动力学范文10篇

动力学范文篇1

自80年代联结主义范式兴起以后，符号主义和联结主义成为认知的两大基本范式，由于两大范式建立在功能主义假设和联结主义假设之上，受到一系列质疑。随着最近十年一些有关动力系统的问世，一种新的关于认知科学的基础理论似乎在逐步形成，例如，格罗布斯（Globus1992），罗伯特森（Robertson1993），西伦（len）和斯密斯（Smith1994）的文章和著作希望一种对认知更好的动态的理解进路。特别是冯•盖尔德（vanGelder）和波特（R.Port）(1995)年出版了一本关于认知科学的动力理论的书：提出认知科学的动力学进路（It’sabouttime:Anoverviewofthedynamicalapproachtocognition,Mindasmotion:Explorationsinthedynamicsofcognition,Cambridge,MA,MIT），被作为认知科学第三种竞争范式的宣言。此书引起了较大凡响,如华盛顿大学伊莱斯密斯（C.Eliasmith）1996年发表了《第三种竞争范式：对认知的动力理论的批判性考察》，其后也有其他人的热烈讨论。

冯•盖尔德针对80年代以后符号主义、联结主义范式所产生的困难，提出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）。对于认知科学中的时间、构架、计算和表征等概念都提出了不同的解释。冯•盖尔德把纽厄尔（Newell）西蒙（Simon）的计算主义假说或说物理符号系统假说：

“的认知系统在物理符号系统的意义上是智能的。”

相关的，期望用动态眼光理解认知的还有丘奇兰德（Churchland）和谢诺沃斯基（Sejnowski），他们（1992）把所拥护的联结主义假说表述为“突现性是以系统的某种方式依赖于低层现象的高层结果”。他们承诺“通过构架的低层神经的作用能达到复杂的认知效果”

“直觉过程是一种亚概念的（subconceptual）联结主义动力系统，它不接受完全的、形式化的、精确的概念层次的描述”。

“用亚概念网络把自然认知系统看作是动力神经系统是最好的理解。”

有一种假设认为，人意向性意识涌现于集群系统动力学，并由环境激发。

动力系统类包括任何随时间变化的系统，广泛用于对自然界的描述。动力论者期望勾画一类特殊的能恰当描述认知的动力系统。于是1995年冯•盖尔德给出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）：

“自然的认知系统是某种动力系统，而且从动力学眼光理解认知系统是最好的理解。”

动力学假说是以数学的动力系统理论为基础描述认知的，用数学中的状态空间（statespace）、吸引子（attractor）、轨迹（trajectory）、确定性混沌（deterministicchaos）等概念来解释与环境相互作用的认知主体（智能体）的内在认知过程。用微分方程组来表达处在状态空间的认知主体（智能体）的认知轨迹。换句话说，认知是作为认知主体所有可能的思想和行为构成的多维空间被描述的，特别是通过在一定环境下和一定的内部压力下的认知主体的思想轨迹来详尽考察认知的。认知主体（智能体）的思想和行为都受微分方程的支配。系统中的变量是不断进化的，系统服从于非线性微分方程，一般来讲是复杂的，是确定的。

二．认知科学的几个动力系统模型

这些模型虽然不仅仅是动力学假设的实例，但被动力论的倡导者看作他们的范式的担当者。

1．循环原动力行为模型（CyclicalMotorBehaviorModel）

罗伯特森（1990）曾用动力学进路对CM（新生婴儿的自发的原动力行为中的循环）做了大致勾画。罗伯特森采集了大量的关于新生婴儿呈现的自发的原动力行为的数据。由于这些经验数据的有效性，这个动力系统模型CM是少有的几个能够充当动力系统模型的。而且许多人认为，这是一种可定量化的生行为的一种非隐喻的动力描述，恐怕较临床心理学的研究结果更能让人欣然接受。

罗伯特森后来过滤了观察状态空间，获得了带有少数自由度的一个理想的动力模型，似乎能够模拟CM的随机过程。但基于后来的研究，罗伯特森只能得出结论说是“我对CM的生物学基质清楚地知道的很少”。结果，至今还没有完美的动力系统模型。

因此罗伯特森说：“我们距离建立一种使状态变量和参数与生理学和环境因素有清楚对应的关于CM的动力系统模型的目标，还有相当长的路要走”。

2．嗅觉球状模型(OlfactoryBulbModel)

斯卡德（Skarde）和弗里曼（Freeman）1987年的论文“为了了解世界大脑是如何制造混沌的”大致勾勒了这个模型并进行了一定程度的实验，这是一个基于嗅的神经过程的考察，借助复杂动力系统理论描述感受器官的神经系统的各种复杂状态、包括描述混沌神经元活动及其有的轨迹而提出的精致模型。盖尔德和格罗布斯、巴顿（Bardon）纽曼（Newman）等都承认它可以作为动力系统模型。

3．动力振动理论模型（MotivationalOscillatoryTheory）

动力振动理论（MOT）是一个关于循环的动力系统的模型。是冯•盖尔德（1995）推荐作为动力论假说范例的一个简化的动力系统模型，它是由……提出的。

但是这个系统最大的就是如何正确选择系统的参数。因为对于动力系统而言，是对初值敏感的，“改变动力系统的一个参数就改变了它的整个动力学”（vanGelder，1995，p.357）。

4．语言认知的动力学模型

5．关于意识的动力学模型

……

三．动力学认知范式对表征的理解

表征是认知科学最核心的概念之一。表征包括对象表征、问题表征和知识表征等，还有内隐表征和外显表征，人的表征和机器表征，总之，表征被认为是人类对自身和对外部世界表达式的媒介，特别是，知识表征是推理的前提。在计算主义框架下,知识表征是有效计算的媒介，是使计算机世界的信息沟通以及与人的世界的信息沟通成为可能的媒介。在我们今天普遍流行的认知科学范式中最重要的就是表征与计算问题，无论是作为“一种替代物”，“一组本体论承诺”，还是“一种媒介”（韦格曼（M.Wageman,1996）），抑或一种“被构造出来的作为另一对象的替代物而存在的符号”(刘西瑞，2004)，大家都默认着一个假定，“没有表征就没有人类认知”。

动力论的认知范式与其他范式的一个重要区别是对表征的不同理解。符号主义模型是以符号表征为基础的。联结主义的表征是以网络中的并行式表征或局部符号表征（Globus1992,ThelenandSmith1994;vanGelder1993,1995）为基础的。但动力论的认知范式则宣称，一个动力模型应当是“无表征的”。

在对联结主义范式的批判中，格洛布斯指出，“表征的过程实际上是在简化网络中的（符号的）计算过程。”在真实的网络中是无表征的，它们是变化的；是借助化学变化的自组织过程，因此谈论表征是没有意义的（Globus1992,p.302），类似的，vanGelder认为“表征概念对于理解认知是不充分的一种诡辩式的东西（sophisticated）（vanGelder，1993，p.6）.ThelenandSmith宣称“我们根本不去建立什么表征”（ThelenandSmith1994，p.338）！动力主义者认为，对于恰当解释认知，表征是完全不必要的。

实际上，布鲁克斯（R.Brooks）就宣称，将建造一种完全自动的、能动的行为者（创造物），它们与人类共存于世界上，并被人类认可是有自己权利的智能存在。创造物在它的动力环境中必须以随机应变的方式恰当处理问题。它们应有多种目标，能适应环境，也能利用偶发环境。布鲁克斯的方案是把复杂系统分解为部分来建造，再连接到复杂系统中。他所设计的机器人，是靠控制不同的层次直接与环境作用，因此他宣称“根本不需要表征”（1991）。

因此,也有人攻击动力论范式，拒斥表征无非是对行为主义规划的不成功表达的一种强烈暗示。说它是“无表征的”，不如说它是“在某种类型的非计算的动力系统中存在状态空间演化的”。

四．对认知科学的动力学范式的批判性考察

动力系统理论对认知行为的连续性提供了随时间变化的自然主义的说明。这是其他范式不能说明的，其他范式一般来讲是忽略时间概念的。但人类大脑与环境之间是随时有信息交流的，而且是处在不断变化的，暂态的连续的认知是随时间变化的。

动力系统理论的优势是对认知的描述是多元的，是一种经验可检验的理论，可以对描述认知系统的微分方程进行修正，也可以用已知的技术去解这些方程，比起其他理论，它是一种定量的分析，是理解认知的一种确定性的观点。另一优势是动力系统的描述可以展示人类行为复杂的，混沌的特性。动力论者认为，如此对认知的分析描述，应当是已经找到了替代认知科学中的符号主义、联结主义的新范式。果真如此吗

但是前面讨论的一些模型外，至今有多少是成功的模型？

对于表征的理解受到质疑.

如何保证动力系统的各变量和参数的恰当选择？系统的稳定性和可靠性问题。

认知的动力系统虽然不是一种隐喻性的，而是一种定量的分析，但对于定量性描述的因素的选择基于什么原则？

动力学理论是否构成同符合主义、联结主义具有同样竞争力的第三种范式？

它是对于认知的最有潜力和生命力的新范式？

……

一．第三种竞争范式的提出

自80年代联结主义范式兴起以后，符号主义和联结主义成为认知的两大基本范式，由于两大范式建立在功能主义假设和联结主义假设之上，受到一系列质疑。随着最近十年一些有关动力系统的问世，一种新的关于认知科学的基础理论似乎在逐步形成，例如，格罗布斯（Globus1992），罗伯特森（Robertson1993），西伦（len）和斯密斯（Smith1994）的文章和著作希望一种对认知更好的动态的理解进路。特别是冯•盖尔德（vanGelder）和波特（R.Port）(1995)年出版了一本关于认知科学的动力理论的书：提出认知科学的动力学进路（It’sabouttime:Anoverviewofthedynamicalapproachtocognition,Mindasmotion:Explorationsinthedynamicsofcognition,Cambridge,MA,MIT），被作为认知科学第三种竞争范式的宣言。此书引起了较大凡响,如华盛顿大学伊莱斯密斯（C.Eliasmith）1996年发表了《第三种竞争范式：对认知的动力理论的批判性考察》，其后也有其他人的热烈讨论。

冯•盖尔德针对80年代以后符号主义、联结主义范式所产生的困难，提出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）。对于认知科学中的时间、构架、计算和表征等概念都提出了不同的解释。冯•盖尔德把纽厄尔（Newell）西蒙（Simon）的计算主义假说或说物理符号系统假说：

“的认知系统在物理符号系统的意义上是智能的。”

相关的，期望用动态眼光理解认知的还有丘奇兰德（Churchland）和谢诺沃斯基（Sejnowski），他们（1992）把所拥护的联结主义假说表述为“突现性是以系统的某种方式依赖于低层现象的高层结果”。他们承诺“通过构架的低层神经的作用能达到复杂的认知效果”

“直觉过程是一种亚概念的（subconceptual）联结主义动力系统，它不接受完全的、形式化的、精确的概念层次的描述”。

“用亚概念网络把自然认知系统看作是动力神经系统是最好的理解。”

有一种假设认为，人意向性意识涌现于集群系统动力学，并由环境激发。

动力系统类包括任何随时间变化的系统，广泛用于对自然界的描述。动力论者期望勾画一类特殊的能恰当描述认知的动力系统。于是1995年冯•盖尔德给出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）：

“自然的认知系统是某种动力系统，而且从动力学眼光理解认知系统是最好的理解。”

动力学假说是以数学的动力系统理论为基础描述认知的，用数学中的状态空间（statespace）、吸引子（attractor）、轨迹（trajectory）、确定性混沌（deterministicchaos）等概念来解释与环境相互作用的认知主体（智能体）的内在认知过程。用微分方程组来表达处在状态空间的认知主体（智能体）的认知轨迹。换句话说，认知是作为认知主体所有可能的思想和行为构成的多维空间被描述的，特别是通过在一定环境下和一定的内部压力下的认知主体的思想轨迹来详尽考察认知的。认知主体（智能体）的思想和行为都受微分方程的支配。系统中的变量是不断进化的，系统服从于非线性微分方程，一般来讲是复杂的，是确定的。

