控制变量范文精选

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2014）4-0235-01

控制变量法是指适时恰当地控制对我们所要研究的物理量相关的或有影响的因素、条件，在众多的会引起物理量发生变化的因素中,只让要研究的因素发生变化、发生改变，观察物理量会如何随着这个因素的变化而变化，而让其他的暂时不研究的因素保持不变。在初中物理教学中控制变量法是最常用的研究方法，下面就控制变量法和自己在初中物理教学中的体会进行阐述：

一、控制变量法在初中物理教学中的地位

物理学是一门以观察和实验为基础的学科，大多数物理规律都是在实验的基础上建立起来的，要想让学生牢固地掌握和熟练运用物理规律,就必须培养学生探究物理规律的能力。物理学对于多因素（多变量）的问题常常采用控制因素（变量）的办法，即把多因素的问题转变为多个单因素的问题，分别加以研究，最后再综合解决。而控制变量法作为一种常用的、有效的探索物理规律的科学方法，在初中物理新课程教学中得到了特别广泛的应用。许多物理概念或规律的探索和推导，演示实验、分组实验的教学，控制变量法不仅仅是用来探究物理规律，同时也是用来分析、解决物理问题的好帮手。

二、控制变量法在初中物理教学中的应用

1.在实验探究中，运用控制变量法能有序地分解和呈现问题

在物理探究实验中，如果影响某一物理量变化的因素比较多时,那么要研究这些因素的变化对该物理量是否有影响时，就需要使用控制变量法去研究,将复杂的、多变的物理问题转化为简单的变量问题，将多因素的、抽象的大问题，转变为直观的容易操控的小问题,转化为特定的便于观察的条件进行研究。通过对相关测量数据的深入研究、分析判断、总结归纳,最后找出这个因素跟我们想要研究的物理量是什么关系。

研究导体的电阻大小与导体的哪些特性有关时，先将横截面积、长度都不同的一根镍铬合金丝和一根铜丝分别串联接有小灯泡的直流电路中，让学生分别观察灯泡发光的亮度,再用横截面积和长度都不同的两根镍铬合金丝分别串入上述电路中,观察小灯泡的亮度,并让学生思考这个实验能否说明电阻大小同导电体的某种特性有关。在这种探究过程中,控制变量法,有序地分解和呈现了物理问题,帮助学生对影响物理量的多个因素逐一进行研究。这种探究思路非常清晰,能帮助学生快速、准确地设计和完成探究。

摘要：热量计算是九年级物理上学期应该掌握的基本计算技能之一，也是学生学习的难点。利用"控制变量"方法理解比热容定义，从而得出物质吸热、放热计算公式，学生容易理解，也容易掌握。

关键词：吸热；放热；比热容；控制变量

中图分类号：G633.7 文献标识码：B文章编号：1672-1578（2017）01-0117-01

崃考扑闶蔷拍昙段锢砩涎期应该掌握的基本计算技能之一。通过多年教学实践发现，它也是学生学习物理计算的难点之一。Q=cmΔt公式中有c、m、Δt三个变量，对学生来说理解三者之间的关系，从而理解公式进行正确的计算是突破热量计算难点的关键。

热量计算公式Q=cmΔt中c是比热容，m是物理质量，Δt是温度的变化量。比热容是学生理解热量计算公式的关键，学生难于理解，主要是因为定义中既涉及质量、温度又与热量相联系，对于学生来说太抽象了。如果我们采用"控制变量"的方法来循序渐进地理解比热容的定义，既能减少难度，又能为使用公式打好基础。

比热容的定义是：单位质量的某种物质温度每升高（降低）1摄氏度，所吸收（放出）的热量。如水的比热容是4.2×103J/kg・℃，它的意思就是每千克水温度每升高（降低）1摄氏度，所吸收（放出）的热量是4.2×103J。定义中涉及到质量和温度两个物理量，要理解物体吸热与质量关系时，我们可以保持温度不变；要研究吸热与温度关系时，我们可以保持质量不变。这样先分别研究再综合研究，就可化繁为简，也降低了学生学习的难度。我们还是以水为例来说明这个问题。

（1）要理解物体吸热与质量关系时，我们可以保持温度不变，我们可得到如下表1所述数据。

我们先算出1千克水升高1摄氏度所吸收的热量为4.2×103J。

摘要：变风量空调控制系统的核心是选择节能的、易于工程使用的控制算法。本文通过对比，对变风量末端选用了压力无关型控制算法，对变风量空调机组选用了定静压控制算法。本文通过优化控制参数，在节能方面，获得了满意的效果。

