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§3.3 平衡原理与机理模型一. 平衡原理自然界任何物质在其运动变化过程中一定受到某种平衡关系的支配。
二. 机理模型在一定的假设下，根据主要因素相互作用的机理，对它们之间的平衡关系的数学描述。
三. 微分方程模型微元法：在自变量的微小的区间内以简单的形式描述有关变量之间的平衡关系, 再利用微分学的思想进一步处理它, 得到以微分方程的形式描述的数学模型。
例1. 人口的自然增长.建模描述一个地区内人口的自然增殖的过程。
即考虑由于人口的生育和死亡所引起的人群数量变化的过程。
假设1. 人群个体同质。
令N(t)表示t时刻的人口数。
假设2. 群体规模大。
N(t) 连续可微.假设3. 群体封闭，只考虑生育和死亡对人口的影响。
平衡关系：人口数在区间[t，t+ ❒t ]内的改变量等于这段时间内出生的个体数与死亡的个体数之差。
令B(t, ❒t, N), D(t, ❒t , N) 分别表示在时间区间[t，t+ ❒t ]内生育数和死亡数, 则有N(t+∆t)-N(t)=B(t, ∆ t,N)-D(t, ∆ t,N)假设4. 从大群体的平均效应考虑生育和死亡对人口的影响。
（生育率和死亡率）生育率b(t, ❒t, N) = B(t, ❒t, N)/N, 死亡率d(t, ❒t, N) = D(t, ❒t, N)/N记增长率为 R(t, ∆ t,N)= b(t, ∆ t,N)-d(t, ∆ t,N) 则有 N(t+∆t)-N(t)=R(t, ∆ t,N)N 将R(t, ❒t,N)关于❒t展开. 由于R(t, h, N)|h=0=0，所以两边除以❒t, 并令❒t →0, 得到 dN/dt=r(t, N)N假设5. 群体增长恒定。
（r与 t 无关） dN/dt=r(N) N假设6. 个体增长独立。
（r 与 N 无关） dN/dt=r N给定初值 N(0)=N0，可得人口增长的指数模型(Maithus 模型) N(t)=N0e rt在离散时间点k=0, 1, 2, …, 上有 N(k+1) = e r N(k )Maithus: “若我的两个假设是成立的,那么,我认为人口繁殖的能量是无限地大于自然界为人类提供资料的能量的。
机理模型和数据模型在科学研究的过程中，人们往往需要建立一些模型来帮助理解和解释现象。
这些模型一般分为两类：机理模型和数据模型。
机理模型是基于已知的物理、化学或生物学原理，通过数学推导和实验验证，建立出来的描述现象的模型。
而数据模型则是基于观测到的数据，通过统计学方法，建立出来的描述现象的模型。
本文将对这两种模型进行详细的介绍和比较。
一、机理模型机理模型是指基于已知的物理、化学或生物学原理，通过数学推导和实验验证，建立出来的描述现象的模型。
机理模型的建立需要有深入的科学知识和严格的科学方法。
机理模型可以帮助人们深入理解现象的本质和内在规律，并可以用来预测和控制现象的发展趋势。
机理模型的优点是可以提供更加准确和可靠的预测和解释，但是建立和验证机理模型需要大量的实验和理论研究，成本较高。
机理模型的一个例子是气候模型。
气候模型是基于大气物理学、海洋学、地球化学等多学科知识，通过数学模型和计算机模拟，模拟出全球气候的变化趋势。
气候模型可以预测未来气候变化的趋势，为人们制定应对气候变化的政策提供科学依据。
二、数据模型数据模型是指基于观测到的数据，通过统计学方法，建立出来的描述现象的模型。
数据模型的建立需要有大量的数据和统计学知识，可以通过对数据的处理和分析，发现数据背后的规律和趋势。
数据模型的优点是建立和验证成本较低，可以快速的得到结果，但是数据模型的结果可能受到数据的限制和偏差的影响，预测结果的可靠性较低。
数据模型的一个例子是股票价格预测模型。
股票价格预测模型是基于历史股票价格数据，通过统计学方法，建立出来的预测股票价格的模型。
股票价格预测模型可以帮助人们制定股票交易策略，但是预测结果可能受到市场变化和其他因素的影响，预测结果的可靠性较低。
三、机理模型和数据模型的比较机理模型和数据模型各有优缺点，如何选择合适的模型取决于研究的目的和研究对象的特点。
下面是机理模型和数据模型的比较：1. 建立成本：机理模型的建立和验证需要大量的实验和理论研究，成本较高；而数据模型的建立和验证成本较低，只需要有足够的数据和统计学知识。
过程控制系统第三版课后答案戴连奎1什么是对象特性？为什么要研究对象特性？答：研究对象特性是设计控制系统的基础；为了能使控制系统能安全投运并进行必要的调试；优化操作。
2什么是对象的数学模型？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？答：对对象特性的数学描述就叫数学模型。
静态：在输入变量和输出变量达到平稳状态下的情况。
动态：输出变量和状态变量在输入变量影响下的变化情况。
3建立对象的数学模型有什么意义？答：1,控制系统的方案设计；2控制系统的调试和调节器参数的确定；3制定工业过程操作优化方案；4新型控制方案及控制策略的确定；5计算机仿真与过程培训系统；6设计工业过程的故障检测与诊断系统。
4建立对象的数学模型有哪两种方法？答：机理建模和实验建模。
机理建模：由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，根据对象或生产过程的内部机理，经过合理的分析简化而建立起描述系统各物理量动静态性能的数学模型。
实验建模步骤：1确定输入变量与输出变量信号；2测试；3对数据进行回归分析。
5反应对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？他们对自动控制系统有什么影响？答：K—放大系数。
对象从新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
T—时间参数。
时间参数表示对象受到输入作用后，被控变量的变化快慢。
桃—停滞时间。
输入发生变化到输出发生变化之间的时间间隔。
评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A；超调量：第一个波峰值y与最终稳态值y之比的百分数；残余偏差C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态Y与设定值之间的偏差调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
