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数学建模稳定性分析精选(九篇)

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数学建模稳定性分析

第1篇:数学建模稳定性分析范文

关键词:智能控制;模糊控制;模糊理论

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2017)01-0010-02

随着科学技术的迅猛发展,模糊控制技术已经在世界上普遍的应用,是当今先进的智能控制方法之一。虽然模糊控制理论的提出距今只有几十年时间,但由于它具有不需被控对象的精确数学模型、速度快、鲁棒性好等优点,使得它在某些应用领域具有不可替代性,研究性意义长远而悠久。

1 模糊控制理论发展研究

模糊控制是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用人的语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理输入输出过程的模型。相对于经典控制理论和现代控制理论,模糊控制理论能避开应用中需要建立被控对象的精确数学模型,处理一些无法建模和无法精确化的问题。

模糊控制理发展初期在西方遇到了很大的阻力,西方学者普遍认为模糊控制在应用研究中意义不大。然而,在东方尤其是日本,模糊控制却得到了迅速的发展,20世纪80年代,日本的工程师用模糊控制技术首先实现了对一家电子水净化工厂的控制,又开发了仙台地铁模糊控制系统,创造了当时世界上最先进的地铁系统,而这引起了模糊控制领域的一场巨变,使得西方又开始重视模糊控制理论[1]。

模糊控制的研究主要集中在控制器的研究和开发上,目前模糊控制器已经在很多领域有了广泛应用。当前市场上存在的控制器种类繁多,出现了为实现模糊控制功能的各种集成电路芯片。由于模糊控制存在的缺陷,学者对模糊控制与其他智能控制的结合进行了研究,效果也明显优于常规控制器。

2 模糊控制过程及特点

2.1 模糊控制过程简述

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control),是指在控制方法上应用模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理,通过模拟人脑思维,对一些无法建立数学模型的过程进行控制的一种计算机数字控制技术。

基本的模糊控制系统一般由模糊化、模糊推理、解模糊三部分组成,如图1所示,模糊化即将相应的模糊控制器的输入量转换为符合人类规则的模糊语言变量,此语言变量可由隶属度函数确定。

一般的模糊控制器采用误差(e)及误差变化(ec)作为输入语言变量,而模糊推理是基于专家的知识及日常经验制定的相关规则,这些规则是一些条件语句,它们通常用IF A THEN B表示,调整和校准模糊规则是模糊控制中的关键环节。解模糊是模糊系统的重要组成部分,是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量。常见的方法主要有最大隶属度值法、面积平均法、重心法等。一个好的模糊控制过程就是选用合适的隶属度函数进行模糊化,运用合理的推理方法得到结论,采用适当的解模糊方法还原出精确量。

2.2 模糊控制的特点

模糊控制系统模拟人的思维进行模糊规则的构建,易于理解、设计简单,调整和校准控制规则相对方便。其次,模糊控制具有控制速度快、鲁棒性好的特点。模糊控制的上升特性比其他控制方法好,干扰和参数的变化对控制效果的影响被大大削弱,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。专家在控制策略制定时对进行模糊控制本身具有自预测能力进行了充分的估计和预测。

模糊控制优点很多,但是短板仍然不容忽视。1)模糊控制是将控制变量进行了模糊化处理,将精确量转换为了模糊规则语言变量,这一转换必然会导致控制的精度降低,使动态控制的质量变差。2)控制器的设计缺乏系统性,这是由于模糊规则及其隶属度函数的制定是基于专家的知识和经验导致的,人类对自然界的认识是有限的,我们不知道专家所制定的模糊规则是不是全面且准确的,进而无法避免意外事件的发生,模糊控制仍有较大不足。

3 模糊控制稳定性分析

稳定性分析是模糊控制过程的基本问题,由于模糊控制规则的制定及隶属度函数的选取都是基于专家的知识与经验,其稳定性分析不如常规控制器来得容易。T-S模型的提出及在其模型下的模糊控制稳定性分析研究近些年有了显著进展,通过使用T-S模糊模型对非线性系统进行建模,可将非线性系统模型表示为一系列线性系统模型的加权平均,因此可以使用线性系统理论来分析模糊控制系统的稳定性和控制设计问题,这给控制理论研究尤其是模糊控制的研究带来了非常重要的影响[2]。

4 模糊控制的硬件发展

模糊控制设计方法越来越多,也越来越完善,但是无法满足对实时性要求非常高的控制条件,这时常用硬件来弥补。1992年,德国Inform公司和西门子公司联合研制生产出了FUZZY-166,被称为第三代模糊微处理器。Neural Logic公司生产的NLX220,主要用于模糊识别,而且该公司还生产有很多专用模糊芯片。另外,日本的欧姆龙公司投入市场的模糊芯片已有FP1000,FP3000,FP5000和FP7000等多种,它们都是数字式模糊处理器,其中,FP5000的处理速度可高达1千万条规则每秒,可以说技术相当先进[3]。

5 结语

模糊控制理论在生产生活中的实际应用越来越多,包括工业控制领域、家用电器、自动化领域和其他诸多行业,解决了传统控制方法无法解决或者难以解决的问题,取得了令人瞩目的成果,其最大的贡献就在于它不需要建立确定的数学模型,这给人类的智慧直接运用到控制领域搭好了桥梁。

模糊控制虽然发展迅速,但是在某些领域,它并不及常规控制效果好,而且模糊控制系统的稳定性问题至今仍然没有被完全论证。目前模糊控制理论研究仍然滞后于实际应用,这是由于人类的某些经验无法量化导致的,因此我们应该加强相关理论的研究,让理论促进实践的发展,这样才可以使人类智慧系统化地服务于整个社会的进步。

参考文献

[1]彭勇刚.模糊控制工程应用若干问题研究[D].杭州:浙江大学,2008.