关键词： 集散控制 　变风量

压力无关型控制算法 定静压控制算法

1.概述

变风量空调技术是跨暖通专业和控制专业的新领域，如果没有好的控制策略和在工程中简单可行的实施方法，变风量空调系统达不到预期节能效果的。在此背景下，探讨变风量空调系统的控制，有着重要的现实意义。

1.1 变风量空调控制组成

变风量空调系统由变风量末端、变风量空调机组两部分组成，两者通过风道连接。系统的组成如图所示。

变风量空调系统的组成

【摘 要】本文从实际应用出发，对变频器矢量控制模式的特点和调试进行了较祥细的论述。

【关键词】变频调速 矢量控制

在实际生产中变频器采用了调压调频技术，通过调整输出到电动机定子绕组上的电压幅度大小和电压频率高低来实现不同控制模式的调速方式。

1.变频器控制输出的电压幅度和电压频率的比值为常数时，基本实现恒磁通、恒转矩运行。但在低频时的转差率增加，最大扭矩下降；高频时，转差率减小，转矩基本恒定。

2.输出功率不变的方式，即电动机的转速上升，输出扭矩下降：电压频率超过电动机的额定频率时，频率继续上调时，电压幅度不能够超过额定电压，导致主磁通因电压频率上升而下降，输出的转矩下降，出现近似恒功率的状态。

3.采用矢量运行方式，在整个变速范围内，有效的控制输出转矩和转差率，调速效果接近直流电动机调速：变频器在给定值改变或者负载有明显变化时，能够更好的控制转速变化；尤其是输出给定子绕组的电压频率在较低范围时，转子的旋转速度相应的变得较慢，采用该运行模式，输出转矩可以得到更好的控制，转差率也能够和电压频率较高时的转差率基本一致；在转子完全静止时，也能够输出额定转矩。

变频器在矢量运行模式时，按照有没有采用转速反馈，可以采取两种控制方式：回转系统带旋转编码器的类型和不带旋转编码器的类型。下面接合某生产线变频驱动设备的调试过程，描述变频器矢量控制的特点和调试要求。

某生产线，由三条带式传送设备前后串联组成。前端的是铺装预压机，中部是板坯运输给料机，后部是压制成型机。这三部分由不同的厂家制造，也配套了不同的变频器驱动系统。

在探究教学中，探索问题，分析、解决问题的科学方法很多。控制变量法是一种最常用，最有效的科学方法之一。应用好这一方法将在探究教学效果中，取到事半功倍的作用。哪什么是控制变量法？在探究教学中如何应用控制变量法？关键是什么？现浅析如下。

当研究的问题与多个因素有关时，往往先控制其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化而产生的影响，这种方法叫控制变量法。自然界中发生的各种物理现象往往是错综复杂的。影响物理学研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素共同起作用的，为了确定各个不同物理量之间的关系，就需要控制某些量使其保持不变，而改变某一个量，得出所研究的物理量与该物理量之间的关系。探究性教学是在教师的指导下，学生运用科学探究的方法，进行学习，主动去获取知识，从而形成科学概念。探究性学习是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念，领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动，包括提出问题、假设猜想、设计实验、进行实验、分析论证、评估交流等。

探究教学讲究发散思维、多方探讨、发挥学生的积极主动性，各抒己见；而控制变量法则是对实验限制条件，只能对某一方面进行探讨和研究。两者看似矛盾，其实质是统一的。控制变量法是有条件的探究，是建立在一定的知识、能力基础上的探究，它可以去除学生在学习过程中的盲目性，在教师有目的引导下，提出问题，明确分析对象，运用合理的知识和经验，探索教学中的问题，从而解决问题。

在教学探究教学过程中，应用控制变量法时，成功与否关键是确定什么是要控制不变的量，什么是变量（要改变的量）。一般情况下，在研究什么与什么时，前面的什么是研究的对象，而后面的什么是与之有关的因素是变量，其它的是要控制不变的量。分清这些关系，将使探究的问题迎刃而解。

在许多概念、规律的探索实验中应用了“控制变量法”这一科学方法。

如探究滑动摩擦阻力大小与接触面积粗糙程度和压力大小的关系时，因为影响滑动摩擦阻力的因素较多，因此，在探究过程中要用到变量控制的方法。在研究滑动摩擦阻力与压力的关系时，要控制不变的量是接触面粗糙程度等因素，要改变的量（变量）是压力的大小。而在探究滑动摩擦阻力与接触面粗糙程度时，则要改变的量（变量）是接触面的粗糙程度，此时要控制不变的量是压力等因素。又如探究压力产生的效果与压力、受力面积关系时，先控制受力面积大小一样，而改变压力的大小如图甲、乙，可得出当受力面积相同时，压力越大，压力作用的效果越明显。探究压力产生的效果与受力面积关系时，要控制压力大小不变，而改变受力面积大小如图乙、丙。这样可得出当压力相同时，受力面积越小，压力产生的效果越明显。