二．认知科学的几个动力系统模型

这些模型虽然不仅仅是动力学假设的实例，但被动力论的倡导者看作他们的范式的担当者。

1．循环原动力行为模型（CyclicalMotorBehaviorModel）

罗伯特森（1990）曾用动力学进路对CM（新生婴儿的自发的原动力行为中的循环）做了大致勾画。罗伯特森采集了大量的关于新生婴儿呈现的自发的原动力行为的数据。由于这些经验数据的有效性，这个动力系统模型CM是少有的几个能够充当动力系统模型的。而且许多人认为，这是一种可定量化的生行为的一种非隐喻的动力描述，恐怕较临床心理学的研究结果更能让人欣然接受。

罗伯特森后来过滤了观察状态空间，获得了带有少数自由度的一个理想的动力模型，似乎能够模拟CM的随机过程。但基于后来的研究，罗伯特森只能得出结论说是“我对CM的生物学基质清楚地知道的很少”。结果，至今还没有完美的动力系统模型。

因此罗伯特森说：“我们距离建立一种使状态变量和参数与生理学和环境因素有清楚对应的关于CM的动力系统模型的目标，还有相当长的路要走”。

2．嗅觉球状模型(OlfactoryBulbModel)

斯卡德（Skarde）和弗里曼（Freeman）1987年的论文“为了了解世界大脑是如何制造混沌的”大致勾勒了这个模型并进行了一定程度的实验，这是一个基于嗅的神经过程的考察，借助复杂动力系统理论描述感受器官的神经系统的各种复杂状态、包括描述混沌神经元活动及其有的轨迹而提出的精致模型。盖尔德和格罗布斯、巴顿（Bardon）纽曼（Newman）等都承认它可以作为动力系统模型。

3．动力振动理论模型（MotivationalOscillatoryTheory）

动力振动理论（MOT）是一个关于循环的动力系统的模型。是冯•盖尔德（1995）推荐作为动力论假说范例的一个简化的动力系统模型，它是由……提出的。

但是这个系统最大的就是如何正确选择系统的参数。因为对于动力系统而言，是对初值敏感的，“改变动力系统的一个参数就改变了它的整个动力学”（vanGelder，1995，p.357）。

4．语言认知的动力学模型

5．关于意识的动力学模型

……

三．动力学认知范式对表征的理解

表征是认知科学最核心的概念之一。表征包括对象表征、问题表征和知识表征等，还有内隐表征和外显表征，人的表征和机器表征，总之，表征被认为是人类对自身和对外部世界表达式的媒介，特别是，知识表征是推理的前提。在计算主义框架下,知识表征是有效计算的媒介，是使计算机世界的信息沟通以及与人的世界的信息沟通成为可能的媒介。在我们今天普遍流行的认知科学范式中最重要的就是表征与计算问题，无论是作为“一种替代物”，“一组本体论承诺”，还是“一种媒介”（韦格曼（M.Wageman,1996）），抑或一种“被构造出来的作为另一对象的替代物而存在的符号”(刘西瑞，2004)，大家都默认着一个假定，“没有表征就没有人类认知”。

动力论的认知范式与其他范式的一个重要区别是对表征的不同理解。符号主义模型是以符号表征为基础的。联结主义的表征是以网络中的并行式表征或局部符号表征（Globus1992,ThelenandSmith1994;vanGelder1993,1995）为基础的。但动力论的认知范式则宣称，一个动力模型应当是“无表征的”。

在对联结主义范式的批判中，格洛布斯指出，“表征的过程实际上是在简化网络中的（符号的）计算过程。”在真实的网络中是无表征的，它们是变化的；是借助化学变化的自组织过程，因此谈论表征是没有意义的（Globus1992,p.302），类似的，vanGelder认为“表征概念对于理解认知是不充分的一种诡辩式的东西（sophisticated）（vanGelder，1993，p.6）.ThelenandSmith宣称“我们根本不去建立什么表征”（ThelenandSmith1994，p.338）！动力主义者认为，对于恰当解释认知，表征是完全不必要的。

实际上，布鲁克斯（R.Brooks）就宣称，将建造一种完全自动的、能动的行为者（创造物），它们与人类共存于世界上，并被人类认可是有自己权利的智能存在。创造物在它的动力环境中必须以随机应变的方式恰当处理问题。它们应有多种目标，能适应环境，也能利用偶发环境。布鲁克斯的方案是把复杂系统分解为部分来建造，再连接到复杂系统中。他所设计的机器人，是靠控制不同的层次直接与环境作用，因此他宣称“根本不需要表征”（1991）。

因此,也有人攻击动力论范式，拒斥表征无非是对行为主义规划的不成功表达的一种强烈暗示。说它是“无表征的”，不如说它是“在某种类型的非计算的动力系统中存在状态空间演化的”。

四．对认知科学的动力学范式的批判性考察

动力系统理论对认知行为的连续性提供了随时间变化的自然主义的说明。这是其他范式不能说明的，其他范式一般来讲是忽略时间概念的。但人类大脑与环境之间是随时有信息交流的，而且是处在不断变化的，暂态的连续的认知是随时间变化的。

动力系统理论的优势是对认知的描述是多元的，是一种经验可检验的理论，可以对描述认知系统的微分方程进行修正，也可以用已知的技术去解这些方程，比起其他理论，它是一种定量的分析，是理解认知的一种确定性的观点。另一优势是动力系统的描述可以展示人类行为复杂的，混沌的特性。动力论者认为，如此对认知的分析描述，应当是已经找到了替代认知科学中的符号主义、联结主义的新范式。果真如此吗

但是前面讨论的一些模型外，至今有多少是成功的模型？

对于表征的理解受到质疑.

如何保证动力系统的各变量和参数的恰当选择？系统的稳定性和可靠性问题。

认知的动力系统虽然不是一种隐喻性的，而是一种定量的分析，但对于定量性描述的因素的选择基于什么原则？

动力学理论是否构成同符合主义、联结主义具有同样竞争力的第三种范式？

动力学范文篇2

关键词：柔性机械臂；动力学；逆动力学；振动；大范围运动

theAnalysisandSolutionforInverseDynamicProblemsofFlexibleArms

Abstracet：Thepaperconcentratesontheanalysisandsolutionforinverseproblemsofflexiblearms.Thesecantcoordinatesystemisintroducedtodescribethelocationofthetwo-linkarm.Thefast(vibration)partandtheslowpartareanalyzedfortheinverseproblems.Thesolutionsforthefastpartarefoundemanativethroughtheanalysis.So,thesolutionfortheflexiblearmsshouldbecarriedoutwhileonlytheslowpartisincluded.Asamplemethodisgiventogetridofthefastpartandgetthesolutionsfortheinverseproblems.Numericalresultsshowthatthismethodiscorrect.

Keywords：flexiblearm；dynamic；inversedynamic；vibration；movementwithlargerange

双连杆柔性机械臂是柔性系统中最为典型的例子之一，在实践中，对其端点的运动实现精确的控制的最重要因素是控制算法的计算速度，复杂的控制算法难以实现。而逆动力学建模和控制是紧密相关的，通过逆动力学方法，得到一个比较精确的驱动力矩作为前馈，再施以适当的控制算法，以实现对机械臂的高速、高精度控制，则是一种具有实效的方法。

关于柔性臂控制的逆动力学方法的研究报道尚不多见，其中文献[1-5]对动力学方程解耦，即把动力学方程近似分解成一些相对简单的系统，从而得到逆动力学的表达式。Matsuno[6]通过对采用切线坐标系的动力学模型进行简化，得到了一种实时的逆动力学方法。Gofron等应用了驱动约束法[7]，把期望运动处理成非定常约束。Bayo在频域内进行了逆动力学求解[8],[9]。Asada等提出了一种迭代求解的方法[10]。

在逆动力求解中常常会遇到求得的力矩不准，力矩振荡很大，求解烦琐等问题。因此，讨论逆动力学求解的特点和性质是非常重要的，并有助于采用合理的方式得到比较好的前馈力矩。

1动力学和逆动力学模型

一般情况下，柔性机械臂的两根连杆横向弹性变形(弯曲)较小，则忽略机械臂的径向变形；假定关节及臂端负载均为集中质量，则忽略其大小。同时，暂不考虑电机转子的转动惯量和电机的阻尼。

图1是一双连杆柔性机械臂，两臂间关节电机质量为，上臂端部集中质量为，两连杆质量和抗弯刚度分别为和，和，两连杆的长度分别为和，和为两关节电机提供的力矩。

连杆变形很小，对每根连杆建立一个运动坐标系，使得连杆在其中的相对运动很小。机械臂的整体运动则可由这两个动坐标系的方位角来描述。于是，在动力学模型中将有两类变量，一类是幅值很小但变化迅速的弹性坐标，另一类是变化范围较大的方位角。本文采用端点连线坐标系，即将连杆两端点的连线作为动坐标系的x轴（见图1）。描述整体运动的是两个角度和，而连杆相对于动坐标系的运动则可视为简支梁的振动。这样，动力学模型刚度阵的弹性坐标互相不耦合，臂端的位置可由和确定，其期望运动形式（或数值解）：

(1)

如采用其他形式的动坐标系，两杆的弹性坐标将耦合在一起，而且在逆动力学求解时，将不得不处理微分方程与代数方程组合的方程组。

对每个机械臂取两阶模态坐标来描述，应用拉格朗日方法得到动力学方程：

(2)

式中。为6×6质量阵；为速度的二次项；为6×6刚度阵；为重力的广义力向量；为驱动力矩的广义力向量；，其中和、和分别是两个机械臂的一阶和二阶弹性坐标。

柔性臂系统的逆动力学问题，是指在已知期望末端操作器运动轨迹的情况下，结合逆运动学与动力学方程对关节力矩进行求解。如果直接进行逆动力学求解，即把式(1)代入动力学方程式(2)中，对方程中的弹性坐标和力矩进行求解，一般情况下，其数值解将很快发散。

表达系统运动状态的坐标可以看成有两部分组成：大范围的相对缓慢的运动（慢变）部分和小范围的振动（快变）部分。本文试图将这两部分分离，分别讨论它们的逆动力学特性，并以此来分析整体系统的逆动力学问题。

2快变部分的逆动力学问题

首先，寻求两个关节力矩使端点保持不动，先不考虑大范围的运动。此时，重力只起了一个改变平衡点的作用，在方程中把与它相关的部分略去，在动力学方程(2)中令，得：

(3)

式中

在方程(3)中消去和得：

(4)

式中：

，,

,,,

,,,

,,,

,

对式(4)降阶：

(5)

式中

其中，

I是四阶单位阵。方程(5)可化为下列形式：

(6)

式中。求出的特征值分别为

式中。

因的特征值存在正实部，则方程(3)所表示的系统不稳定，其解发散，即双连杆柔性臂在这种情况下，其振动问题的精确逆动力学解是发散的。

的各特征值在复空间分布关于虚轴对称，必然会出现正实部，如选取更多阶模态函数离散时，会出现同样的情况。因此，选取更多阶模态函数离散时，其振动问题的逆动力学解是发散的。

如应用应用文献[10]中给出的迭代法进行逆动力学求解，当积分步长很小时，其解是发散的；当积分步长较大时，便可得到较好的结果。其原因是因为快变部分的逆动力学解发散，当步长较大时相当滤掉了快变部分，便可得到较好的结果。

3慢变意义上的逆动力学

在进行慢变意义上的逆动力学求解时，应试图将弹性坐标中的振动部分滤掉，弹性坐标中不应含有振动部分，再结合期望的、求得力矩。

如图1所示，机械臂的各参数：L1=0.87m,L2=0.77m,M1=1.9kg,M2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望运动轨迹：机械臂端点绕以(0.8,0)为圆心，做半径为0.5m,以每周1s作匀速圆周运动。

由机械臂的动力学仿真结果可以看到，弹性坐标的一阶、二阶时间导数项振动幅值很大，但它们都在零值附近振动，即其慢变部分很小。因此，在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项，相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，经过整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一阶时间导数项。

将式(1)代入式(7)中，再对方程求解，可以得到弹性坐标和力矩，弹性坐标见图2（图中不含振动的曲线）。为了考察得到的力矩，将力矩代入动力学方程式(2)中，得到的各弹性坐标见图2（图中含振动的曲线），轨迹跟踪曲线、端点坐标与期望运动相比较的误差曲线分别见图3和图4。

Fig.4theerrorsofcoordinatesinxandyDirectionsfortheendmovement

由图2中可以看出，由式(7)得到的弹性坐标（不含振动）与机械臂的动力学仿真得到的弹性坐标（含振动）的慢变部分十分相似，所以在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，说明这种方法是合理的。

由图3与图4给出的仿真结果可以看出，轨迹跟踪很好，由此可见，得到的力矩精度很高.