第2篇:数学建模稳定性分析范文

【关键词】单相SVG 数学建模 仿真

1 SVG动态建模

图1所示为SVG动态控制的结构框图。其中,IQ*为无功电流的幅值指令,ie*为总电流指令,ie为电流反馈, Gi(s)为电流环调节器,G1(s)为PWM变换器的传递函数,Gdc(s)为直流侧电压近似控制传递函数。直流母线电压环的设计是为了保持直流母线电压稳定,直流母线电压指令Udc*与直流母线电压反馈Udc的偏差经调节器Gv(s)后产生SVG有功电流的幅值指令IP*,SVG有功电流与无功电流的相位均通过对前级负载电压UL锁相得到。

2 仿真结果与分析

根据上文设计的调节器在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,仿真参数:电流的指令是20A,直流母线电压的指令400V,仿真时间0.5S。 电流环的仿真结果如图2所示,从图中可以得到电流反馈跟踪指令效果良好,二者波形完全一致,且调节器的响应速度快。图3所示为电压环的仿真结果,可以看到直流母线电压反馈能够很好的跟踪指令,稳定性好,母线电压幅值上下波动不超过1V,可以证明在误差允许的范围内设计的调节器可以使直流母线电压维持恒定。

3 结论

本文主要建立了单相SVG的动态数学模型,设计了电流环与电压环两个闭环,对建立的动态调节器在Matlab/Simulink仿真平台进行了仿真验证,结果表明设计的调节器可行,且系统动态响应速度快,跟踪良好。

参考文献

[1]熊桥波,罗安等.链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析[J].电力系统自动化,2014,38(03):25-29.

[2]王兆安,杨俊等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3]胡寿松等.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007.

作者简介

刘翠翠(1991-),女,山西省临汾市人。工学硕士学位。主要研究方向为静止无功功率补偿。

第3篇:数学建模稳定性分析范文

微结构光纤偏振拍长的宽带稳定性及传输特性

混凝土三排孔砌块墙体传热系数分析

基于多目标权衡的数据网格作业调度算法

广西某边坡监测及其结果分析

一类高阶线性差分方程的全局稳定性

基于Matlab模型异步电机控制代码的开发

岩溶地区桩基嵌岩缺陷的分析及处理措施

涉及分担值的亚纯函数正规定则

粘贴碳纤维布梁自由振动分析的精细积分法

共轨式喷油器容积腔压力波动仿真分析

营养物与污染对海洋生态系统的影响研究

带拱式转换层结构的弹塑性时程分析

基于分块法的人工髋关节模态分析

持荷状态下钢绞线腐蚀及性能退化研究

CFRP板加固受弯钢梁性能试验研究

混凝土中氯离子扩散场的补偿长度

2n阶常微分方程边界问题解的存在性

双对称的线性方程组的迭代算法

导数具有截断分担的亚纯函数

离子液体在反应-分离过程耦合中的应用

一类创新产品扩散模型的稳定性分析

基于FPGA的二次群复接器的设计与仿真

基于ARM控制器的车用CAN通信节点设计

提高驱动桥壳热成形模使用寿命的探讨

曲柄摇杆机构的运动仿真实现

基于单片机控制的励磁调节器的研制

硬胶囊充填机嵌入式控制器设计

野生毛葡萄皮中原花青素提取工艺研究

层次分析法在人员招聘中的应用

高校行政人力资源管理改革初探

MathCAD在机构运动可视化分析中的应用

加固混凝土梁的有限元分析及优化设计

三轴平衡悬架载货汽车平顺性建模研究

薄板弯曲问题分析的样条有限点法

语音控制机器人的研究及实现

混凝土多排孔小型砌块的力学性能分析

基于PLC焦化出焦除尘控制系统的设计

线性矩阵方程的有解条件和解的结构

汇率变动对外币借款成本的影响分析

模糊数学综合评判法对粘土划分的探讨

基于相关集合的事务数据库挖掘

复杂铸件三维温度场有限元分析

基于FPGA时分复用数字基带通信系统的设计

铸铝母线加工专用机床—立式锯铣床的设计

同步脉冲泵浦下信号脉冲整形的研究

铝—硅胶粉末复合材料快速成形试验初探

车用柴油机进气系统的研究进展

第4篇:数学建模稳定性分析范文

【关键词】计算机控制技术;教学改革;系统建模;数据驱动

0 引言

随着计算机技术的飞速发展,计算机控制技术被广泛应用于工业生产、电子通讯、机械设备等各个领域。因此,许多高等院校都开设了《计算机控制技术》这门课程,它是以自动控制原理为基础,以计算机控制技术为核心,综合测控技术、可编程控制技术、计算机网络技术等的综合性学科,致力于培养企业生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化的专业人才。计算机控制技术本身的特点决定了可以利用软件来实现控制算法,通过强大的的运算功能和逻辑判断功能来实现最优控制、自适应控制等连续控制系统难以胜任的复杂规律[1]。鉴于《计算机控制技术》课程的重要性,对课程教学的研究、探索和实践是十分必要的。

近年来,随着互联网、物联网、云计算的迅猛发展,由“人、机、物”三元世界在网络空间(Cyberspace)中交互、融合所产生的数据多元化将当今的信息社会推向了“大数据”时代[5],大数据的涌现正逐步改变人们的生活和工作方式、企业的运营模式,IBM公司提出了“智慧地球”的理念,德国提出了步向“工业4.0”的目标,今年总理在政府工作报告上也提出了“互联网+”的概念。同时,大数据也吸引了不少学术界的广泛关注,2008年,英国《自然》杂志推出大数据专列,专门探讨“P8时代的科学”以及科研形态的变化,指出:“数据为准绳的理念指导,以及强大的计算能力支撑,正在驱动一次科学科学方法的革命”。美国《科学》杂志也在2011年推出专刊“Dealing with Data”,围绕“数据洪流”展开讨论,将大数据深度分析作为未来研究的重要突破点[2]。所以顺应时代的潮流,将“大数据”的思想融入到《计算机控制技术》的教育改革,既是一项严峻的挑战也是一个宝贵的机遇。

