分布参数系统

[拼音]：fenbu canshu xitong

[外文]：distributed paramenter systems

状态变化不能只用有限个参数而必须用场（一维或多维空间变量的函数）来描述的系统。在实际问题中，参数的分布性质是普遍存在的。在很多情况下可以部分甚至全部地忽略这种分布性质，以便简化对问题的研究。例如，对于一个有质量分布的弹性飞行器，在研究它的扭转运动时，必须考察其内部各点的运动，把它当作分布参数系统。但在研究它的运动轨线时，就不必逐点考虑其内部运动，而把质量集中到质心来分析，即把它当作集中参数系统。可以用有限个变量描述的系统，称为集中参数系统或集总参数系统。分布参数系统的典型实例有：电磁场、引力场、温度场等物理场，弹性梁型的运动体,大型加热炉,水轮机和汽轮机，化学反应器中的物质分布状态,长导线中的电压和电流等控制对象,环境系统（如污染物在一区域内的分布），生态系统（如物种的空间分布），社会系统（如人口密度分布）等。此外,若运动过程包含因在某种场内传递而造成的时滞,则这种时滞系统也属于分布参数系统。分布参数系统广泛应用于热工、化工、导弹、航天、航空、核裂、聚变等工程系统，以及生态系统、环境系统、社会系统等。

发展概况

1954年钱学森在《工程控制论》一书中讨论了热传导过程的分布参数系统问题，最早使用了无穷阶传递函数的概念。1961年А．Г．布特科夫斯基以热轨钢问题为背景，讨论了分布参数系统的最优控制问题。1964年王耿介研究了分布参数系统的稳定性、能控性、能观测性、最优控制等问题。在这之前，J.L.莱恩斯在现代泛函分析和偏微分方程理论的基础上，对分布参数系统理论进行过广泛深入的研究。随后宋健、关肇直等人对分布参数受控对象和集中参数控制器互相耦合的分布参数控制系统从理论上进行了系统的研究。在分布参数系统理论的发展过程中，频率域方法与时间域方法是并行发展的。从20世纪60年代开始它们有了很大发展。现代偏微分方程和泛函分析理论成果的应用，为分布参数系统建立了严格的理论基础，提供了有力的研究工具。在分布参数系统的镇定、最优控制、能控性和能观测性以及分布参数的辨识和滤波问题上，都已取得类似于集中参数系统的成果，也可认为是集中参数系统相应结果的推广。但在这个领域中可用来解决工程实际问题的成果还不多。

控制方式

受控对象或控制器需要用分布参数描述的控制系统称为分布参数控制系统。在工程技术中除受控对象外，控制装置或执行机构也可能是分布参数系统。例如当液压或气动执行机构的油路或气路结构复杂且线路过长时，在其运动规律中必须同时考虑流体(工作体)本身的状态变化，这种变化状态也是由分布参数描述的。但这种情况常常不是所希望的。分布参数控制器由于难以实现而很少采用。大量的情况为受控对象是分布参数系统，而控制器是集中参数系统。分布参数控制系统有三种控制方式。

（1）点控制方式：将控制作用加在控制对象的几个孤立点处。

（2）分布控制方式：将控制作用加在控制对象的几个区域内。

（3）边界控制方式：将控制作用加在控制对象边界上。这种控制又有点控制和分布控制之分。类似地，测量方式也可分为点测量、分布测量和边界测量。

系统特点

自动控制理论中关于集中参数系统的几乎所有研究课题，包括稳定性、传递函数、能控性、能观测性、最优控制（见最优控制理论）等，也都是分布参数系统中所要研究的内容。集中参数系统用常微分方程描述，而分布参数系统是用偏微分方程描述的。为确定分布参数系统的运动，除系统的初始条件外还需要知道边界条件。下图表示墙的一维热传导控制过程。墙厚为l，热传导系数为k，热容量为c；x为沿厚度方向的坐标,t为时间变量。墙左侧（x＝0处）的温度u(t)为控制量,右侧(x≥l处)为绝热壁。墙内各点的温度为y(t，x)，它满足如下抛物型偏微分方程：