4结束语

由图2可以看到，机械臂在运动过程中，其弹性坐标由两方面组成，一方面是振动部分（快变部分），另一方面是与载荷、惯性力有关的慢变部分。而弹性坐标速度、加速度的慢变部分很小，在逆动力学求解中将其略去是合理的，由式(7)得到了比较准确的弹性坐标慢变部分并非偶然。

由以上分析可以看出，对于柔性机械臂系统，振动部分的精确逆动力学解是发散的，进行逆动力学求解时，应滤掉振动部分，在慢变的意义上进行，才能得到比较好的前馈力矩。

参考文献

[1]XiaJZ,ManqCH.Realtimeestimationofelasticdeformationforend-pointtrackingcontrolofflexibletwo-linkmanipulators[J].TheJournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1992,115(3):385-393.

[2]MatsunoF,SakawaY.,AsanoT,Quasi-statichybridposition/forcecontrolofaflexiblemanipulator[C].ProceedingoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Sacramento,PublbyIEEE,1991,3:2838-2843.

[3]MatsunoF,SakawaY.Dynamichybridposition/forcecontrolofatwodegree-of-freedomflexiblemanipulator[J].JournalofRoboticSystems,1994,11(5):355-366.

[4]YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrobotmanipulators-descriptionofhandconstraintsandcalculationofjointdrivingforce[J].IEEEJRA,1987,(3):386-392.

[5]KwonDS,BookWJ.Aninversedynamicmethodyieldingflexiblemanipulatorstatetrajectories[C].ProceedingsoftheAmericanControlConference,SanDiego,PublbyAmericanAutomaticControlCouncil,1990,27-37.

[6]MatsunoF.Modelingandquasi-statichybridposition/forcecontrolofconstrainedplanartwo-linkflexiblemanipulators[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(5):287-297.

[7]GofronM,ShabanaAA.Controlstructureinteractioninthenonlinearanalysisofflexiblemechanicalsystems[J].NonlinearDynamics,1993,(4):183-206.

[8]BayoE,MoulinH.Anefficientcomputationoftheinversedynamicsofflexiblemanipulatorsinthetimedomain[C].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Scottsdale,PublbyIEEE,1989,710-715.

动力学范文篇3

关键词：人力资源开发；员工培训；系统动力学；Vensim软件

一、引言

托马斯•彼得斯曾经在其著作《寻求优势》中写到，“企业或事业唯一真正的资源是人，管理就是充分开发人力资源以做好工作”，特别近年来，随着相关理念的进一步发展，人力资源管理已经从过去的事务性管理上升到战略层面，标志着现代人力资源管理进入新的阶段。在人力资源管理过程中，培训与开发是人力资源管理的一项重要内容，由于人本身具有主观性，伴随着外部环境的不可预见性，因此该过程本身极其复杂，运用常规的静态方法观察时往往有其局限性。而运用系统动力学的方法，可以帮助我们有效地建立仿真模型，并为人力资源开发与员工培训提供分析与决策工具。

（一）系统动力学的内涵与特征

系统动力学（systemdynamics，SD）最早由美国的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授正式提出，主要运用于工业企业管理领域中员工雇佣、生产计划、市场波动等具有非线性波动的复杂环境问题。借助系统仿真的方法构建模型，区别于传统静态的研究方法，系统动力学将系统视作一个动态波动变化的环境展开研究。我国对系统动力学的主要应用研究集中于政府长期规划、可持续发展、生态环境、宏观经济研究、区域发展规划等方面，在学习型组织、企业战略管理等领域也有着广泛地应用与发展。在理论领域，经过三十年来的发展，也取得了斐然的成绩。1.系统动力学是系统科学管理理论与计算机系统仿真模型结合的一门学科，主要研究各种系统反馈结构与反馈行为，采取定性与定量结合的方法对问题展开研究。其中，系统的行为模式与特性主要由内部反馈结构决定，反馈行为则是强调应当把各种因素视为一个整体，关注他们的相互关系。2.系统动力学的研究对象主要是针对复杂、多变的现实情景，包括项目管理、社会运行、经济系统、国家政策等等。这些系统具有非线性、高阶、易变形，因而运用常规的数学研究方法难以获取完整信息、描述刻画其运行规律。而系统动力学借助数字计算机仿真以及动力学模型构建过程中的学习、调查、研究等环节，则对于研究这类问题有较好的应对方法。3.系统动力学模型属于因果机理性模型，它关注系统行为和系统内部关系结构网络之间的关系，因此他能够提供相对较长的仿真市场，擅于处理长期性的问题。

（二）人力资源管理、培训与开发

20世纪末期，人力资源管理逐渐转入战略人力资源管理（StrategicHumanResourcesManagement,SHRM）阶段。由此，人力资源管理进入企业战略层面。相较于传统的事务型管理，战略人力资源管理将人视作决定企业成败的关键，其最终目的就在于借助一系列工作环节，完成人力资本的价值实现和增值。人力资源开发就是将组织成员的知识、经验、技能、创造性等能力视为一种组织资源，并加以发掘、培养的一系列过程，本质上属于一种复杂的系统工程。21世纪，具有知识和技能的员工成为企业竞争的核心，人力资源的开发、知识型员工的培训与管理变得尤为重要，人才流动、知识迭代等因素都会更频繁地引起组织成员知识的减损，这就对员工培训提出了更高的要求。

二、战略人力资源管理的系统动力学模型

（一）人力资源管理的系统因果关系分析

因果回路图（causalloopdiagram,CLD）用于表现系统反馈结构及其内部的因果关系。因果图含多个变量，并由因果链相互连接起来，并在上面标出正负极性。正极(+)表明如果原因增加，则结果会高于其原本能达到的程度；负极(-)则反之，表明随着原因变量的增加结果会低于原本能达到的程度。根据企业人力资源管理各要素的关系，在VensimPLE软件中.其中，员工的知识损失主要来自于员工离职带来的企业人力资源损失、岗位调度引起的适用知识变化以及随着知识更新带来的旧能力的淘汰。在当前企业管理阶段，员工的变动是不可预见而且相对频繁的，因此作为人力资源开发的一个主要因素纳入其中。其次作为企业战略中重要一环，人力资源的开发、利用将决定员工为企业创造价值的能力，这些能力往往取决于员工的执行力、企业氛围、以及员工对所在岗位的实际能力水平等几个方面。在岗位设计和人岗匹配环节，员工实际能力水平与岗位需求能力之间的差额，以及随着知识变动带来的能力减损，将会直接影响到下一步的员工技能培训开发计划，以及培训方案的调整。

（二）人力资源管理的系统存量流量分析

从中可以看到，企业的知识损失越高，将会直接影响到员工的对于组织目标实现的执行力，进而影响到员工创造价值能力的高低。而知识损失总是客观存在的，因此及时根据企业实际情况，对员工培训和技能开发政策方案进行调整是十分必要的，如何运用有限的资源占用对人力资源进行开发，保障员工产出价值最大化，将直接从战略层面对企业长远竞争力和发展能力产生正面影响。法量化模型，为了区别不同类型不同单位的变量，在因果回路图的基础上还需做出流量存量图，以便帮助厘清和理解变量间的变动关系。根据因果关系图，借助VensimPLE软件编制人力资源系统流量存量图。其中，T1是进行培训并达到预期效果所需要的时间，T2是评估预测当前环境中，员工的知识损失率所花费的时间，T3则是员工培训过程本身需要花费的时间。流量存量图反映了组织人力资源开发、员工培养过程中员工能力的变动情况，可以看到，员工能力主要受到员工培训率、培训完成率和当前损失三个指标的影响，而培训计划和效用则受到了员工期望水平、能力差距、培训实际效果等几个方面共同作用。

三、结论

现如今，人力资源管理中知识流失、员工离职等因素已经为人力资源管理实践提出了新的挑战，也为人力资源开发与人员培训提出了新的要求。本文结合系统动力学分析方法，分析人力资源管理过程中的人力资源开发与流失的问题，并对各要素因果关系和流量存量变动关系进行了简单刻画梳理。除了本文提及的变量外，人力资源开发的系统动力学模型还应当涉及诸如外来员工流入、组织内员工岗位调动等诸多内外部变量的影响，在接下来的研究中仍有进一步拓展的空间。

参考文献：

[1]陈志霞,周佳彬.信息化人力资源管理研究进展探析[J].外国经济与管理,2017(01)

[2]孙锐.战略人力资源管理、组织创新氛围与研发人员创新[J].科研管理,2014(08).

[3]谷丽,陈树文.基于系统动力原理的人力资源管理研究[J].大连理工大学学报(社会科学版),2010(02).

[4]李焕荣.基于SD的战略人力资源管理与企业绩效作用机理[J].工业工程,2009(06).

[5]张新兵,谢英亮.基于系统动力学的大型企业人力资源战略规划[J].江西理工大学学报,2007(06).

动力学范文篇4

关键词：电动力效应高压断路器动力学特性仿真分析

1引言

对断路器的动力学特性进行仿真分析，有利于实现断路器的优化设计；并且研究断路器在故障状态下的动作特性，能够为断路器的状态检测提供理论依据。对断路器动力学特性的研究，以往采用的方案是：列出断路器运动部件的运动学方程和动力学方程组；采用适当的数值求解方法求解方程组；采用可视化仿真方法给出运动部件的运动过程和有关运动参数[1]。这种研究方案对于简单的运动系统是比较有效的，尤其在低压电器机构运动特性的研究中得到了成功应用[2-3]。但对于复杂的机械系统，例如高压断路器的操动机构，由于部件众多，各部件之间的约束关系也增多，动力学方程组的复杂性迅速增加，这种方案显得力不从心，为此需要寻求别的解决方案。

多体动力学仿真软件的出现为解决这个问题提供了一种很好的手段。ADAMS软件包是目前世界范围内使用最广泛的机械系统仿真分析软件之一[4]。它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多体系统动力学原理，通过建立多体系统的运动方程和动力学方程进行求解计算[5]。跟传统的仿真方法相比，采用ADAMS进行仿真避免了繁琐的建立方程组和求解方程组的工作，使得用户能够将主要精力放在所关心的物理问题上，从而极大地提高了仿真效率。

本文基于多体动力学原理，利用ADAMS软件包建立了VS1型真空断路器操动机构的动力学模型，并用试验对模型的有效性进行了验证。同时，本文还建立了真空断路器电动力计算模型，将开断[r2]过程中的电动力分为洛仑兹力和霍尔姆力。以上述两个模型为基础，对断路器短路开断过程进行了仿真，研究了不同开断条件下电动力对断路器机械特性的影响，此后采用试验的方法对仿真结果进行了验证，从而为断路器的优化设计和状态检测提供了必要的理论依据。

2VS1型真空断路器动力学模型的建立和验证

利用ADAMS建立的VS1型真空断路器动力学模型如图1所示。图中所示模型隐含了大量的运动学方程和动力学方程。ADAMS软件通过求解这些封装在内部的方程组实现动力学仿真。

为了确定仿真模型是否符合实际情况，本文利用高精度导电塑料角位移和直线位移传感器分别测试了断路器分合闸过程中，主轴角位移曲线和绝缘拉杆底部的直线位移曲线。同时，在ADAMS软件中测试仿真模型的相关参数。图2给出了分闸过程仿真与实测曲线对比结果。

从图2可以看出，仿真模型的输出曲线跟实际样机的输出曲线吻合得较好。此外，还对仿真模型的其它机械参量进行了测试，这些测试结果都证明了仿真模型的正确性和有效性。

3考虑电动力效应的断路器动力学特性仿真

开关电器中的电动力直接影响着电器的工作性能。当发生短路故障时，断路器要迅速开断短路电流，在此过程中，动静触头之间产生很大的电动力，这个力必然会影响断路器的机械特性，尤其是分合闸速度。

考虑到各相导体之间的电动力对于分合闸速度的影响并不大，故本文仅分析动触头所受到的电动力。动触头所受到的电动力由两部分组成[6]，一部分是由于电流在磁场作用下产生的洛仑兹力（Lorntz-force）FL，另一部分是由于触头接触处电流线收缩产生的霍尔姆力（Holm-force）FH。

