频音频电视教材节目的制作。其与传统的线性编辑系统相比具有以下突出的特点：
由于非线性编辑系统是在计算机平台上运行，音像的存储介质由传统的磁带存储变为硬盘存储，在利用非线性系统进行编辑时，可以由传统的录像机挂带搜索变成用计算机鼠标拖拉搜索，速度既快又避免了录像机磁头的磨损。此外在计算机上图象和声音以一个个文件格式存储在硬盘中，因此存储结构也由磁带中的顺序存放变为链表结构存储，利用计算机随机存取的特点，要想调用哪段录像素材只要找到与之相应的文件就可以了。大大节省导找素材的时间。
非线性编辑系统的功能往往集录制、编辑、特技、字幕、配音等多种功能于一身，只要通过相应的编辑软件，就能轻松、快捷地进行编辑。另外如果编好的节目不满意，需要修改某些镜头，只要在操作界面上按一下鼠标，就可以准确地进行画面的修改，调整时不需要考虑诸如CTL信号的长短、镜头的先后顺序、拷贝次数和编辑点的质量等。
非线性编辑系统采用数字处理，系统全部的工作过程均以32bit数字化压缩文件方法完成，除了编解码、A／D、D/A转换、压缩与解压缩、文件格式转换会引起信号损失外，其它处理图像质量都不会下降，噪声也不会增加。视频信号的处理基本上说不受外界的干扰，没有传统的模拟线性编辑过程中出现的失落和跟踪不良等现象。非线性编辑系统由于采用了时间码记录检索，因此可实现素材的随机存取，还可以对所播图像的速度、音乐的音量、素材的前后顺序随意调整。这样，编辑时不仅可以方便地浏览素材，搜索编辑点，而且还可以在已编好的节目中任意的插入和修改。这些功能的合理使用，确实给工作提供了极大方便，尤其是可以很方理地解决在分镜头稿本时，对究竟采用哪种方式举棋不定的问题，例如，可以把一些相关的素材，如外景图象，计算机动画，棚关的字幕、音乐等采集到A/V硬盘上，变成一个个独立的文件储存起来。剪辑时，分别调出一些镜头，看看它们是否能构成一组所希望的镜头，镜头的顺序看起来是否流畅，是否符合科学性、逻辑性等等，尤其是教学上的难点，是否模拟得合适等等。若不合适，可随意调整文件顺序，把文件编成播放表预演，按自己的设计方案进行反复调整，直至对镜头的组接感到满意为止。
而用线性编辑技术编辑制作一部教学节目是非常烦琐和单调的。制作人员首先要审看前期拍摄得到的大量素材，然后将选好的素材按分镜头稿本的顺序进行编辑，之后再进行一些必要的特技制作和字幕叠加，最后还要进行配音、配乐以及音响合成。如果对编好的片子不满意，需要修改某些镜头，就更要仔细地计算镜头的长度及编辑入点、出点，小心地进行插入编辑。稍不注意，就可能造成重编。非线性编辑系统对这些工作却可以轻松完成，从而大大提高了编辑效率。
二
随着计算机对视频编辑的介入，电化教育行业已经发生了重大变革，电教工作者有必要更新观念，紧跟着信息社会的发展步伐，改变传统的电化教学模式，学习和掌握好高科技的现代化电教设备，在电化教学中可充分利用非线性编辑系绕，发挥它的优势，用到教学资料片的制作当中去。如：优质课、外教教学等，应用非线性编辑系统制作出高质量的电化教学片，再加上可以非线性地插入动画、文字、图形、图像等多媒体内容，更增加了教学片的生动性。从另一方面讲，我们还可以通过非线性编辑系统，非常方便地制作出比普通计算机更生动、活泼、丰富多采的多媒体课件，如：在课件中更为方便地插入一些视频图像、图片、三维动画等多采的多媒体课件等多媒体内容来增加其生动性。根据有关研究报道，人类从外界获得信息中有83%是通过视觉，11%是通过听觉，1%是通过味觉，1.5%信息是通过触觉，3.5%是通过嗅觉。通过视觉和听觉获得的信息占从外界获得所有信息的94%，因此，经过非线性编辑后的教学片或课件在教学中使用显然能够提高学生的兴趣，加深印象。