1 课程教学中的普遍问题

《计算机控制技术》课程所涉及内容丰富,大体可以分为控制系统和计算机系统两大方向。具体的内容主要包括如下几个方面:①以控制理论为主体,阐明离散系统和连续系统在建模、推理、结论上的区别;②将计算机系统与控制系统进行融合;③传统控制论优化算法及其仿真模拟;④智能算法、模糊识别的应用;⑤微型计算机的嵌入式开发,如ARM、PLC、等;⑥计算机系统的软件开发等[3]。

目前,多数院校对于《计算机控制技术》这么课程,主要采用“以课堂为主,实验为辅”的教学模式,加上该课程是一门专业性和综合性较强的学科,涵盖的内容较多,所以学生在学习过程中普遍感到吃力[4]。此外,课程教材和参考书种类众多,但内容并不统一,基本分为偏重理论教学和实际工程应用两大类。然而,真正能运用到当今主流的大数据、云计算相关技术的并不多。所以,基于上述问题,对目前《计算机控制技术》教学中存在的不足总结如下:

(1)数据的概念不强

目前,许多院校对于《计算机控制技术》这门课程的重心停留在理论授课上,即使开设的实验课程还是以演示性为主,如A/D转换实验。学生没有系统的将所学知识转化为实践,更谈不上对实验数据的信息进行有效的存储,并结合所学习的理论知识对其进行分析和验证。此外,对于当今主流的数据挖掘算法,提供相应的实践机会较少。

(2)传统建模思维的束缚

传统控制理论过于依赖模型的建立,为了保证所建立模型的精确性,模型的阶次有时会变得很高,基于高阶系统模型的控制器设计、稳定性分析等问题就会变得很复杂。事实上,数据只是为了辅助算法,实现对模型进行较好的评估和预测等功能。

(3)数据挖掘算法的普及不深

利用计算机技术对大数据进行挖掘分析,发现蕴含的知识,研究运行的规律和发展的趋势是挖掘网络大数据的深层价值和实现社会行为可计算的主要途径[5]。然而,许多院校在《计算机控制技术》这门课程中,并没有在数据驱动这个方向上进行改革和突破。

值得注意的是,很多院校对《计算机控制技术》教学的思维方式还停留在工业时代,即以控制系统相关学科作为理论基础,再通过科学实验来强化学生在计算机软硬件方面的学习。但是随着信息技术的快速发展,“物联网、云计算、大数据”的提出,迅速取代了人们对于传统行业的认知。所以,有必要借助“大数据”的思维方式来思考《计算机控制技术》的课程改革。

2 基于“大数据思维”的《计算机控制技术》课程教学改革

在传统建模仿真研究中,数据不是模型的本体,它只是为模型的仿真运行提供基础条件。然而,随着大数据的迅速发展,由“人、机、物”三元世界的互相交融将数据的来源也变得多元化,通过仪器采集、网络存储、仿真模拟生成等方式来获取数据,所以数据对建模的作用也愈发重要,并开始逐渐成为主导地位。只要数据足够大,只靠数据就可以完成科学发现,因此不再需要数学模型。这就是所谓的“数据优先”模式[2],一种由数据驱动的新模式、新思维。正如《连线》主编Chris Anderson所断言:“数据的洪流是传统科学方法变得过时,相互关系已经足够,没有了具有一致性的模型、统一的理论和任何机械式的说明,科学也可以进步”。换句话说,传统建模方法对于科学而言并不是必须的,大数据建模方法将会是一种新的科研范式。

2.1 将“数据驱动建模方法”作为思考问题的出发点

数据驱动的概念最早来自计算机科学领域,在设计过程中以数据库中的数据为导向,利用受控系统大量的在线、离线数据,实现对系统的评价、诊断、决策、调度及监控等功能[6],探索背后的科学规律。近年来,随着人工智能技术的发展,特别是机器学习领域,迅速丰富了经验建模方法。通过获得系统的各过程变量(输入、输出和中间变量)描述表达式,这种方法称为“数据驱动”建模方法。

基于实际工业生产系统的数学模型复杂、测控信号精度差且不完整、易受随机扰动的影响、状态维数高等特点,传统的建模方法,为了保证模型的精确性,模型的阶次会变得很高,这样研究系统的控制方法和动态特性会变得复杂,而利用“数据驱动”建模方法,将已知的输入、输出数据在线或离线学习计算与当前状态相匹配的控制量,再将模式识别、人工智能方法作为补充,从而满足系统的静态和动态性能要求。目前,利用“数据驱动”的思想建立研究对象的预测和控制模型是主流的趋势,而已经形成系统的建模方法主要有:线性/非线性自回归模型、神经元网络模型、基因算法模型、模糊人工智能模型、贝叶斯分析网络模型以及支持向量机模型等。

2.2 基于“数据驱动建模”的教学方法

一般来说,数据驱动建模流程可分为:数据初始化、变量的统计分析、算法模拟和模型的在线校正等过程。

(1)数据初始化

通常,数据的初始化大致可以分为数据的采集、选择、预处理。具体的步骤如下:①通过采集的数据,对数据结构有一定的认识,同时对数据辨识可能产生的问题及建模的复杂程度有所估计,从而决定适宜的训练模型。②对数据模型评估之后,即可以对数据进行选择,一般选取70%的比例作为算法数据,其余的30%数据作为测试数据;③选择好训练数据以及测试数据之后,为了能够获得较好地训练效果,必须对数据进行预处理,使其满足所选辨识方法的要求。例如归一化处理,填补缺失值,异常值检验等。

(2)变量的统计分析

通常,在完成第一步的基础上,需要结合统计理论方法对输入、输出变量进行相关性分析、主元分析等,以研究二者间的关联关系,从而对模型进行预估判断。此外,为了更好地定性分析,需要适当地增加与主导变量有关的辅助变量,通过机理、经验构造辅助变量与主导变量的数学关系,从而更好地对主导变量进行估计。

(3)算法模拟

在经过统计方法的分析之后,利用模糊识别、人工智能算法对训练数据进行回归分析,例如神经网络、支持向量机、贝叶斯网络等工具实现线性或非线性的预测逼近能力。然后再利用测试数据在预测模型上进行测试,得到的输出结果和目标数据进行比对,根据预先制定的统一规则进行评判。通过不断训练学习的办法获取输入、输出之间的函数逼近关系式,得到合适的模型。