本文的仿真对象VS1型真空断路器所用触头具有杯状纵磁结构，如图3(a)所示。为了计算洛仑兹力，需要建立计算模型，首先作如下假设：

（1）电流在导体表面中心位置沿无限细的路径流动，即忽略导体截面对电动力的影响。

（2）动静触头闭合时，其实际接触位置仅为中心处一点。

（3）当动静触头分离并产生电弧时，电弧形态的变化不影响触头电流的分布，假定电弧仅有一支，且弧根在触头中心位置。

基于以上洛仑兹力计算模型，可推导得出动触头所受总的洛仑兹力（方向为竖直向下）的大小为

式中ξ为与接触面状况有关的系数，其范围在0.3~1之间；H为材料的布氏硬度；F为接触力。

需要指出的是，在式(2)中，由电流线收缩产生的电动力FH只存在于动静触头保持金属接触状态的时间里，即在分闸过程中，该力仅存在于超行程阶段，一旦动静触头分开，这个力就不存在了。

综上所述，在开断短路电流的过程中，所产生的总的电动力FT是洛仑兹力FL和霍尔姆力FH的叠加，设FL和FH的作用时间分别是[te1,te2]和[td1,td2]，并分别令

由文[9]可知，当电力系统发生三相对称短路时，只有当电压相角j等于0或p时，才获得最大的短路电流峰值。本文研究短路电流对断路器机械特性的最大影响，故令j等于0。考虑到在一般高压电网中，各元件的电抗均比电阻大得多，如果忽略回路电阻对短路电流的影响，可以认为Ф=π/2，则短路电流可简化为

开断三相短路故障时各相电弧的熄灭也有先后。假定A相为首开相，则A相开断后，三相短路转化为两相短路，B相和C相上的电流将不再按照式(5)变化，忽略回路电阻R的影响，即令Ф=π/2；则A相开断后，B、C两相的短路电流可写为[10]

式中Ir为短路电流周期分量有效值；i0为A相开断瞬间B相电流值。

用式(5)中的iA替换式(4)中的I，并将有关数值代入即可得到断路器A相动触头分闸过程中受到的电动力的表达式。同理，用式(5)和式(6)中的iB、iC替换式(4)中的I，并注意到电流作用时间上的不同，容易得到B相和C相动触头所受电动力FTB、FTC的表达式。

因已假定短路发生时刻为t=t0=0，故t1表示继电保护时间。该时间跟继电保护装置有关，通常大于0.02s。t3-t1表示分闸时间，跟断路器有关，t3-t2也跟断路器有关。经对本文仿真对象进行实测，可知t3-t1=0.027s，t3-t2=0.0035s，故有t2-t1=0.0235s。由于继电保护时间存在不确定性，本文分别取不同的t2值对开断过程进行仿真，考虑到短路故障的严重程度，取t2=0.043s、0.046s、0.049s、0.052s，研究不同情况下电动力的大小及其对断路器机械特性的影响。实际上，由于t3-t2这段时间是确定的，故不同的t2值跟不同的触头分离时刻电流相角对应，上述4个t2值反映了在不同的电流相角开断的情形。

在高压输电网中，三相短路时最大可能出现的时间常数为45ms，故本文取时间常数T=0.045s进行仿真。由于本文所仿真的断路器从脱扣时刻到动触头至满行程的时间约22ms（无电动力的情况），取一定裕量，将仿真时间定为30ms，即t6-t2=0.03s。

对断路器开断短路电流的运动过程进行仿真，得到的电动力以及相应的机械特性如表1所示。

注：表中平均分闸速度定义为动触头位移曲线上从触头分离时刻起到动触头位移6mm这段位移除以对应的时间。刚分速度定义为动触头位移曲线上从触头分离时刻起到运动至0.2mm这段位移除以对应的时间。未加电动力时，平均分闸速度为1.22m/s，刚分速度为1.52m/s，从仿真时刻起到动触头至满开距所需时间为22ms。

下面给出了典型情况下的一些仿真结果。

当t2=0.043s时，电动力如图5所示（规定竖直向下方向为正方向，以下同；由于电流作用时间不超过0.02s，为清楚起见，仅给出前0.02s内电动力的图形），其中图5(a)示出了三相动触头上总的电动力FT的波形，图5(b)示出了A相动触头上所受电动力和分闸力。分闸力指动触头所受的除电动力以外的所有力，其中包括了分闸弹簧、触头弹簧、油缓冲器等间接作用到动触头上的力以及动触头重力等。

图6给出了有电流和无电流时的动触头位移以及在电动力作用下三相动触头的位移情况。

从仿真分析结果中可以归纳出如下结论：

（1）虽然加在三相动触头上的电动力有较大差异，但由于触头弹簧的缓冲作用和断路器结构上的原因，三相动触头的位移几乎没有差别（参见图6(b)）。

（2）电动力会影响分闸速度，开断短路电流比空载分闸时的平均分闸速度和刚分速度都有所提高，这显然与电动力有关。但电动力对分闸速度的影响程度则与多种因素有关，在短路相角j一定的情况下，分闸相角（即动静触头分离时刻对应的相位角）对分闸速度的影响很大，在本文的仿真条件下，t2=0.043s时比t2=0.052s时对分闸速度的影响要明显一些。

（3）本文针对电力系统中可能发生的严重短路事故所进行的仿真分析表明，在断路器机械部分正常运行的情况下，由短路电流所产生的电动力对分闸速度的影响程度不等，但总体上，电动力加速了动触头的运动，使分闸速度有所提高，就平均分闸速度而言，偏差可达0.2m/s，若取空载时的平均分闸速度1.22m/s为基准，则电动力导致的平均分闸速度的相对偏差可达16%。所以在断路器机械特性的状态检测中，应该综合考虑短路电流的影响。

4电动力效应仿真分析的试验验证

为了考察断路器开断短路电流过程中的电动力效应，对电动力的影响做出定量分析并验证仿真分析的有效性和准确性，本文设计了一个试验，对VS1型真空断路器进行短路开断试验。试验电流分别为8.9kA，11.1kA，20kA，22.2kA，31.1kA（均为峰值），其中22.2kA做了两次，但开断时刻的相位角不同。试验过程中利用传感器对断路器机械特性进行了监测，通过分析得到了不同开断情况下的刚分速度和平均分闸速度。此后，利用前文所建立的断路器动力学模型，针对试验条件进行了仿真。图7给出了试验和仿真结果的对比。

从图7可知，仿真结果跟试验结果吻合得较好，其中平均分闸速度最大相对误差不超过5%，刚分速度最大相对误差不超过10%。这表明本文考虑电动力效应的断路器动力学特性仿真是有效的。

5结论

（1）本文创新地将多体动力学仿真软件包ADAMS应用于真空断路器动力学特性研究之中。证明利用多体动力学软件对高压断路器的动力学特性进行研究是一种可行、高效的办法。

（2）本文建立了VS1型真空断路器的动力学模型，并建立了真空断路器电动力分析模型，将这两个模型有机地结合在一起，对断路器开断短路电流的过程进行了仿真分析，结果表明，在严重短路开断条件下，电动力可使平均分闸速度提高约16%。

（3）采用试验的办法对仿真进行了部分验证，结果表明：仿真较好地反映了真实情况，本文所进行的仿真是有效的。

参考文献

[1]吴伟光，马履中（WuWeiguang，MaLuzhong）．真空断路器用弹簧操动机构的优化设计（Optimizationdesignofoperatingdeviceofvacuumcircuitbreaker）[J]．高压电器（HighVoltageApparatus），2002，36(3)：14-16．

[2]张晋，陈德桂，付军（ZhangJin，ChenDegui，FuJun）．三相短路情况下塑壳断路器开断特性的计算机模拟（ComputersimulationofMCCBswitchingcharacteristicsunderthreephaseshortcircuitconditions）[J]．低压电器（LowVoltageApparatus），1999，(1)：10-14．

[3]张晋，陈德桂，付军（ZhangJin，ChenDegui，FuJun）．低压开关操作机构三维可视化仿真技术的研究（Researchonthree-dimensionalvisualizingtechniquetoimproveoperationoflowvoltageswitches）[J]．西安交通大学学报（JournalofXi’anJiaotongUniversity），1999，33(2)：6-10．

[4]张越今，宋键，张云清，等（ZhangYuejin，SongJian，ZhangYunqing，etal）．多体动力学分析的两大软件——ADAMS和DADS（TwobroadestlyusedsoftwaresADAMSandDADSinthefieldofmultiplebodysystemanalysis）[J]．汽车技术（AutomationTechnology），1997，(3)：16-20．

[5]ADAMS．User’sreferencemanual[M]．Version11.0，MDICorpo-ration，1999．

[6]StammbergerH．Forcecalculationsforthemovablecontactofcircuitbreakers[C]．19thinternationalconf.onelectricalcontactphenome-na．14-17september，1998，Nuremberg，Germany．

[7]张冠生．电器理论基础[M]．北京：机械工业出版社，1989．

[8]YoshihiroK，HiroyukiM，ShokichiI．3-Dfiniteelementanalysisofelectrodynamicrepulsionforcesinstationaryelectriccontactstakingintoaccountasymmetricshape[J]．IEEETrans.onMagnetics，1997，33(2)：1994-1999．

动力学范文篇5

关键词：中药；药代动力学；中医药现代化

1中药药代动力学研究意义

中药及其复方的药物动力学研究，是近十多年兴起的中药药理学分支，主要是研究药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄，用数学模型来定量描述药物在体内的动态过程。它对中药药理学及中医临床医学的发展有着重要的意义。中药药动力学研究是阐明中药作用机理必不可少的环节。药代动力学参数可以为毒性试验设计和毒理效应分析提供依据。受多种因素的影响，毒性试验观察到的毒性反映往往不与剂量相关而与血药浓度相关，如果高浓度的药物剂型不利于药物吸收，进入体内的药量与剂量不成正比，就有可能造成毒性剂量评估上的偏差。众所周知，进行中药及其复方制剂的药代动力学研究会有不小的困难，因此，更需要广大的医药学工作者集中力量，找出中药作用中有代表性，有规律性的机理或具有可行性、可操作性的系统研究方法学，使中药药代动力学的研究更科学、更系统，更能满足现代临床治疗的要求。

2中药复方的自身特点及中医对药代动力学的认识

中药复方是中医防治疾病的主要手段。中医理论的特色之一就在于强调“人”的整体观，发挥药物的整体调节作用，并用辩证施治的思维方法来处方用药。现代药理学研究已初步证明复方药效的发挥并非是简单的单味药相加或毒性的相减，而是方中药物之间所发生的协同、制药或改性等作用，使复方达到预期的治疗目的。目前，国内对复方的研究中，有相当一部分在药理效应及临床疗效的观察阶段，虽然也引用了一些西药药理学手段，但仅表现在对几个特异性指标的观测上，且重复研究居多，所研究的中药复方组成不稳定，药效重现性差，难以全面而准确地反映出复方药物的作用机制，这使得国内复方制剂稳定性差，质量标准不高，较难与国际医药市场接轨。中药成分十分复杂，即使是单味药物，其所含的有效成分也达数种之多；而且在多数情况下又是以复方制剂给药。许多中药到目前为止其有效成分和作用机制还不是很清楚，加之中药中的一些有效成分含量很少，并且还有不少结构相似的类似物。来源产地不同，不同季节采收，不同方式加工等特点，使得常规的化学分析以及数据的解析产生困难，实验结果不易重复，给药代动力学的研究带来了许多困难。

3中药药代动力学研究的现状

中药的药物代谢动力学的研究与西药相比有很多不同的地方，因此决定了其研究方法也存在一定的差异。一般按有效成分明确的中药及其制剂的药物代谢动力学研究和有效成分不明的中药及其制剂的药物代谢动力学研究两种情况来进行评述。