池州学院教育电视台2008年9月从“奥维迅”公司购进一台非线性编辑系统(DV2500)，这套系统在该台的《校内新闻》栏目、专题、片头、片花的制作中，发挥了重要作用。非线性编辑系统从根本上讲，就是一个扩展的计算机系统，是由一台高性能的计算机加上音视频板卡（俗称非线性卡）和一些辅助卡、再加上大容量SCSI硬盘阵列所组成。其中音视频卡是其核心硬件，决定了非线性编辑系统的主要工作性能。
对于一套非线性编辑系统来说，其硬件平台只能完成素材的采集、存储、播放、而编辑则需要相应编辑软件，就国产的非线性编辑系统而言，尽管绝大多数的核心硬件都是国外的板卡，各生产商围绕其开发的编辑软件都有较大差异，所以除各家自行开发的专用软件外，多数系统还要配备比较流行的第三方软件，如ADOBE公司的PREMIEVE，AFTEREFFECT等。另外，还通常装配，PHTOSHOU、3DMAX、FLASH、MORPH等支持软件，完成图形处理、二维及三维动画制作，变形等功能，丰富制作手段。档次高的非线性编辑系统可以实现双通道实时采集、播放和各种参数的设定、实时调整、实时过渡特技、实时专业中文字幕、实时音频处理。
非线性编辑系统的发展和应用 篇12
1 非线性编辑系统的发展
非线性编辑是现阶段电视节目拍摄中常用的一种技术, 它能够实现电视节目从拍摄到播出的数字化操作。其工作过程中利用计算机先进的编辑功能, 完成拍摄电视节目内容的有效编辑和处理。
传统情况下的非线性编辑系统是利用专门的芯片来完成对电视节目内容的编辑工作, 音频和视频的编码、解码以及特技的处理都是通过硬件电路来实现的。此时计算机只完成对数据信息的存储和传输功能, 对电视节目的编辑则由专门的板卡来完成。近些年来, 随着各种先进科学技术的发展, 非线性编辑系统逐渐发展到了CPU+GPU+I/O的模式, 极大的提高了非线性编辑系统的功能和处理效果。该模式中图像信号的编码和解码都是由计算机来完成的, 视频特效则是通过GPU来完成的, 二者协同使得电视节目的编辑脱离了传统非线性编辑系统中对板卡的依赖, 彻底打破了传统硬件电路设计中存在的问题, 提高了视频信号编辑和处理的速率和效果。
另外先进的非线性编辑系统具有以下几个方面的优势。
1) 较高的可扩展性。
非线性编辑系统在设计过程中采用了软件设计架构, 即可以通过更换计算机中的相关硬件设备来实现整个系统性能的提升, 也可以通过软件的升级, 实现系统功能的优化。系统设计过程中预留了一定的扩展模块, 能够方便设计人员对系统功能进行扩展。
2) 较高的稳定性。
现阶段非线性编辑系统在设计过程中采用先进的I/O口完成对视频信号的输出和输入, 改变了传统硬件电路在数据传输中的限制, 极大的改善了视频处理过程中系统发生故障的概率, 消耗的功率, 同时降低了系统工作过程中产生热量的大小, 实现了非线性编辑系统稳定性的提升。
3) 较方便的处理方式。
传统情况下的线性编辑系统, 在进行电视节目制作过程中只能够根据节目拍摄的顺序进行编辑, 所以在进行编辑之前必须先完成对编辑内容的构思, 否则不能够实现对节目播出顺序的更改。非线性编辑系统的应用能够实现对节目顺序的任意调整, 且能够随时进行调整, 不受时间的限制。
4) 方便的进行复制。
非线性编辑方式采用数字化处理方式, 能够实现对电视节目内容的无限制复制, 且信号质量不会受到任何影响。而传统情况下模拟信号经过几次复制之后, 其信号质量会出现一定的衰减, 影响其节目播出的质量。
2 非线性编辑系统的优势
通过上面的介绍, 我们可以看到随着科技的不断发展, 非线性编辑系统正向着数字化的方向发展。但是由于电视台从模拟信号转变成数字信号还需要一定的时间, 非线性编辑系统是电视节目从模拟向数字转换过程中的一个桥梁, 开拓了一个崭新的电视节目编辑方式。在应用过程中它具有如下几个方面的优势。
1) 非线性编辑系统在进行电视节目处理过程中, 其信号不会受到外界中各种信号的干扰, 能够实现对节目信号的多次复制。
2) 电视节目图像的质量不会受到设备本身的影响。