在物理实验过程中，控制变量法是一种最常用、最有效的方法。

如在探究导体阻值大小与导体材料、横截面积、长度以及温度等关系时，可先控制导体的材料、横截面积等因素保持不变，而改变导体的长度，得出导体阻值大小与导体长度的关系。如此依次逐一进行探究，结论就非常清楚。

1系统结构设计及总体方案

拖拉机动力输出轴连接药液泵，开始喷雾前打开与药箱连接的吸水阀门，关闭快速管接头阀门;控制系统经过上电初始化设定好电动调节阀的初始开度，通过触摸屏设定工作模式和亩喷量，并打开与喷头连接的电动阀;拖拉机动力输出轴运转后，药液从药箱通过吸水阀门、过滤器进入药液泵，控制系统通过速度传感器实时采集作业速度，结合设定的亩喷量和采集的喷药压力，计算出理论的流量值，与采集到的实际流量值进行比较;经过PID算法调节电动调节阀的开度，使得实际流量值尽可能与理论流量值一致，从而实现变量喷雾。药箱上安装的超声波液位传感器检测药箱液位高度，通过触摸屏显示实际液位，当液位低于设定的安全值时，触摸屏显示“液位过低”，进行报警。当行驶到地头转弯作业时，控制器根据转向控制传感器的信号，关闭转弯半径内侧的阀门，防止重复喷药。作业过程中，可以点击触摸屏的摄像头按钮切换到摄像头界面来观察喷雾效果。

2硬件电路设计

控制系统硬件结构，包括DSP核心算法单元、电源电路、RS485、RS232、A/D转换电路、开关量输入电路、继电器输出电路，以及传感器、电动阀、电动调节阀电路、触摸屏显示电路。

2．1核心芯片系统设计采用TI公司的TMS320F28335DSP作为核心控制芯片。该芯片内置了浮点运算内核，能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行时间和存储空间，具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高和数据及程序存储量大等优点。

2．2电源电路TMS320F28335工作时所要求的电压分为两部分:3．3V的Flash电压和1．8V的内核电压。TMS320F28335对电源很敏感，所以选择TI公司的双路低压差电源调整器TPS767D301。TPS767D301带有可单独供电的双路输出:一路固定为3．3V，另一路输出可调。设计中选取R49为20k，R50为12k，而且TPS767D301芯片自身能够产生复位信号，不需要为DSP设置专门的复位芯片。要保证系统可靠的工作还需要有电源管理芯片，选用TI公司的TPS3305－33D来监控系统的3．3V和5V电压。当系统电压降到允许范围以下时，产生复位信号使系统复位，保护系统免受低电压影响。TPS3305－33D同时还具有看门狗功能，看门狗输入信号WDI接DSP的XCLKOUT引脚。

2．3A/D转换电路控制系统需要采集作业过程中的药液温度、压力、流量、液位高度等模拟量，其中的流量、压力转换为数字量后要进行PID运算。为了保证采集到的模拟量的准确性，选用AD公司的AD7606－4芯片完成A/D转换。它是16位、4通道同步采样模数数据采集系统，内置模拟输入箝位保护，采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外部双极性电源，电路设计比较简单、方便。

2．4开关量输入电路开关量输入电路。速度传感器输出的脉冲信号经过一阶RC滤波后，进入光电耦合器，经过74HC14取反后输出幅值为5V的脉冲信号。由于TMS320F28335的I/O电压为3．3V，所以输出的脉冲信号经过74LVC4245进行电平转换，转换为3．3V脉冲信号送入DSP的CAP引脚。转向控制传感器输出高低电平信号，经过开关量输入电路转换为3．3V信号后送入DSP的普通I/O口，通过判断I/O口的高低状态来判断转向。