3.1有效成分明确的中药及其制剂的药代动力学现状

有效成分明确的中药及其制剂的药代动力学研究方法与西药类似。随着对中药中有效成分的研究方法和检测技术的改进和完善，目前许多中药特别是单味中草药的有效成分已相当明确，据统计在九十年代前就已对120多种中药的有效成分进行过研究[1]。并已对相当一部分进行了体内外代谢的研究，且得出了明确的代谢产物，并对其体外药代动力学参数进行了研究。如毕惠嫦[2]研究了丹参酮Ⅱ_A在大鼠肝微粒体酶中的代谢动力学，指出了参与丹参酮Ⅱ_A体内代谢的肝微粒体酶。艾路等[3]对复方中药中乌头生物碱在人体内的代谢产物进行了研究，采用液相色谱-电喷雾离子阱多级质谱(LC-ESI-MSn)法检测出5种乌头生物碱代谢产物。陈勇[4]等对葫芦巴碱在大鼠体内的代谢产物进行了推测，从大鼠尿中检测出原药及其三种代谢产物。3.2中药复方及其制剂的药代动力学研究现状

到目前为止还有许多中药及其复方制剂或因化学结构不明，或由于是混合物而非单体，无法用化学分析方法测定有效成分含量，因而给其药物代谢动力学的研究带来困难。大部分人用复方或其制剂中的某一单体来代替整方的药物代谢过程。如李再新[5]等将补阳还五汤水提醇沉液给予家兔静脉注射后，以川芎嗪为指标来测定其在体内的代谢过程；但此法只能说明此单体在体内的过程而不能说明全部成分的代谢过程。中药制剂化学成分往往十分复杂，相当于一个天然的化学成分组合库，用其中的一具或数个化学成分作为检测指标，得出的药动参数与药的实际药动学相比可能有一定的偏差。也有人采用生物效应法进行药物代谢动力学的研究，但此法不够精确，只能粗略看出体内药物浓度变化的过程。生物效应法认为，在一定条件下，体内药量与药物的效应有一定对应关系，从药效的变化可以推知不同时间内体内药量变化。常用的生物效应法有以下几类：

(1)Smolen。此法是目前我国医药研究者最为广泛采用的一种进行中药单味药及复方药药动学研究的方法。其要义是将量效关系曲线作为用药后各时间作用强度与药物浓度的换算曲线，从而推算出药动学参数。卢贺起[6]等以血小板聚集抑制率为药理效应指标，对家兔进行了四物汤的药动学研究，结果表明四物汤属静脉外给药一级动力学消除，开放的一室模型，并计算出药动学参数。

(2)药物累积法。其基本原理是将药物代谢动力学中的血药浓度多点测定原理与用动物急性死亡率测定药物蓄积性的方法结合起来；是用多组动物按不同时间间隔给药，求出不同时间体内药物的存留百分率的动态变化，据此计算药物的表观半衰期；又称为毒理效应法。黄衍民[7]等对乌头注射液对小鼠的毒效动力学研究，得出药物的消除级动力学过程，并符合一室模型，其表观半衰期为59.23min。从而指出目前临床一日2次给药间隔时间太长，如果每8小时给药1次且首次倍量，可能会进一步提高疗效降低毒副作用。陈长勋[8]等应用LD50补量法测定小鼠的附子表观参数，结果认为符合二室开放模型并得出了主要的药动学参数。利用此种方法进行药代动力学研究的中药还有陆英煎剂[9]、小活络丸[10]、九分散[11]、桑菊饮[12]等。但此法实际上反映的是药物的毒性效应动力学过程，当毒性成分与药效成分不一时，所得动力学参数将难以用作临床用药指导，在致死剂量作用下，机体已受到损害，可能对药物在体内的动力学过程产生较大影响，使得所得结果不能表征生理药动学过程。

(3)药理效应法。该法以给药后药效强度的变化为依据，通过适当剂量的时间-效应曲线，进行药效动力学参数计算，其消除半衰期称为药效半衰期或药效清除半衰期。本法先选择适当的药理效应作为观测指标，得出剂量-效应曲线、时间-效应曲线和时间-体存药量曲线，并据此得出药代参数。富杭育[13]等按足趾汗腺分泌的观察方法，应用本法观测大鼠麻黄汤的药代动力学。通过量效、时效和曲线的转换，得体存量-时间曲线，从曲线分析属二室模型。另外赵智强[14]等也报道了天麻钩藤饮用此法所得药动学参数。此法要求复方及其制剂药效强且可逆重现、反应灵敏、可定量检测，因而限制了其应用。

(4)微生物法。此法仅适用于具抗病原微生物作用的复方，通常用琼脂扩散法测得相关药动学参数。它具有方法简便、操作容易、样品用量少等优点，但机体内外抗菌效应作用机制的差异，细菌选择的得当与否，可在一定程度上影响药代参数的准确性。王西发[15]等用此法测定了鹿蹄草素在兔体内的药动学参数，其选取用的是金黄色葡萄球菌为实验菌株，研究表明鹿蹄草素属于二室分布模型。4小结及展望

近年来国内外学者在中药药动学研究方面进行了大量的实践，内容涉及中药生物利用度[16]、中药毒代动力学[17]、中药透皮吸收药动学[18]、中药时辰药动学[19]、中药证治药动学[20]、中药活性成分在肠道的代谢处置[21]、中药活性成分的体液浓度测定等。但因为中药成分的复杂性、有效成分的不确定性、类似物的多样性，导致实验结果不易重复。加之中药配伍和中西药结合后药物的互相影响等使得中药药代动力学发展较为困难。今后尚需加强以下几个方面：4.1建立中药的指纹图谱库

建立中药指纹图谱库，并在此基础上，探讨药物吸收入血后相应指纹图谱峰的变化，以此为目标，进行药代研究。

4.2将中药的药代研究与中医理论研究相结合

中药研究是在中医理论指导下对药物进行的研究。可采用“证治药动学”的方法进行，即研究中药在不同证候时的药动学是否具有不同特征。再者还应开展中药配伍后及与西药同用时的药动学变化研究。

4.3加强代谢物动力学研究

许多中药药效成分是在体内产生的，或是代谢而来，或是在肠道菌群激活下产生的，因此中药代谢物动力学研究具有重要的意义。应进行中药复方代谢物的种类代谢途径及代谢场所的研究，以阐明代谢物与方剂药效的关系及代谢物的动力学规律。

4.4加强新技术的应用

现代新技术将在中药药代研究中发挥重大作用。许多新技术如：超临界流体萃取、在体微透析、核磁共振、生物电阻抗、细胞培养研究体外吸收模型等，将会为中药药代动力学的研究提供新的技术平台。

参考文献：

[1]陆丽珠，李冀湘.中药的临床药学研究概况[J].中国医院药学，1994，14(10)：458-460.

[2]毕惠嫦，和凡，温莹莹，等.丹参酮Ⅱ_A在大鼠肝微粒体酶中的代谢动力学[J].中草药，2007，38(6)：551-554.

[3]艾路，孙莹，张宏桂.复方中药中乌头生物碱在人体内的代谢产物[J].北京中医药大学学报，2007，30(6)：955-958.

[4]陈勇，沈少林，陈怀侠.HPLC-MS-n法鉴定葫芦巴碱及其在大鼠体内的主要代谢产物[J].药学学报，2006(3)：216-220.

[5]李再新，吴小红，贺福元.补阳还五汤中川芎嗪的药代动力学研究[J].中国药业，2007，6(18)：21-23.

[6]卢贺起.以药效法测定四物汤药动学参数的研究[J].中药药理与临床，1995(1)：11-14.

[7]黄衍民，潘留华，吴晓放，等.乌头注射液对小鼠的毒效动力学研究[J].中国药学，1998，33(7)：421-423.

[8]陈长勋，金若敏、李仪奎，等.附子、川乌、四逆汤表观药动学的测定[J].中国医院药学，1990，10：(11)487-489.

[9]周莉玲，李锐，周华，等.青藤碱制剂药动学试验中药物累积法与血药浓度法的相关性研究[J].中成药，1996，18(9)：1-4.

[10]郭立玮.中药药代动力学研究进展[J].南京中医学院学报，1992，8(2)：126-129.

[11]任天池，王玉蓉，曾立品，等.用药物累积法考察九分散和疏风定痛丸的药物动力学实验[J].中成药，1991，13(7)2-4.

[12]周爱香，富杭育，贺石琢，等.用药物累积法再探麻黄汤、桂枝汤、银翘散、桑菊饮的药物动力学[J].中药药理与临床，1993，9(2)：1-2.

[13]富杭育.以发汗的药效法再探麻黄汤桂枝汤桑菊饮的药物动力学[J].中药药理与临床，1992，8(5)：1-5.

[14]赵智强，俞晶华，陆跃鸣，等.天麻钩藤饮等3方对小鼠镇压痛作用的药物动力学研究[J].中药药理与临床，1999，15(3)：13-15.

[15]王西发，秦骏，杨彩民.微生物法测定家兔体内鹿蹄草素药动学参数[J].西北药学，1997，12(2)：70-71.

[16]刘汉清.泻下通保剂生物利用度的研究[J].中草药，1990，21(4)：7-9.

[17]李耐三，于东晖.中药雷公藤的毒代动力学研究[J].中国药科大学学报，1992，23(1)：25-26.

[18]沈子龙，易七贤，周斌.抗癌止痛膏透皮吸收示踪研究[J].中国药科大学学报，1993，24(1)：30-33.

[19]刘启德，梁美蓉，欧卫平，等.青藤碱时辰药代动力学研究[J].中药新药与临床药理，1995，6(1)：23-26.

动力学范文篇6

自80年代联结主义范式兴起以后，符号主义和联结主义成为认知科学的两大基本范式，由于两大范式建立在功能主义计算假设和联结主义假设之上，受到一系列质疑。随着最近十年一些有关动力系统理论文献的问世，一种新的关于认知科学的基础理论似乎在逐步形成，例如，格罗布斯（Globus1992），罗伯特森（Robertson1993），西伦（Thelen）和斯密斯（Smith1994）的文章和著作希望发展一种对认知更好的动态的理解进路。特别是冯•盖尔德（vanGelder）和波特（R.Port）(1995)年出版了一本关于认知科学的动力理论的书：提出认知科学的动力学研究进路（It’sabouttime:Anoverviewofthedynamicalapproachtocognition,Mindasmotion:Explorationsinthedynamicsofcognition,Cambridge,MA,MIT），被作为认知科学第三种竞争范式的宣言。此书引起了较大凡响,如华盛顿大学伊莱斯密斯（C.Eliasmith）1996年发表了《第三种竞争范式：对认知的动力理论的批判性考察》，其后也有其他人的热烈讨论。

冯•盖尔德针对80年代以后符号主义、联结主义范式所产生的困难，提出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）。对于认知科学中的时间、构架、计算和表征等概念都提出了不同的解释。冯•盖尔德把纽厄尔（Newell）西蒙（Simon）的计算主义假说或说物理符号系统假说：

“自然的认知系统在物理符号系统的意义上是智能的。”

相关的，期望用动态眼光理解认知的还有丘奇兰德（Churchland）和谢诺沃斯基（Sejnowski），他们（1992）把所拥护的联结主义假说表述为“突现性是以系统的某种方式依赖于低层现象的高层结果”。他们承诺“通过构架的低层神经网络的作用能达到复杂的认知效果”

“直觉过程是一种亚概念的（subconceptual）联结主义动力系统，它不接受完全的、形式化的、精确的概念层次的描述”。

“用亚概念网络把自然认知系统看作是动力神经系统是最好的理解。”

有一种假设认为，人意向性意识涌现于集群系统动力学，并由环境激发。

动力系统类包括任何随时间变化的系统，广泛用于对自然界的描述。动力论者期望勾画一类特殊的能恰当描述认知的动力系统。于是1995年冯•盖尔德给出他的动力学假说（DynamicistHypothesis）：

“自然的认知系统是某种动力系统，而且从动力学眼光理解认知系统是最好的理解。”

动力学假说是以数学的动力系统理论为基础描述认知的，用数学中的状态空间（statespace）、吸引子（attractor）、轨迹（trajectory）、确定性混沌（deterministicchaos）等概念来解释与环境相互作用的认知主体（智能体）的内在认知过程。用微分方程组来表达处在状态空间的认知主体（智能体）的认知轨迹。换句话说，认知是作为认知主体所有可能的思想和行为构成的多维空间被描述的，特别是通过在一定环境下和一定的内部压力下的认知主体的思想轨迹来详尽考察认知的。认知主体（智能体）的思想和行为都受微分方程的支配。系统中的变量是不断进化的，系统服从于非线性微分方程，一般来讲是复杂的，是确定的。