(4)模型的在线校正

在线校正是数据驱动建模应用中不可缺少的一部分,尽管已有不少离线校正的方法,但在线校正的方法十分有限。因此,开发更多实用方法,以适应复杂工业过程控制的需要。判断预测模型的某个关键参数是否最优,其本质上就是如何对参数值进行调优,使预测模型的错报率最小化[7]。目前,解决参数寻优问题的研究成果主要有两种:①定期进行非训练样本与固定参数值得的错误率敏感性分析,依据敏感性分析曲线优化关键参数值,如交叉性验证技术、留一交叉验证法等;②根据知识经验或统计分析确定机器学习方法错误率的上界,并不断优化错误率的上界,使边界差距尽可能小,从而实现参数校正目的[8]。

3 结语

本文围绕“数据洪流”展开讨论,尝试对《计算机控制技术》进行教学改革,提倡培养“大数据”的思维对系统进行建模。通过调整教学内容,结合各种交互式教学方法,提出了一种基于“数据驱动建模”的教学方法,致力于培养学生的学术理论的融合贯通能力,技术创新思维和动手实践能力。

【参考文献】

[1]李元春.计算机控制系统[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]胡晓峰,贺筱媛,徐旭林.大数据时代对建模仿真的挑战与思考―中国科协第81期新观点新学说学术沙龙综述[J].中国科学:信息科学,2014,44(5):676-692.

[3]邢航,张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索, 2007,26(12):370-371.

[4]周欣欣,宋人杰,牛斗.《计算机控制技术》课程教学改革初探[J].东北电力大学学报,2008,28(3):29-31.

[5]王元卓,靳小龙,程学旗.网络大数据:现状与展望[J].计算机学报,2013,36(6): 1125-1138.

[6]候忠生,许建新.数据驱动控制理论及方法的回顾与展望[J].自动化学报, 2009,35(6):650-667.

第5篇:数学建模稳定性分析范文

关键词: 电力系统;电压稳定;静态分析法;动态分析法

中图分类号:TM712 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)1210159-02

0 引言

随着我国电力系统的高速发展,超高压电网以及特高压电网已经被投入运行,电力系统的电压稳定性问题更加引起人们的重视,人们对电网可靠性和供电质量的要求也在不断提高,因此对电力系统的电压稳定性进行分析具有着极其重要的实际意义。电力系统电压稳定问题的分析方法主要有静态分析法和动态分析法。静态分析法主要是通过系统潮流方程进行理论上的分析,而动态分析法则是通过各种仿真软件来进行更加直观的的分析。

1 静态分析法

电压稳定静态分析是将电压稳定看做是一个潮流方程是否存在可行解的问题,因此潮流方程的临界潮流解就被看作是电压稳定的极限。静态分析的技术已经比较成熟,这种方法能够很容易的给出电压稳定的裕度指标及灵敏度指标等信息。静态分析的基本模型就是电力系统潮流方程或扩展的潮流方程。静态分析的主要方法有灵敏度法、潮流多解分析法、连续潮流法[1,2,3]、奇异值分解(特征值分析)法[4,5,6]以及非线性规划法[7]等。以上各种分析方法在静态电压稳定分析中均用到的比较多,但是本质上都是将电力系统的潮流极限值来当作电压稳定的临界点。

2 动态分析法

随着人们对电力系统电压稳定性的不断研究,逐渐意识到对电压稳定不能只进行静态的分析,因为电压失稳在本质上是一个动态性的问题,在分析种必须充分考虑各种电气元件的动态特性,才能更深刻的分析电压失稳的过程及本质。电力系统中存在着大量的动态元器件,所以一定要准确的考虑各种动态元器件对电力系统电压稳定性的影响,而且要作基于非线性微分方程的动态分析。电压稳定动态分析法主要有时域仿真法和能量函数法等[4,7,8]。

1)时域仿真法

时域仿真分析法通常被用来分析电力系统的暂态电压稳定性,主要是用来分析电压失稳过程的动态特征和机理,以此来验证理论的准确性,以及其它电压稳定性分析方法的正确性。时域仿真分析法是以系统的非线性方程组为基础,保持系统的非线性特征且考虑系统中各元器件的动态作用,采用微积分方程的方法,利用各种仿真软件获取到各种变量随时间变化的波形图。目前电力系统动态仿真软件比较多,常用的主要有MATLAB、PSCAD/EMTDC、PSAPAC、EMTP/ATP、BPA和PSASP等。研究者们对电压失稳的机理认识是不同的,而且他们建立的仿真数学模型也会存在着很多不同点,因此他们对系统失稳的仿真结果经常存在的差异。时域仿真法考虑到了电网中功率的传送和电网负荷的极限,并考虑到了系统中元器件的动态特性,所以它是研究系统电压稳定性的比较严谨的分析方法,所以,在电压失稳原因还未不明确的时候,更应该用这种方法来分析系统电压失稳的原因。

2)能量函数法

能量函数法是速度很快就能确定系统稳定性分析方法,它是通过计算系统发生故障之后,能量值与临界能量值之差来分析系统的电压稳定性。能量函数法能够识别系统中的电压稳定薄弱区域,而且能比较系统之间的电压稳定性,但如果电网中的动态特性比较复杂且损耗较大时能量函数就会失准,所以这种分析方法目前局限于进行电压稳定性和电压失稳点的基础性分析。

3 仿真实例

本文以经典的WSCC三机九节点系统电网为仿真对象,如图1所示,利用使用时域仿真发来分析SVC对系统电压稳定性的影响。

图1 美国西部电网WSCC三机九节点系统

负荷突变是电网中非常常见的一种扰动,尤其是在工厂比较多的地方,或者是在季节交替的时期。此本仿真方案选取WSCC三机九节点系统的母线5、母线6和母线8为观察对象,当系统在时间t=2s时发生负荷突变,系统中的负荷均增长一倍。SVC的安装点被选取为母线5。仿真结果如图2到图5所示。