重复使用亚轨道飞行器(Sub－OrbitalReusableLaunchVehicle，SRLV)作为集成运载火箭、航天器、航空器(无人机)等多项技术的复杂飞行器，飞行状态和参数变化范围很大，控制对象具有强非线性、强耦合、快时变、不确定性等特点［1－2］。传统的控制器设计方法是不考虑俯仰、偏航、滚转三通道之间的任何交连作用，独立设计控制器，然后加入协调控制支路对交联耦合项进行补偿。本文基于H－矩阵并结合定量反馈理论(QFT)中的自动整形原理设计鲁棒解耦控制器。传统的解耦方法通常是针对精确的对象模型，设计预补偿器来解耦。模型对象存在不确定时，不能保证有良好的解耦效果，且解耦结果对频率敏感。本文提出的基于H－矩阵理论针对具有参数不确定性的对象模型，设计反馈补偿器，这就保证MIMO系统在具有参数不确定性时几乎是解耦的，因此，我们可以称之为鲁棒解耦技术。反馈补偿器的具体实现是利用QFT自动整形原理，从而保证了解耦结果对频率的不敏感性和对模型参数不确定性的鲁棒性。

1H－矩阵/QFT鲁棒解耦多变量控制设计原理

1．1问题提出图1所示为H－矩阵/QFT鲁棒解耦多变量控制系统框图，其中G(s)为被控对象，GG(α，s)=(gij(α，s))表示带有不确定性参数向量α的线性时变传递函数。K(s)为反馈补偿器，F(s)为控制器，H(s)为反馈补偿后几乎解耦的被控对象。理想状况下，设计目的是寻求反馈补偿器K(s)，使得G(α，s)补偿后的系统H(s)成为具有如下形式的对角系统:H(s)=diag［h1(s)，h2(s)，…，hn(s)］(1)实际上由H－矩阵的理论可知当H(s)满足行(或列)对角占优，且交联系数λH^满足如下条件时，kk系统是几乎解耦的［3］，这样就可以把一个多变量系统的设计问题简化为由该系统的各对角元构成的单变量系统的设计问题，从而达到简化控制器结构的目的。1．2反馈补偿器设计

1．2．1反馈补偿器K(s)设计原理［3］由图1可得如下传递函数

1．2．2QFT自动整形原理设计kii(s)鲁棒控制理论中的定量反馈理论(QFT)是一种基于频域的鲁棒控制设计理论，QFT在设计控制器之前各种不确定性和需要达到的性能指标以定量的形式描述出来，然后根据这些限定，设计可以容忍这些不确定性并且满足性能指标的控制器，设计的核心环节就是确定设计指标，构造对象模板，在Nichols图上生成复合频域边界，根据复合频域边界设计控制器F(s)，即在Nichols图上对标称对象进行整形的过程［4］。本文利用QFT对参数不确定性和对频率不敏感性的优势，来设计kii(s)。将公式(7)作为性能指标，将其转换成Nichols图上的频率边界，然后根据这些频率边界设计kii(s)，使得到的Li0=kipi0频率响应曲线应在边界上方，并且应尽可能与边界靠拢。本文利用遗传算法进行自动整形［5］。

2H－矩阵/QFT鲁棒解耦多变量控制在SRLV姿态控制系统中的应用

2．1SRLV小偏差线性模型2．2反馈补偿器K(s)及控制器设计由于俯仰通道本身具有对角优势。根据1．

2．2节中所述的QFT中性能指标转换成频域边界的原理，得到如图2偏航通道和图3滚转通道频域边界。由于在频域边界图中各个频率的边界形成考虑了参数不确定性的影响，因此，得到的解耦结果对参数不确定性和频率不敏感。根据频域边界，基于遗传算法对标称模型进行自动整形，得到反馈补偿器为K(s)=diag［k1(s)，k2图4分别为具有不确定性参数特性的偏航和滚转通道补偿前后的对角优势度图。

现代社会信息化的快速发展，导致液压传动系统的信息化程度也越来越高，出现了大量的数字化液压元件。作为液压传动的动力元件—液压泵，其数字化的水平很大程度上决定了系统的信息化水平，特别是在大功率应用场合，其影响更为明显。传统的变量泵不同的控制功能对应不同的机械结构，实现复杂的复合控制时，往往是不同功能的结构叠加，导致其结构复杂，调试困难，故障概率大。数字化的变量泵可以通过嵌入控制器的程序，利用软件代替传统的单独功能的变量阀，方便的实现对流量、压力等参数进行调整进而实现各种复杂的控制，可以与负载功率相匹配实现最佳工作状态，达到提高控制性能和节能的目标。因此，电子控制变量泵的研究具有很强的工程理论和应用价值[1]。