二．认知科学的几个动力系统模型

这些模型虽然不仅仅是动力学假设的应用实例，但被动力论的倡导者看作他们的范式的担当者。

1．循环原动力行为模型（CyclicalMotorBehaviorModel）

罗伯特森（1990）曾用动力学进路对CM（新生婴儿的自发的原动力行为中的循环）做了大致勾画。罗伯特森采集了大量的关于新生婴儿呈现的自发的原动力行为的数据。由于这些经验数据的有效性，这个动力系统模型CM是少有的几个能够充当动力系统模型的。而且许多人认为，这是一种可定量化的生理学行为的一种非隐喻的动力描述，恐怕较临床心理学的研究结果更能让人欣然接受。

罗伯特森后来过滤了观察状态空间，获得了带有少数自由度的一个理想的动力模型，似乎能够模拟CM的随机过程。但基于后来的研究，罗伯特森只能得出结论说是“我对CM的生物学基质清楚地知道的很少”。结果，至今还没有完美的动力系统模型。

因此罗伯特森说：“我们距离建立一种使状态变量和参数与生理学和环境因素有清楚对应的关于CM的动力系统模型的目标，还有相当长的路要走”。

2．嗅觉球状模型(OlfactoryBulbModel)

斯卡德（Skarde）和弗里曼（Freeman）1987年的论文“为了了解世界大脑是如何制造混沌的”大致勾勒了这个模型并进行了一定程度的实验，这是一个基于嗅的神经过程的考察，借助复杂动力系统理论描述感受器官的神经系统的各种复杂状态、包括描述混沌神经元活动及其有规律的轨迹而提出的精致模型。盖尔德和格罗布斯、巴顿（Bardon）纽曼（Newman）等都承认它可以作为动力系统模型。

3．动力振动理论模型（MotivationalOscillatoryTheory）

动力振动理论（MOT）是一个关于循环的动力系统的模型。是冯•盖尔德（1995）推荐作为动力论假说范例的一个简化的动力系统模型，它是由……提出的。

但是这个系统最大的问题就是如何正确选择系统的参数。因为对于动力系统而言，是对初值敏感的，“改变动力系统的一个参数就改变了它的整个动力学”（vanGelder，1995，p.357）。

4．语言认知的动力学模型

5．关于意识的动力学模型……

三．动力学认知范式对表征的理解

表征是认知科学最核心的概念之一。表征包括对象表征、问题表征和知识表征等，还有内隐表征和外显表征，人的表征和机器表征，总之，表征被认为是人类对自身和对外部世界表达式的媒介，特别是，知识表征是推理的前提。在计算主义框架下,知识表征是有效计算的媒介，是使计算机世界的信息沟通以及与人的世界的信息沟通成为可能的媒介。在我们今天普遍流行的认知科学范式中最重要的就是表征与计算问题，无论是作为“一种替代物”，“一组本体论承诺”，还是“一种媒介”（韦格曼（M.Wageman,1996）），抑或一种“被构造出来的作为另一对象的替代物而存在的符号”(刘西瑞，2004)，大家都默认着一个假定，“没有表征就没有人类认知”。

动力论的认知范式与其他范式的一个重要区别是对表征的不同理解。符号主义模型是以符号表征为基础的。联结主义的表征是以网络中的并行式表征或局部符号表征（Globus1992,ThelenandSmith1994;vanGelder1993,1995）为基础的。但动力论的认知范式则宣称，一个动力模型应当是“无表征的”。

在对联结主义范式的批判中，格洛布斯指出，“表征的过程实际上是在简化网络中的（符号的）计算过程。”在真实的网络中是无表征的，它们是变化的；是借助化学变化的自组织过程，因此谈论表征是没有意义的（Globus1992,p.302），类似的，vanGelder认为“表征概念对于理解认知是不充分的一种诡辩式的东西（sophisticated）（vanGelder，1993，p.6）.ThelenandSmith宣称“我们根本不去建立什么表征”（ThelenandSmith1994，p.338）！动力主义者认为，对于恰当解释认知，表征是完全不必要的。

实际上，布鲁克斯（R.Brooks）就宣称，将建造一种完全自动的、能动的行为者（创造物），它们与人类共存于世界上，并被人类认可是有自己权利的智能存在。创造物在它的动力环境中必须以随机应变的方式恰当处理问题。它们应有多种目标，能适应环境，也能利用偶发环境。布鲁克斯的方案是把复杂系统分解为部分来建造，再连接到复杂系统中。他所设计的机器人，是靠控制不同的层次直接与环境作用，因此他宣称“根本不需要表征”（1991）。

因此,也有人攻击动力论范式，拒斥表征无非是对行为主义规划的不成功表达的一种强烈暗示。说它是“无表征的”，不如说它是“在某种类型的非计算的动力系统中存在状态空间演化的”。

四．对认知科学的动力学范式的批判性考察

动力系统理论对认知行为的连续性提供了随时间变化的自然主义的说明。这是其他范式不能说明的，其他范式一般来讲是忽略时间概念的。但人类大脑与环境之间是随时有信息交流的，而且是处在不断变化的，暂态的连续的认知是随时间变化的。

动力系统理论的优势是对认知的描述是多元的，是一种经验可检验的理论，可以对描述认知系统的微分方程进行分析修正，也可以用已知的技术去解这些方程，比起其他理论，它是一种定量的分析，是理解认知的一种确定性的观点。另一优势是动力系统的描述可以展示人类行为复杂的，混沌的特性。动力论者认为，如此对认知的分析描述，应当是已经找到了替代认知科学中的符号主义、联结主义的新范式。果真如此吗

但是前面讨论的一些模型外，至今有多少是成功的模型？

对于表征的理解受到质疑.

如何保证动力系统的各变量和参数的恰当选择？系统的稳定性和可靠性问题。

认知的动力系统虽然不是一种隐喻性的，而是一种定量的分析，但对于定量性描述的因素的选择基于什么原则？

动力学理论是否构成同符合主义、联结主义具有同样竞争力的第三种范式？

它是对于认知的最有潜力和生命力的新范式？

……主要参考文献

1.R.Brooks(1991)Intelligencewithoutrepresentation,ArificialIntelligence47:139-159.

2.C.Eliasmith(1996)Thethirdcontender:Acriticalexaminationofthedynamicistthoryofcognition,inP.Thagard(ed)(1998)MindReadings:IntroductorySelectioninCognitiveScience.MITPress.

3.S.S.Robertson,A.H.Cohen&R.G.Mayer-Kess(1993)BehaviouralChaos:BeyondtheMetaphor,inLB.Smith&E.Theken(eds),Adynamicsystemsapproachtodevelopment:Applications,Combridge,MITPress,pp.120-150.

动力学范文篇7

关键词：幼儿园教师；合作；团体动力学

一、团体动力学视角下幼儿园教师合作现状

幼儿园教师是幼儿学习活动的支持者、合作者、引导者，其工作内容主要是计划与组织幼儿教育活动、保护幼儿安全、观察幼儿发展情况、指导与协助保育员开展生活与卫生保健工作等。幼儿园教师合作是指同一个幼儿园内同一个班级两个或两个以上幼儿教师在资源平等的基础上，为了幼儿能够更好地发展，或者为了提高自身专业水平相互配合并形成的一种批判性的互动关系[2]。研究者对C幼儿园进行了个案研究，运用观察法、访谈法，从幼儿生活活动、幼儿发展情况、幼儿园环境创设、教师教科研、家校互动等几个方面，以团体动力学视角来分析幼儿园教师合作现状。（一）活动目标明确，教师配合默契。团体目标是成员对团体作为一个整体所期待的结果。团体目标一旦被认可后，会在团体成员之间形成一种“求同”压力，对团体成员的行为起到促进和整合作用。研究者发现，教师对具有明确目标的活动会表现出较好的合作能力。1.生活活动的组织配合默契幼儿园生活活动主要包括入园、盥洗、睡眠、餐点、饮水、排泄等。研究者通过观察发现，由于生活活动有既定流程与环节，教师、保育员在生活活动的组织中分工明确，要求一致，配合默契。如盥洗环节，教师与保育员分立于活动室与盥洗室，保育员负责引导幼儿有序盥洗，教师负责引导盥洗结束的幼儿开展游戏活动、学习活动等。2.家长工作职责分明通过观察、访谈发现，C园教师在家长会、家访、家长学校、家长沟通等工作中目标明确、职责分明、配合默契。（二）群体内聚力不足，导致教师合作深度不够。群体内聚力主要是指群体对成员的吸引力和成员对群体的向心力以及成员之间人际关系的紧密程度综合形成的，使群体成员固守在群体内的内聚力量。经过研究发现，C园教师在合作中由于缺乏群体内聚力而导致合作深度不足。1.教育活动组织各自为政与教师访谈中，教师表示“老师们会一起制定一个月的课表，但具体活动怎么上老师自己决定”。由此可见，配班教师在教育活动中的合作仅局限于月计划、周计划的制定，而对教育活动怎样开展却是各自为政。同事之间合作制定活动目标、做好活动准备、相互观摩课堂教学和评课是教师通过合作提升实践智慧的有效形式，而具体教育活动的开展才是实现教育目的的最终途径，各自为政的活动组织很难保证教育质量的提升。2.对幼儿发展情况观察与分析自顾不暇随着幼儿教育理念的更新与发展，教师对幼儿发展情况的观察与分析尤为重视。笔者对幼儿区域活动中教师观察行为进行分析得到：在幼儿户外体育游戏区，带班教师往往一边引导、观察、记录幼儿大肌肉动作发展情况，一边解决幼儿活动中出现的冲突，配班教师则只负责维护幼儿活动中的安全，这样致使带班教师无法详细观察每位幼儿的发展情况，无法记录自己引导活动、处理矛盾的过程。由此，C园对幼儿进行观察均发生于自己带班期间，教师一边观察一边施教自顾不暇，导致观察记录不细致、不到位。观察记录不详尽、不客观导致教师分析不足，进而影响到教育效果的优化。3.教科研权责分离2012年，教育部颁布《幼儿园教师专业标准》，明确要求幼儿教师要“主动收集分析相关信息，不断进行反思，改进保教工作。针对保教工作中的现实需要与问题，进行探索和研究。”幼儿教师科研能力的提高是幼儿教育发展的大势所趋。通过访谈得知，C园教师十分重视课题研究。教师往往根据自己的兴趣选择主题，撰写课题申报材料，进行课题论证，开展课题研究，而课题组成员则主要参加课题论证会、少数成员会完成负责人安排的任务。可见，C园课题开展虽然权责分明，但在配合中容易出现理念不统一、积极性不高等问题。（三）团体氛围不好，造成精神环境创设配合默契度不高。团体氛围直接影响团体成员的士气、工作效率以及团体的自身发展。通过访谈与观察发现，C园园长在分配班级时，仅考虑到每位教师的学历、职称、资历等因素，教师往往由于相互之间紧张的人际关系导致工作效率低下。例如，幼儿园环境主要包括物质环境与精神环境。C园教师在物质环境，如区域活动设置、材料投放、墙饰设计等方面配合良好。但由于教师态度和管理方式存在差异，幼儿园精神环境的创设因人而异。例如，某班两位教师一位内向沉默、一位外向活泼。组织教学活动时，内向的教师要求幼儿坐端正、不能随意发言；外向的教师则允许幼儿各抒己见。这样的班级氛围导致幼儿在活动中无所适从。综上所述，C园教师在部分目标极为明确的活动中配合默契，如生活活动、家长工作，但在需要深度合作的幼儿观察、教科研等方面却显示出较为薄弱的合作意识与合作技能，究其原因在于团体缺乏共同目标，进而导致团体凝聚力不足。

二、团体动力学视角下教师有效合作的策略

（一）增强团体凝聚力，提升教师合作意识。团体凝聚力是指团体对成员的吸引程度，它直接影响团体成员的精神面貌和工作效率。较强的团体凝聚力会使成员产生归属感和集体荣誉感，每名成员都会努力为集体的发展奉献力量。幼儿园实行园长负责制，园长在管理工作中首先应做的就是提高教师的合作意识，增强每位教师的团体归属感与集体荣誉感。（二）明确团体目标，提升教师合作技能。目标具有导向作用，团体目标是个体对团体的期望。如果团体确立了所有成员都认可的目标，便为每个个体指明了方向，对每个个体成长都具有促进作用。园长在管理过程中必须确立园所定位，使每一位教师明确幼儿园发展目标，并努力为实现发展目标不断沟通、交流，相互信赖、相互学习，合作技能由此逐步提高。（三）营造良好团体氛围，增进教师合作情感。合作情感决定了教师合作的有效性。园长应通过开展丰富多彩的活动，如读书会、社团、聚会等努力营造良好的团体氛围，增强教师彼此间的情感，为其工作中的合作奠定基础。同时，园长在园所管理中应避免从职称、年龄、学历等外部层面硬性规定教师之间的合作，应充分考虑情感因素，如在排班时尽量将个性相合、理念一致、爱好相近的教师编排在一起，以避免教师合作中的冲突。

参考文献：

[1]曹海浪.基于团体动力学理论的高校研究生党支部活力提升策略研究[J].学校党建与思想教育，2018（11）：44.