图2 系统负荷突增时bus5节点电压(未安装SVC)

图3 系统负荷突增时bus8节点电压(未安装SVC)

图4 系统负荷突增时bus5节点电压(SVC安装于bus5)

图5 系统负荷突增时bus8节点电压(SVC安装于bus5)

根据图2至图5可以得到以下结论:

1)当系统中没有安装SVC时,在发生负荷突变的瞬间,各母线电压会大幅的跌落,在经过一段时间的波动后稳定运行在一个较低的电压水平。

2)当系统中安装有SVC时,在系统发生负荷突增的瞬间,SVC会迅速响应向系统注入大量无功来有效地减小电压的跌落,从而能使系统电压在较短的时间内恢复稳定。

3)装设有SVC的母线,其电压恢复效果的最为明显,静止无功补偿装置SVC既能使它被安装的到的母线迅速恢复稳定,也能使其它母线电压迅速恢复。

参考文献:

[1]CRAIG A A,TAPAN S K.Determination of power system coherent bus groups by novel sensitivity-based method for voltage stability assessment.IEEE Trans.on Power Systems.2003,18(3):1157-1164.

[2]段献忠,电压稳定问题的激励和建模及使用算法研究,华中理工大学,1992.

[3]Tamura Y,Mori H et al.Relationship Between Voltage Instability

and Multipe Load Flow Solution in Electric Power System.IEEE Trans PAS,1983,12(5).

[4]周双喜、朱凌志、郭锡玖、王小海等,电力系统电压稳定性及其控制,北京:中国电力出版社,2004.

[5]Bogovic M.M,Phadke A.G.Voltage Stability Assessment Through Measurement of A Reduced State Vector.IEEE Trans.On PWRS,1990,5(4).

[6]Gao B, Morison G.K. Voltage Stability Evaluation Using Modal Analysis.IEEE Trans.on PWRS,1992,7(4).

[7]何仰赞、段献忠,再论电压崩溃现象的机理,电力系统及其自动化学报,1995,7(1).

[8]付英,电力系统静态等值和电压安全评估,四川大学,1996.

第6篇:数学建模稳定性分析范文

【关键词】机械制造工艺;可靠性;评价

0.引言

当今世界,各国经济飞速发展,知识竞争、人才竞争以及一个国家科研能力、创新能力的竞争俨然进入白热化状态。但是,一个国家整体的科技水平很大程度上还是要取决于这个国家的制造业水平,而在众多的制造业工艺类别中,机械制造是复杂性最强,有机整合度最高的相对最为完整的技术程序,机械制造业的发展关乎国家制造业的整体水平,也将影响国家整体的科技水平和综合竞争力。

机械制造技术举足轻重的地位决定了机械制造工艺尤为重要;而工艺产品能否按照设计按期保质保量的完成直接受到机械制造工艺可靠性的影响,因此,研究机械制造工艺可靠性也是意义重大。

1.机械制造工艺可靠性简介

1.1机械制造工艺的概念

制造是人类主要生产活动之一,机械制造业是制造业的主要组成部分。机械制造是一个很广阔的研究领域,类属于工业生产部门,涉及各种动力机械、起重运输机械、农业机械、化工纺织机械等各个领域。机械制造除了涉及产品的规划、制造和加工以外,还要对产品进行整体的养护、控制和售后服务。随着科学技术的发展和进步,机械制造工艺也愈加多元化、精细化,从事机械制造的人员也很好的变革新技术、新手段、新工艺和新方案。机械制造业为整个国民经济提供技术装备支持,其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一。

目前,我国机械制造业已经具有一定规模和技术基础,保证了我国国民经济的稳定增长,支撑着国家科研、创新等各种项目的实施。

1.2机械制造工艺可靠性的内涵

机械制造主要是运用各类技术装备,有机整合各种原材料、零配件、半成品,对其进行机械化处理以制造出新产品的过程。机械产品工艺可靠性则是针对产品设计而言,以科学理论为依据,分析产品设计的合理性,施工的难易程度以及控制过程中所要面临的问题和所需要做的准备。

机械产品的制造过程不光是生产产品的过程,也是机械产品制造工艺可靠性检验和实现的过程。机械产品可靠性不仅受到产品概念设计的影响,还会受到产品制造过程中各种客观因素的影响和限制。因此,在机械产品设计,制造的过程中,必须综合考虑各种因素对机械产品可靠性的影响,从而采取相关措施避免事故的发生,这样才能保证机械产品的可靠性。

机械制造工艺可靠性具备以下几点特征:第一,系统性特征;第二,综合性特征;第三,过程性特征。系统性反应了机械制造的有机整合性,也映射出机械制造可靠性需要采取系统的科学分析方法;综合性是系统性的延伸,其表现在机械设计与企业实际情况相结合的过程中,也表现在工艺可靠性与产品设计、制造、管理、维护等一系列因素的关联之中;过程性也可理解为机械制造的长期性,各个零部件有机整合的过程恰好反应出工艺可靠性需要在具体阶段具体分析的特征。

2.机械制造工可靠性评价体系

2.1评价体系的选择

评价机械制造工艺可靠性主要从四个环节入手:工艺故障发生率、工艺故障平均维修时间、工艺稳定性和工艺自修正性。这四个环节环环相扣才能对一个具体的加工过程全面客观地评价其可靠性水平。由于产品可靠性会受到多重因素的影响,所以在挑选评价体系的时候需要参考一系列的评定指标,这样得出的评价的体系才能在深刻理解机械制造过程功能的基础上定性定量的评价该产品制造工艺的可靠性。

为了合理准备的评价机械制造工艺的可靠性,可以将一系列评定指标与以下几点选择标准对号入座:

(1)完备性:该评价指标体系必须能够全面系统的描述机械制造工艺可靠性所涉及的要求与所规定的目标,与机械制造工艺可靠性所具备的系统性相契合。

(2)适用性:该评价指标必须能够适应机械制造的全过程,与机械制造过程中各个功能和时效以及各种模式相对应。

(3)可计算性:该指标体系必须能进行定量计算,要想细致入微地评价工艺可靠性,光靠定性分析不能达到很强的说服力,只有能在实际机械制造过程中进行定量计算才能定量评价可靠性效果,才能保证制造工艺的正确实施。