3) 后期处理人员可以根据需要对电视节目进行任意修改和编辑。
4) 硬件具有较高的兼容性, 能够支持多种软件, 并且能够实现对多个三维特技的制作。
5) 非线性编辑系统可以跟计算机连接在一起, 实现对电视节目信号的在线编辑和传输。
3 非线性编辑系统应用中需要注意的问题
非线性编辑系统是进行电视节目后期制作的主要工具, 在使用过程中应注意以下几个方面的问题。
第一, 在进行素材录入过程中要确保其时码的完整性, 素材采集是现阶段非线性编辑系统应用过程中的第一步。常用的素材采集方式有手动、遥控以及批采集, 其中后面两种能够实现对素材的自动采集, 同时还能够实现对素材文件的恢复, 避免素材文件出现损坏或者误删除的现象。
第二, 还要做好对素材内容的准确标记, 并且根据素材内容给其选择一个具有明显特征的名字, 便于素材信息的快速检索。
第三, 在采集过程中要选择合适的压缩比, 该参数大小直接关系到电视节目素材所占存储空间的大小。一般情况下比较大的专题节目可以采用3:1的压缩比, 对于长度较短的广告等电视节目可以采用无损压缩的模式。即对于素材比较少, 但是对节目质量要求较高的节目, 要尽量选择无损压缩模式。
第四, 非线性编辑系统中嵌入了大量的图像处理软件, 处理人员要熟练掌握这些软件的使用方法和技巧, 只有这样才能够充分发挥各个软件的优势, 并且将其划分成不同的模块由不同的人员完成。一方面提高图像处理的效果, 另一方面提高图像处理的速率, 缩短整个电视节目处理所需时间。
第五, 为了避免非线性编辑系统在进行图像处理中影响信号质量和网络开销, 可以采用先进的多格式混编技术。
第六, 在进行电视节目模板制作过程中, 要实现设计具有独特风格特点的模块。这就要求相关人员在进行模板制作之前, 注重对素材资料的收集和应用, 并且将其进行分类处理, 方便实现这些素材资料的存储。
第七, 要做好电视节目信息的备份工作, 非线性编辑系统中使用的存储设备价格较高, 所有在电视节目输出后, 可以将其存储在价格相对较低的IDE硬盘中, 降低电视台运行成本的大小。
对于电视节目的后期制作来说, 其制作质量的好坏受制作人员自身技能水平和工作经验的影响较大。因此在后续制作过程中要不断加强对制作人员的技能培训, 不断提升其编辑技能, 从而确保其工作过程中能够采用合适的处理软件和处理工具完成对电视节目的处理。虽然非线性编辑系统的应用给电视节目后期制作人员提供了丰富的处理手段和特技效果, 但是切不可将电视节目的质量完全依赖后期制作。还要不断提高电视节目制作过程中的声音和图像质量, 实现其和谐统一, 降低电视节目后期处理过程中的工作量和难度。
4 结论
非线性编辑系统是现阶段进行电视节目处理的主要工具, 能够实现电视节目质量的高效处理, 是电视节目从模拟到数字转换的一个过渡, 实现了对电视节目从线性到非线性的转换。随着计算机技术和网络技术的发展, 电视节目信号的处理更加快速和方便, 同时能够方便的完成电视节目信号中各种三维特效的添加和应用。虽然非线性编辑系统自身还存在一些问题, 但是随着科技的不断发展和数字化技术的应用, 非线性编辑系统在电视节目制作过程中的应用将会更加广泛。
摘要：电视节目中各种先进技术的应用为电视节目的制作提供了多种制作方式, 特别是计算机技术和网络技术的发展, 给电视节目制作带来了非常大的影响。非线性编辑系统是在传统线性编辑系统基础上发展起来的, 克服了传统线性编辑系统对存储空间和编辑方式的限制, 完成对电视节目信号的随意编辑。同时非线性编辑系统中采用了先进的数字处理方法 , 能够避免信号多次复制和使用之后质量降低的问题。信号传输过程中不会受到外界各种干扰的影响, 降低电视节目画面的质量。
关键词：非线性编辑,系统,应用
参考文献
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