动力学范文篇8

关键词：电动力学；学习积极性；对策研究

电动力学是物理学专业的一门重要的专业核心必修课。通过该课程的学习，使学生掌握电磁场的基本规律，加深对电磁场性质和时空概念的理解，学会分析和处理一些基本问题的能力，为以后解决实际问题打下基础。近年来，一些学生对于电动力学课程学习的积极性有所下降。本文结合作者多年教授物理学专业本科生电动力学课程的经历，介绍电动力学课程学习情况，分析总结学生对待电动力学课程学习积极性不高的原因，并对调动学生的学习积极性提出有效对策。

一、积极性不高的原因分析

以作者教授电动力学课程时对学生的观察与了解，学生对待电动力学课程学习积极性不高的原因主要有以下几个方面。（一）课程地位和作用理解不到位。在课程开始的时候，我们会跟学生沟通交流，了解他们对于电动力学课程的认识。交流中发现，很多学生拿到教材以后，看看目录，看到库仑定律、电荷守恒定律、静电场以及静磁场等内容时，就觉得这门课与电磁学课程差不多，很多知识都学过，因此，第一次上课之前，有些学生认为这门课不难也不重要。另一方面，高等师范院校物理学专业多属师范类专业，一些学生毕业以后去中学教物理，这些学生中不少学生对理论物理课程不重视，认为在中学物理教学工作中用不上，尤其对于内容抽象、数学推导繁杂的电动力学课程就更不认真学习。此外，师范生中也有些学习努力的学生，也会很认真地学习，但是他们不知道如何将所学知识与中学物理教学相结合[1]。硕士研究生入学考试初试时大都考普通物理、量子力学或者高等数学等课程，只有很少高校、很少专业考电动力学，基于此，有极个别准备考取硕士研究生的学生认为电动力学课程是不重要的，因此对于该课程的学习态度不认真、不积极。（二）数学基础知识储备不充分。电动力学课程研究电磁现象的普遍规律、电磁波的传播与辐射、带电粒子与电磁场的相互作用以及狭义相对论，课程内容理论性强，概念过于抽象，尤其狭义相对论很难理解。此外，该课程涉及矢量分析、数学物理方法等数学知识，需要推导的内容多，推导过程复杂烦琐，对数学基础要求高。因此，在课程进行中，部分学生感觉到学习越来越困难：内容难理解、公式难以牢记或者不能学以致用、推导过于复杂、难度过大等，很多学生反映上课能听懂能跟上，但是课后不会解题。每当学生达到这种状态时，多数学生会加倍努力，课后及时跟老师沟通交流，但也有部分学生就此选择放弃。

二、调动学生积极性的策略

基于第一部分学生对于电动力学课程学习积极性不高的原因分析，结合作者多年来的教学实践，总结出以下调动学生学习电动力学积极性的对策。（一）发挥绪论课的作用。绪论课是课堂教学的先导和灵魂，在专业课程教学中，发挥绪论课的引导性作用极其重要[2]。在电动力学绪论课中，应使学生了解电动力学课程的性质、特点和主要内容，懂得电动力学与电磁学的联系和区别，与其他先修课程和后续课程之间的关系，使学生对该课程有一个总体的概念和宏观的了解。例如，在介绍电动力学课程内容和任务时，我们可以应用类比法，将其与学生所熟悉的经典力学作对比（如表1所示），这样学生更容易理解。电动力学是一门应用非常广泛并且与学科前沿研究密切联系的课程。在绪论课的教学中，还应当引导学生关注学科前沿发展动态，让他们明晰电动力学知识是相关前沿研究领域的必备基础，启发和培养学生对于电动力学课程的学习兴趣，建立良好的学习心态，从而调动学生对于电动力学课程学习的积极性和热情。（二）数学推导能力和物理思维的培养。电动力学课程的学习需要用到矢量分析和数学物理方法中的数学知识，这些知识学生在先修课程中大多学过，但是不纯熟，甚至已经淡忘。因此，在绪论课之后，需要花2至3节课的时间对相关的数学知识进行复习，做好数学基础方面的准备。在课程基本内容的学习过程中，需注意把复杂问题简单化，引导学生从物理学专业的角度理解、分析和思考，建立物理图像。在具体问题的分析中，引导学生找到合适的方法，比如用分离变量法求解电标势或磁标势时，不同问题之间的区别主要在于定解条件不同。因此，在学习分离变量法求解电标势时，先复习不同坐标系下分离变量法解拉普拉斯方程得到的通解，攻克数学难点，然后引导学生根据不同的问题确定定解条件，分析确定定解条件的方法。只要学会分析此类问题及相应的定解条件，之后的求解都能轻松完成，为静磁场磁标势的求解打下坚实的基础，同时激发学生自主学习和探索的积极性。电动力学课程是一门有着严密的逻辑思维体系的课程，在电动力学课程教学中，应该将物理思维的培养与训练放在教学的首位。例如在“电磁场的能量”一节教学中，从电磁场对带电粒子做功而确定存在能量转化，即电磁场必定有能量，由此提出问题引导学生思考：电磁场的能量如何用数学公式定量表示？学生的先备知识中，关于电磁场的知识没有学到能量如何表示，因此只能从电磁场对带电物体做功的角度入手讨论：力对物体所做的元功等于力与在该力作用下的元位移的标量积。紧接着引导学生思考，电磁场的能量公式必定是用场量表示的，因此需要将力密度中的电荷密度和电流密度用场量表示。这时，引导学生回忆做功以及能量转化与守恒定律，进一步引导学生对公式进行变形，直到得出有明显物理意义的能量守恒定律公式，从而得到电磁场能量的数学表示公式。通过这个教学过程，学生掌握的不仅仅是电磁场的能量以及能量守恒定律公式，更重要的是，能突出物理规律的建立过程，丰富学生思维模式，培养学生的物理思维。（三）加深对课程地位和作用的认识。认为电动力学课程不重要的学生，是因为对该课程了解不够。电动力学课程是一门理论体系严谨、应用广泛并且与前沿研究（如腔量子电动力学、磁单极子等）密切联系的学科，是物理学专业本科生必须掌握的专业核心课程。近年的一些热点问题，如光子晶体、光学空间孤子、原子光陷阱等，都可以用经典电动力学作出一定程度的解释[3]。此外，电动力学不仅是物理学专业的核心课，也是光电信息科学与工程、电子信息工程等电子类专业、电气类专业的重要学科基础课[4]。不同专业课程名称不完全相同，有些专业称这门课为电磁场理论或者电磁场与电磁波等。不管是电动力学，还是电磁场理论、电磁场与电磁波，内容大同小异，区别在于电动力学相较其余科目难度略高，电磁场与电磁波课程在介绍波导光纤和天线阵时详细一些。因此，很多工科专业硕士研究生招生时，把电动力学作为复试时的笔试课程，或者面试时提一些有关电动力学课程的问题。《中国学生发展核心素养》以及《普通高中各学科核心素养一览表》显示物理学科的核心素养包含四个方面：物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任[5]。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。要在中学物理教学中培养中学生核心素养，需要把科学知识与其内因关联起来，帮助学生形成一定的思维结构，认识更为复杂的自然现象和实验现象，这就要求教师从理论物理的高度去把握中学物理教材。电动力学是理论物理课程的重要组成部分，该课程所含的观察、猜想、分析、综合归纳、演绎、理想模型、类比等科学家们在发现问题、思考问题、分析问题、解决问题的过程中用到逻辑思维和数学方法，对于促进学生对物理思想的领会、提高学生的学科知识水平、训练学生提出问题和解决问题的能力等有着极大的促进作用。（四）充分利用网络资源。为了推动高等学校优质课程教学资源共享，促进教学内容更新，深化教学方法改革，教育部在全国高等学校中推进各级精品课程、精品资源共享课等教学质量建设工作。就电动力学课程而言，中山大学、华中师范大学、河北师范大学等高校的电动力学课程均为精品课程，我校的电动力学课程为河南省精品资源共享课，讲课视频、多媒体课件、教案等资源均网上共享。除上课以外，学生可以在课前或者课后利用网络课堂在线学习，也可以下载该课程的相关学习资料自学或复习。

三、结语

电动力学是物理学专业本科生必须掌握的重要专业课程，它所包含的知识有着严密的逻辑思维体系，学好该课程有利于培养学生的物理思维和科学方法，激发学生积极思考，启发学生的求知欲，拓宽学生视野，提高分析问题和解决问题的能力，激励学生的创新精神。既为进一步深造的学生打下扎实的基础，又能让师范生利用电动力学所学知识和方法指导中学物理教学，做到理论联系实际、学以致用。

参考文献：

[1]张婷玉,胡扬洋.高师物理师范生电动力学学习困难的成因与对策[J].首都师范大学学报,2015,(6):30-35.

[2]何伟岩.大学物理绪论课教学内容设计[J].物理通报,2017,(3):26-28.

[3]郭硕鸿,黄逎本,李志兵,等.电动力学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2008:1.

[4]陈桂波,卢俊,李金华.在“电动力学”课程中引入创新训练教学模式的初探[J].吉林广播电视大学学报,2018,(1):76-77.

动力学范文篇9

一般情况下，柔性机械臂的两根连杆横向弹性变形(弯曲)较小，则忽略机械臂的径向变形；假定关节及臂端负载均为集中质量，则忽略其大小。同时，暂不考虑电机转子的转动惯量和电机的阻尼。

图1是一双连杆柔性机械臂，两臂间关节电机质量为，上臂端部集中质量为，两连杆质量和抗弯刚度分别为和，和，两连杆的长度分别为和，和为两关节电机提供的力矩。

连杆变形很小，对每根连杆建立一个运动坐标系，使得连杆在其中的相对运动很小。机械臂的整体运动则可由这两个动坐标系的方位角来描述。于是，在动力学模型中将有两类变量，一类是幅值很小但变化迅速的弹性坐标，另一类是变化范围较大的方位角。本文采用端点连线坐标系，即将连杆两端点的连线作为动坐标系的x轴（见图1）。描述整体运动的是两个角度和，而连杆相对于动坐标系的运动则可视为简支梁的振动。这样，动力学模型刚度阵的弹性坐标互相不耦合，臂端的位置可由和确定，其期望运动形式（或数值解）：

(1)

如采用其他形式的动坐标系，两杆的弹性坐标将耦合在一起，而且在逆动力学求解时，将不得不处理微分方程与代数方程组合的方程组。

对每个机械臂取两阶模态坐标来描述，应用拉格朗日方法得到动力学方程：

(2)

式中。为6×6质量阵；为速度的二次项；为6×6刚度阵；为重力的广义力向量；为驱动力矩的广义力向量；，其中和、和分别是两个机械臂的一阶和二阶弹性坐标。

柔性臂系统的逆动力学问题，是指在已知期望末端操作器运动轨迹的情况下，结合逆运动学与动力学方程对关节力矩进行求解。如果直接进行逆动力学求解，即把式(1)代入动力学方程式(2)中，对方程中的弹性坐标和力矩进行求解，一般情况下，其数值解将很快发散。

表达系统运动状态的坐标可以看成有两部分组成：大范围的相对缓慢的运动（慢变）部分和小范围的振动（快变）部分。本文试图将这两部分分离，分别讨论它们的逆动力学特性，并以此来分析整体系统的逆动力学问题。