2.2可靠性分析的手段

机械制工艺可靠性分析一定不是一项简单的工作,它不仅需要工艺可靠性分析人员具备专业的技术基础,还要求分析人员能够统筹掌控各种影响可靠性的因素,诸如操作人员、生产机床、企业生产计划等多方面的内容。

目前较为成熟的几种机械工艺可靠性分析方法由以下几种:

第一、可靠性建模技术:可靠性建模一般指数学建模,以产品的工艺流程图为主要依据,合理构建铸造、加工等子流程,当一系列逻辑流程图建立完毕后再独立分析各子流程,即“由面到点,再由点到面”的建模思想,依据所建模型,找出影响可靠性的各种因素,解决存在的隐患问题,妥善安排预防事宜。

第二、.P-FMEA 技术:这一技术也被叫做工艺失效模型与影响分析技术。该技术核心所在是表格的建立,在对某个零件的工艺流程进行详尽分析后确定其风险优先数的P-FMEA,然后与预期的评分进行比较,若实际评分大于预期评分,就表明需要进行工艺改进,直至改进后的方案P-FMEA分值低于预订评分才能保证该机械制造工艺的可靠性。

3.总结

通过对机械制造工艺以及机械制造工艺可靠性的探究分析能够看出机械制造工艺可靠性的最大价值在于在生产制造过程,机械制造工艺的可靠性可以保证产品在投入最小的前提下最大化的满足需求和经济效益需求,从而达到利润最大化以及生产效益最大化。这不仅能够开源节流,促进企业良好发展,还能促进整个制造业乃至国家整体的科技飞速发展,为国民经济建设提供有力支撑。

目前,无论是机械制造工艺还是机械制造工艺可靠性的评价体系,都或多或少的存在不足之处,这就需要我们进一探究机械制造工艺可靠性的改进措施,完善机械制造工艺可靠性评价体系。利用更为前沿的技术加强对制造过程的控制,采用更为合理的评估体系来探究某一制造工艺的可靠性,同时要综合各类探究方法,无论是科研还是实践,双管齐下,提升工艺可靠性。着力解决不足之处,这样才能保证机械制造业的稳步发展。

【参考文献】

[1]刘振虎.机械制造工艺的可靠性评价[J].工程与技术,2012(11):34-35.

第7篇:数学建模稳定性分析范文

关键词:重复控制;电流环;参数设计;内模原理;滤波器

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)12-183-02

Research of Improved Repeated Controller

YANG Zhaohui,ZHANG Jing,LIANG Baojuan

(School of Electronic and Control Engineering,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:A kind of novel improvement type repeated control strategy is put forward,weakness of the traditional repeated controller mold inside uses an excessive data saving space is overcomed.The model of new controller is analysed in detail,controller′s optimal design method is given.Joining wreath inside of current in the design,using the current feedback of henrymeter to lower resonance voltage maximum value of output filter,the stability of system is increased,the design of repeated controller is paring with direct traditional repeated controller,it removes North filter,makes up the difference of North filter valley point is inaccuracy.

Keywords:repeated control;current wreath;parameter design;inside mold principle;filter

随着信息产业的高速发展,UPS作为一种恒频、恒压、纯净、高质量的电源,已经成为许多重要用电场合必备的辅助电源。UPS系统的核心是正弦波逆变器,它的调节指令是周期性的正弦波。传统的PID控制并不能获得良好的控制效果。重复控制方法的提出解决了这一问题。

1 传统重复控制

内模原理指在一个闭环系统中,如果受控系统本身是稳定的,并且开环传递函数包含外部输入的数学模型,那么系统的稳态误差为零。对于一个周期为T的输入信号或干扰信号,有:

r(t)=r(t-T)(1)

式中:当-T

模型如图1所示。将该模型串联插入控制对象传递函数的主通道;如图2所示,就可以构成一个以T为周期输入的没有稳态误差的系统。

图2系统满足以下稳定性条件和误差收敛速度:

|H(z)|=|zN|=Q(z)-Gp(z)

|e(z)|=|e(z+N)|=|zNe(z)|=

|H(z)|•|e(z)|(3)

图1 重复控制器内模

图2 重复控制系统

图3是完整的传统重复控制系统框图。系统采用传统重复控制器的设计方法,能获得很好的稳态特性和一定的误差收敛速度。由于动态响应速度慢,占用很多数据存储空间,在此提出的重复控制改进方案可以很好地解决存储空间多的问题。

2 改进型重复控制器

由于正弦波逆变器闭环参考输入是正弦波,不仅具有周期性,还具有半周期的负对称性,其控制原理图如图4所示。

图3 传统重复控制系统框图

图4 改进型内模原理图

由图4可见,由于该改进型内模输入和输出在同一通路上,不仅没有一个基波周期延迟效应,而且还减少了一半的数据存储空间,同样可以实现正弦波输入时的无静差。根据欧拉公式,当ω=2(2k+1)πf=(2k+1)ωs时,内模有无限大增益。因此,它是一个奇次谐波发生器,能对奇次谐波实现无静差的跟踪,可以用作奇次谐波补偿。 图5所示为改进内模后重复控制系统。

图5 改进内模的重复控制系统

2.1 稳定性分析

上述系统稳定须满足以下条件:

(1)Gp(z)稳定,根据内模原理,在不加入内模时,系统本身Gp(z)必须是稳定的;

(2) Q(z)稳定,Q(z)的作用本身是改变内模临界稳定的特性,加入的Q(z)自身应该是稳定的;

(3) 满足条件Q(z)-Gp(z)

2.2 稳态误差分析

假设误差也是周期性,离散的周期为N,则因每半周期做一次补偿,所以对于周期性误差,满足:

|e(z)|=|e(z+N)|=|zNe(z)|=|zN/2|•

|zN/2|•|e(z)|=|H(z)|•2|e(z)|(4)