1电子控制变量泵的工作原理

电子控制变量柱塞泵由轴向柱塞变量泵、电液比例阀、变量液压缸、运算放大器、流量传感器、压力传感器和位移传感器组成，如图1所示。恒压力控制：当负载压力升高时，压力信号通过传感器反馈给控制器4，通过运算输出电流信号使电液比例阀2的左位起作用，高压油进入变量液压缸3的腔，活塞杆左移，推动斜盘使倾角变小，泵的供油量减少，系统压力降低。当压力降低时，压力信号传送给控制器4，经控制器运算输出电流信号使电液比例阀2的右位起作用，高压油进入变量液压缸3的左腔，活塞杆右移，推动斜盘倾角变大，泵的供油量增大，压力升高。通过闭环压力控制使泵的压力稳定在某一恒定值，实现电子控制变量泵的恒压控制，恒压控制流程如图2所示。流量控制：当流量增大时，流量信号输送给控制器4，经过控制器运算输出电流信号使电液比例阀2的左位起作用，高压油进入变量油缸的右腔，活塞杆左移，推动斜盘倾角减小，泵的流量减小。当流量减小时，流量信号通过控制器输出信号使电液比例阀2的右位起作用，高压油进入变量油缸的左腔，活塞杆右移，斜盘的倾角增大，输出流量增大。通过流量传感器的反馈作用使流量恒定在某一恒定值。其流量控制流程如图3所示。功率是压力和流量相乘，功率控制时，设定功率值除以反馈压力信号得出流量值的大小。压力增大时，流量按照功率曲线减小。压力减小时，流量按照功率曲线增大。其控制流程如图4所示。

2数学模型的建立

2.1伺服比例阀的特性

对于小质量阀芯弹簧环节的处理：由于比例控制不是开关控制，因此阀芯运动化为分段一阶方程不再适用。阀的运动模型可简化为数学方程[2]。简化模型如图5所示。

2.2斜盘组件动态特性

斜盘组件由变量活塞推动，变量活塞受控制滑阀控制。如图6所示，控制滑阀阀口流量可用以下线性化公式表示。通过阀口的流量流入变量活塞左腔。此流量与从活塞右腔泄露至左腔的油一起产生使活塞向右运动的

王家隽 李阳晖 柳京豫 张强 高扬

摘要： 本文对变风量空调系统自动控制设计、监控系统设计及实施中的一些问题进行了讨沦。

关键词： 变风量空调系统 末端装置 自动控制

由于变风量系统具有可减少空调设备的安装容量、节省运行能耗、可以满足不同房间不同温度控制的要求、适应使用空间变更的要求、维修量小等优点，在我国的一些高级办公楼中已被采用，如北京的南银大厦、中国银行、中国人寿大厦等建筑，而一些正设计中的新的办公楼也采用了变风量空调系统，变风量空调系统将会越来越多。本文仅就系统控制设计及实施中的一些问题进行讨论。

1. 变风量系统的控制

变风量空调系统的控制可分为变风量空调机组和变风量末端装置两部分，本文用图1与图2的变风量空调系统为例，来讨论监控点的设置及主要的控制功能。该系统为单风道系统，建筑物内、外区共用同一空调系统，内区变风量末端装置为单风道基本型，外区变风量末端装置为带再热的串联式风机动力型。

图1 变风量系统控制原理图

图2 变风量末端装置控制原理图

控制变量法是科学探究的一种方法，它在物理学中应用特别广泛。控制变量法是指：在研究某个问题(如物理量等)与多种因素的关系时，每次只改变一个因素，保持其他因素不变，通过分析这个改变的因素与所研究问题之间的关系，再分析综合得出结论(或规律)。

例如：研究电流跟电阻和电压的关系：首先保持电阻不变，只探究电流和电压的关系。具体的做法如下：

连接电路，其中定值电阻，滑动变阻器，闭合开关S后，调节滑动变阻器的滑片，使尺两端电压成整数倍的变化(如2V、4V、6V等)，根据电压表和电流表的示数即可测出每次加在尺上的电压值和电流值。分析比较这些数值，就可得出结论：在电阻一定的情况下，导体中的电流跟导体两端的电压成正比。

其次保持电压不变，只探究电流跟电阻的关系，具体做法如下：

仍利用电路，换用不同的定值电阻，使电阻成整数倍变化，调整变阻器的滑片，保持定值电阻的两端的电压不变，这样就可测出对应于不同阻值的电流值。分析比较这些数值，就可得出结论：在电压不变的情况下，导体中的电流跟导体的电阻成反比。

综合上述就得下面的结论：

导体中的电流，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比(I＝U/R)。

这个结论是德国物理学家欧姆(G.S.Ohm，1787-1854)，在19世纪初期，经过大量实验得出的，叫做欧姆定律。