2快变部分的逆动力学问题

首先，寻求两个关节力矩使端点保持不动，先不考虑大范围的运动。此时，重力只起了一个改变平衡点的作用，在方程中把与它相关的部分略去，在动力学方程(2)中令，得：

(3)

式中

在方程(3)中消去和得：

(4)

式中：

，,

,,,

,,,

,,,

,

对式(4)降阶：

(5)

式中

其中，

I是四阶单位阵。方程(5)可化为下列形式：

(6)

式中。求出的特征值分别为

式中。

因的特征值存在正实部，则方程(3)所表示的系统不稳定，其解发散，即双连杆柔性臂在这种情况下，其振动问题的精确逆动力学解是发散的。

的各特征值在复空间分布关于虚轴对称，必然会出现正实部，如选取更多阶模态函数离散时，会出现同样的情况。因此，选取更多阶模态函数离散时，其振动问题的逆动力学解是发散的。

如应用应用文献[10]中给出的迭代法进行逆动力学求解，当积分步长很小时，其解是发散的；当积分步长较大时，便可得到较好的结果。其原因是因为快变部分的逆动力学解发散，当步长较大时相当滤掉了快变部分，便可得到较好的结果。

3慢变意义上的逆动力学

在进行慢变意义上的逆动力学求解时，应试图将弹性坐标中的振动部分滤掉，弹性坐标中不应含有振动部分，再结合期望的、求得力矩。

如图1所示，机械臂的各参数：L1=0.87m,L2=0.77m,M1=1.9kg,M2=0.8kg,m1=12.75kg,m2=2.4kg,=602.5,=218。期望运动轨迹：机械臂端点绕以(0.8,0)为圆心，做半径为0.5m,以每周1s作匀速圆周运动。

由机械臂的动力学仿真结果可以看到，弹性坐标的一阶、二阶时间导数项振动幅值很大，但它们都在零值附近振动，即其慢变部分很小。因此，在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项，相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，经过整理得到如下形式：

(7)

式中，、、中含、及其一阶时间导数项。

将式(1)代入式(7)中，再对方程求解，可以得到弹性坐标和力矩，弹性坐标见图2（图中不含振动的曲线）。为了考察得到的力矩，将力矩代入动力学方程式(2)中，得到的各弹性坐标见图2（图中含振动的曲线），轨迹跟踪曲线、端点坐标与期望运动相比较的误差曲线分别见图3和图4。

Fig.4theerrorsofcoordinatesinxandyDirectionsfortheendmovement

由图2中可以看出，由式(7)得到的弹性坐标（不含振动）与机械臂的动力学仿真得到的弹性坐标（含振动）的慢变部分十分相似，所以在式(2)中去掉弹性坐标的一阶、二阶时间导数项相当于滤掉了弹性坐标中的振动部分，说明这种方法是合理的。

由图3与图4给出的仿真结果可以看出，轨迹跟踪很好，由此可见，得到的力矩精度很高.

4结束语

由图2可以看到，机械臂在运动过程中，其弹性坐标由两方面组成，一方面是振动部分（快变部分），另一方面是与载荷、惯性力有关的慢变部分。而弹性坐标速度、加速度的慢变部分很小，在逆动力学求解中将其略去是合理的，由式(7)得到了比较准确的弹性坐标慢变部分并非偶然。

由以上分析可以看出，对于柔性机械臂系统，振动部分的精确逆动力学解是发散的，进行逆动力学求解时，应滤掉振动部分，在慢变的意义上进行，才能得到比较好的前馈力矩。

参考文献

[1]XiaJZ,ManqCH.Realtimeestimationofelasticdeformationforend-pointtrackingcontrolofflexibletwo-linkmanipulators[J].TheJournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,1992,115(3):385-393.

[2]MatsunoF,SakawaY.,AsanoT,Quasi-statichybridposition/forcecontrolofaflexiblemanipulator[C].ProceedingoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Sacramento,PublbyIEEE,1991,3:2838-2843.

[3]MatsunoF,SakawaY.Dynamichybridposition/forcecontrolofatwodegree-of-freedomflexiblemanipulator[J].JournalofRoboticSystems,1994,11(5):355-366.

[4]YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrobotmanipulators-descriptionofhandconstraintsandcalculationofjointdrivingforce[J].IEEEJRA,1987,(3):386-392.

[5]KwonDS,BookWJ.Aninversedynamicmethodyieldingflexiblemanipulatorstatetrajectories[C].ProceedingsoftheAmericanControlConference,SanDiego,PublbyAmericanAutomaticControlCouncil,1990,27-37.

[6]MatsunoF.Modelingandquasi-statichybridposition/forcecontrolofconstrainedplanartwo-linkflexiblemanipulators[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(5):287-297.

[7]GofronM,ShabanaAA.Controlstructureinteractioninthenonlinearanalysisofflexiblemechanicalsystems[J].NonlinearDynamics,1993,(4):183-206.

[8]BayoE,MoulinH.Anefficientcomputationoftheinversedynamicsofflexiblemanipulatorsinthetimedomain[C].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Scottsdale,PublbyIEEE,1989,710-715.

[9]BayoE,PadadopoulosP,StubbeJ,etal..Inversedynamicsandkinematicsofmulti-linkelasticrobots[J].Int.J.RoboticsResearch,1989,8(6):49-62.

[10]Asada,H.,Ma,Z.D.,Tokumaru,H..Inversedynamicsofflexiblerobotarms:modelingandcomputationfortrajectorycontrol.ASMEJournalofDynamicSystems,Measurement,andControl,1990,112:117-185.

动力学范文篇10

关键词：混凝土动力学

一、絮凝动力学的研究现状

絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决下面两上因素：（1）是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸咐桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；（2）是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们一直未搞清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因，并用下面公式计算速度梯度：（略）

式中P为单位水体的能；μ为液体的动力粘滞系数。由于上面公式是在层流的条件下导出的，它是否适用于流态，一直是人们所关心的湍流的絮凝池。这个问题一直未有结论。实际上，上面公式是层流条件下的速度梯度。对于湍流来说由于湍动涡旋的作用，大大地增加湍流中的动量交换，大大地均化了湍流中的速度分布，所以湍流中的速度梯度远远小于上式计算的数值。既然如此，上面公式在给水处理的工程界中为什么可以用了半个世纪呢？因为上面公式中P（单位水体能耗）这一项与湍流中的微涡旋有着密切关系，从后面文章内容我们可以看到，正是这些湍流的微结构决定了水中微小颗粒的动力学特性和它们之间的碰撞。通过几十年的工程实践人们积累了上面公式大量的经验数据，用此来指导工程设计当然不会出现大的问题。但上述公式对改善现有的絮凝工艺并没有任何价值。因为提高絮凝效果就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速。但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减小。

另一方面我们可以举出一个完全与速度梯度理论相矛盾的絮凝工程实例。网格反应池在网格后面一定距离处水流近似处于均匀各向同性湍流状态，即在这个区域中不同的空间点上水流的时平均速度都是相同的，速度梯度为零。按照速度梯度理论，速度梯度越大，颗粒碰撞次数越多。而网格絮凝反应池速度梯度为零，其反应效率应最差。事实恰好相反，网格反应池的絮凝反应效果却优于所有传统反应设备。这一工程实例充分说明了速度梯度理论远未揭示絮凝的动力学本质。

在絮凝的研究中，还有一个湍流研究学派用湍流扩散的时平均议程去计算颗粒碰撞次数。最后得到的结论与速度梯度理论基本相同，即湍流中颗粒碰撞次数随湍流能耗增大而增大。由于这种研究方法用的是湍流扩散时平均方程，因此就不能揭示湍流微结构在絮凝中的动力学作用。在诸如象絮凝动力学的研究中，把研究领域仅仅划分为微观与宏观已不够了。因为絮凝中的颗粒碰撞是与湍流中的微结构的动力作用密切相关，而微结构尺度，所以微观的分子运动完全不受湍流微结构影响，只与热力学系数有关。而宏观流动计算中人们关注的是时平均速度，时平均压强、时平均浓度，无法去揭示湍流微结构在絮凝中的动力学作用。因此在絮凝动力学的研究中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。上述絮凝的湍流研究学派正是因为采用统计时平均的宏观流动计算方法，所以就无法揭示絮凝的动力学本质。

二、絮凝的动力致因

有人认为湍流中颗粒碰撞是由湍流脉动造成的。这种认识不很确切。实际上湍流并不存在脉动，所谓的脉动是由于所采用的研究方法造成的。人们用流体力学传统的研究方法欧拉法进行研究，即在固定的空间点观察水流运动参数随时间变化，这样不同时刻有不同大小的湍流涡旋的不同部位通过固定的空间点，因此在固定的空间点上测得的速度呈现强烈的脉动现象。如果我们跟随水流质点一起运动，去观察其运动情况，就会发现水体质点的速度变化是连续的，根本不存在脉动。实际上水是连续介质。水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃。水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力，设颗粒的形状为球形，其半径为r0,颗粒与水流相对速度为v,水的密度为p，球形颗粒所受水力阻力Fd可按下式计算（略）

式中po为球形颗粒密度。如果略去因颗粒尺寸不同而造成的密度变化，由上式可见单位质量球形颗粒所受水力阻力随尺度增大而减少；即颗粒越大单位质量所受水力阻力越小。上面讲座虽然是针对球形的，但对非球形颗粒同样适用。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动，为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。

改变速度方法有两种：（1）是改变水流时平均速度大小，水力脉冲澄清池，波形反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝作用，主要就是利用水流时平均速度变化造成的惯性效应来进行絮凝；（2）是改变水流方向，因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运动方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿流涡旋的径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的。这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。下面来讨论这个问题。在湍流涡旋中取一个小的脱离体，显然沿径向方向作用在该脱离体上有两个力：一是离心力；二是压力的合力。两者相平衡。如果把坐标原点取在运动的涡旋的中心上，则可写成如下方程：（略）

由上面的理论论述可以看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。

增设小孔眼格网之后有如下作用：（1）水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强，颗粒碰撞几率最高的区段；（2）小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少。微涡旋比例增强，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；（3）由于过网水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。

三、矾花的合理的有效碰撞

要达到好的絮凝效果除有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞，使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞，使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题：（1）矾花长得过快其强度则减弱，在流动过程中遇到强的剪切就会使吸咐架桥被剪断，被剪断的吸咐架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应该被绝对禁止；（2）一些矾花过快的长大水中矾花比表面积急剧减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些小颗粒与大颗粒碰撞几率急剧减小，很难再长大起来。这些颗粒不仅不能为沉淀池所截留，也很难为滤池截留。絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢虽然密实，但当其达到沉淀池时，还有很多颗粒没有长到沉淀尺度，出水水质也不会好。由此看到在絮凝池设计中应控制矾花颗粒的合理长大。

矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸咐架桥的联结能力；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸咐架桥的联结能力是由混凝剂性质决定的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保证絮凝效果。

应该指出，水处理领域内流动的动力相似并没有真正建立起来。很多的小试、中试的试验结果在生产试验上无法重现，甚至完全失真。这其中的根本原因是由于尺度放大后其流态发生了变化，甚至是根本的变化。由于人们对其决定性的动力学因素认识不清，就不知控制什么样的动力学因素，故此也就不能真正建立起水处理工艺中的动力相似。由上面讨论我们看到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素，如果在大小两个不同的絮凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有同样联结强度的矾花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在。这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。湍流剪切力是由湍流涡旋造成的。设想一个矾花位于湍流涡旋之中，由于此涡旋外侧流速大，内侧流速小，因此位于其中的矾花颗粒受剪，此剪切力主要取决于涡旋尺度与涡旋强度，显然涡旋尺度越小，涡旋强度越大，涡旋对矾花的剪切作用越强。湍流中充满着大量大大小小的涡旋，因此涡旋尺度是随机的。这里所说的涡旋尺度可用均匀各向同性湍流中涡旋尺度统计特征物理量涡旋积分比尺代表，可以认为它是湍流中最大涡旋的特征尺度。它主要取决于流动空间尺度与流动速度两个因素。流动空间越大，涡旋尺度越大；在同一空间尺度下流动速度越大，涡旋尺度越小，由此可以认为湍流剪切力与流动空间尺度成反比，与流动速度成正比。而涡旋强度与流动速度成正比，这样就有下面关系：