对比式(3),理想情况下(|H(z)|=0)系统仍然需要一个基波周期才能将误差收敛到0。但是非理想情况下(0

2.3 电流负反馈特性分析

根据重复控制系统设计原理,首先需要对逆变器进行建模。逆变电源忽略了开关管的影响和电压传输中的高频脉动,可以认为开关部分是一个理想的功率放大器,他的动态模型由LC滤波器决定,可以等效为二阶模型。

如果采用电感电流负反馈,同样可以实现降低谐振峰值,提高系统稳定性的目的。加入电感电流负反馈后的等效逆变器控制框图如图6所示。

图6 电感电流负反馈逆变器等效框图

3 系统参数的优化设计

采用改进型重复控制完整系统框图如图7所示。它以直接重复控制为原型,采用改进型内模,同时加入电感电流负反馈内环的结构。

图7 改进型重复系统完整控制框图

图7中各参数参考传统重复控制器命名,忽略干扰,完整系统的闭环系统输入到误差的传递函数为:

Q(z)-Krs(z)GPC(z)

设计方法同传统重复控制,即:

(1) 确定一个周期内的采样次数,决定N;

(2) 为简单起见,选取Q(z)=0.95;

(3) 对逆变器进行建模,适当选取电感电流负反馈系数Ki,建立等效逆变器模型GPC;

(4) 设计能产生同GPC对消的补偿器S(z),满足稳定性要求式(5)。由于谐振峰值已经降低,无需设计Notch滤波器,而S(z)在设计时截止频率可以提高,可以看出S可以提供更快的高频衰减;

(5) 根据S(z)和GPC(z)所产生的相移,设计相位补偿zk;

(6) 调整开环增益Kr以获得最佳控制效果。

4 结 语

由于重复控制本身具有占用过多数据存储空间的缺点,在此提出这种内模改善策略,使得重复控制和其他高级控制相结合使用更加方便。结合电流内环控制原理,在SPWM逆变器控制中加入电流内环,它不同于嵌入式改进型重复控制算法,直接将重复控制作为PID的从控制,而是通过电流内环来改善系统的稳定性。

参考文献

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[3]毕查德•拉扎维.模拟COMS集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2002.

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[8]夏得衿,翁贻方.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,2002.

[9]郑耀添.并联均流技术在高频开关电源中的应用研究[J].微电子学与计算机,2006(6):169-171.

第8篇:数学建模稳定性分析范文

摘要

用能量方法研究了跳跃振子的平衡与分岔.用势能驻值条件确定了平衡位置所满足的方程,通过势能极值判断平衡的稳定性.在不同的弹簧构型下,数值计算了平衡随系统弹性刚度和质量比变化的分岔图.结果表明,弹性刚度和质量比较小时,系统只有一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点;刚度和质量比充分大时,系统分岔出一个新的稳定平衡点和一个新的不稳定平衡点.

关键词

能量采集器,跳跃振子,平衡,分岔,稳定性分析

Thompson等[1]最早提出跳跃(snap-through)振子作为屈曲的模型.跳跃振子由2条斜向线性弹簧,1个阻尼器及1个质量块组成,如图1所示.跳跃振子有多种应用.Brennan等[2]用跳跃振子建模昆虫飞行机理,与线性系统比较后确定了动能的峰值.Cao等[3]研究跳跃振子斜置弹簧水平的极限情形,成为典型的光滑但不连续的系统.特别是近年对非线性能量采集器的广泛研究中,跳跃振子作为一种非线性实现方式而受到人们重视[4].McInnes等[5]采用随机共振来增强含跳跃振子的动能采集器,仿真表明在随机激励下所采集能量有显著增加.

Ramlan等[6]提出了非线性双稳态跳跃振子,研究表明当激励频率远小于自然频率时,这种装置将获得更多的能量.Li等[7]基于跳跃振子设计一种电磁式能量采集器,并用数值方法研究了在简谐激励下的周期和混沌运动.Jiang等[8]提出了基于跳跃振子的非线性压电能量采集器,并用解析和数值方法分析了从随机振动中采集的电功率随相关系统参数的变化.

尽管跳跃振子已经有大量研究,但在以往的工作中往往都忽略了质量块自身重力的影响,从而认为系统有2个稳定平衡位置,它们关于2个弹簧在框架上连接点的连线对称.本文从能量角度分析,确定了平衡位置,并判断了稳定性.进而通过数值算例考察了系统的静态分岔.

1平衡点及其稳定性的能量分析

在图1所示系统中,因为阻尼器不影响平衡位置,可以在确定平衡位置时忽略,从而将系统作为保守系统.设振子的关于2个弹簧在框架上连接点的连线位移为x,质量块质量为m,弹簧的刚度为k,弹簧无变形时斜线的长度为L,框架中心与边缘的距离为l.质量块m受刚性杆约束做直线运动.系统的势能为重力势能和弹性势能之和.重力势能的零势面取为2个弹簧在框架上连接点的连线所在水平面,弹性势能原点为弹簧原长.

2静态分岔的数值算例

在以下计算中,装置边缘与中心的距离取为l=0.04m,重力加速度g=9.8m/s2.在本文的计算中,对于不同的无量纲参数度趋近于1的4种情形.图中实线表示稳定平衡点,虚线表示不稳定平衡点.从上述计算结果可知,系统在2个弹簧在框架上连接点的连线下方有1个稳定平衡和1个不稳定平衡,这对平衡点对任意参数都存在,其中稳定平衡的位置随着ω20的增加迅速趋于连接点的连线,且λ的增加加快这种趋近.对于充分大的ω20,在2个弹簧在框架上连接点的连线下方也有1个稳定平衡和1个不稳定平衡,λ的增加使得出现这对平衡点需要ω20的值增大,而新出现的稳定平衡更靠近连接点的连线.存在2个稳定平衡位形时,这2个平衡点也并非关于连接点的连线对称.

3结论

第9篇:数学建模稳定性分析范文

关键词:农业经济;农业经济问题;分析方法

一、我国农业经济问题的现状

从现实状况看,近年来,我国农业经济取得了稳定的发展,农村的建设以及农民的生活都有很大的变化,各级政府也十分重视农业发展和农民增收问题。但是,仍然存在一些因素阻碍我国农业经济发展,这些新因素的出现影响了农业生产,减少了农民的收入,提高了农民生产的风险。比如农村劳动力不足、农业生产成本大幅增加、农业市场信息滞后等问题。首先是近年来,随着农村劳动力向城市迁移,从事农业活动的劳动力无论从数量还是质量上都有明显的下降。农村劳动力不足的直接影响便是生产能力的下降,长久以往,将严重影响我国的农业经济发展,所以必须重视这个问题。其次是随着我国经济的飞速发展,物价持续走高,农业生产的成本也在大幅的上涨。农业生产成本的上涨直接导致了农民收益的下降,这将进一步加重之前提到的农村劳动力不足的问题,这是极不利于我国农业经济发展的。最后是农业市场信息滞后,就是农业市场的发展不健全,信息传递滞后。如果农民能提前知道当年的市场情况,那么他们可以有效规避风险,防止损失的发生。然而我国在这方面的工作并不到位,这便导致了一些农民跟风种植,最终对农民的利益造成了巨大的损害。

二、农业经济问题的分析方法

(一)定性分析与定量分析

定性分析是感性认识上升到理性认识的过程,并从中发现事物的本质和规律性的一种分析方法。它主要运用抽象思维能力,通过对实际调查并取得大量客观事实材料进行加工提炼,去其糟粕、取其精华的一种方法,通常被用于相互作用事物的研究中,主要是分析、解决研究对象中有没有或者是不是的问题。在研究农业经济问题方面,首先是在进行大量的社会调查基础上,取得最新资料,运用抽象思维法对取得材料进行分析,找到问题所在,抓住主要矛盾,运用已掌握的理论知识对其进行分析,最终找到解决问题的具体对策和方法,或者从中找出新的规律并形成新的理论,并用于指导新的实践。定量分析是说明事物是如何变化的以及现象变化的过程与形成的结果是怎么的一种关系方法,是利用数据进行统计学处理,将经济现象的有关数据和其变化程度实行量化,其特征都表现为一定的量的存在或以不同的量的变化引起变化的过程,。

(二)综合系统分析

综合系统分析方法是运用系统论和系统工程科学知识为基础,立足于整体、着眼于综合,主要从各部分结构如何经过相互组合的方式形成整体和具体演变过程,综合考察分析其内部的相互关系,进一步揭示整个系统的内在联系和运动规律的一种方法。其特点一是根据整体功能大于部分功能之和的原理,把整体作为目标,着眼于整体和全局,实现整体到局部的分析方法。二是以系统的观点,根据多层次及其相互联系的系统结构,利用综合方法,理解分析整体与部分、整体与外在环境之间的关系,充分证明事物存在和发展的规律。

(三)宏观分析与微观分析

宏观分析是指大的方面或总体方面的分析,其研究的出发点和领域是针对宏观整体性而言的,可以理解为从整个国民经济总体的基础上,研究农业经济问题的过程。微观分析,是指小的方面或局部方面的分析,其研究的出发点和领域是在国民经济中局部小范围或个别农户为对象的基础上,研究农业经济问题。

(四)静态分析与动态分析

静态分析是指对一种事物横断面的一种状态分析,其特点是不考虑时间因素所引起的变动,不考虑均衡变动过程,只考虑在一定时期内,各种变量之间的相互关系。动态分析是一种时间序列分析,是过程分析,与静态分析相比较,其主要特点是引入时间因素,同时涉及因时间因素所引起的变动,考察在不同时期中各种变量变动情况。动态分析研究的是过程分析研究,主要体现在经济现象的发展变化,而静态分析研究的状态是经济现象相对静止的。

三、以上分析方法在实际经济问题中运用的探讨

(一)定性分析与定量分析法的运用

在实际经济问题分析过程中,定性分析为定量分析提供基础,定量分析的结果要通过定性分析来解释和理解,例如在《中国农业经济增长的空间效应分析一文》中回顾目前最前沿的经济增长理论和空间计量经济学方法,推广增长模型,将气候变量纳入增长模型;进行数据收集和整理,运用ArcGIS的测算地理影响因素;运用OLS、SpatialLag、SpatialError、SpatialDurbinModel等实证分析农业经济增长中的空间效应分析,着重分析空间溢出性和收敛性等方面,研究空间效应是加强还是减弱。就将定性分析与定量分析结合,规范研究与实证分析结合,以定量和实证分析为主,其中在实证中运用ArcGIS插值方法获取气温和降雨量的数值,进行全局和局部空间自相关检验及空间稳定性的邹氏检验,残差值得Moran’sI检验,估计空间面板数据中的空间滞后模型(SpatialLagModel)、空间误差模型(SpatialErrorModel)和空间杜宾模型(SpatialDurbinModel),具体估计方法涉及固定效应(FixedEffects)和随机效应(RandomEffects),模型选择的检验方法主要有Wald检验和LR检验,空间Hausman检验等。在运用定量与定性相结合的分析法分析问题时,通常需要建立数学模型,进行大量复杂的运算,随着计算机技术的发展,使大规模计算成为可能,定量和定性相结合分析法在分析农业经济问题中占据越来越重要的地位。

(二)综合系统分析方法的应用

农业作为国民经济的一个产业部门,是整个社会经济系统的重要组成部分,综合系统分析方法是发现和解决农业经济问题的重要方法,例如在《改革开放以来农村经济发展历程研究》一文中是大量运用了综合系统分析的研究方法,是本论文一个最显著的研究方法。首先是从局部微观上分析,将改革开放以来农村生产要素市场化发展的过程细分为五个阶段,同时又每个不同的阶段进行分步式的研究,这是系统分析研究方法的体现。文章中的第二章和第八章则是运用了综合分析研究方法,主要是以概论和述评的形式来分析,同时紧密结合系统分步研究的内容,对改革开放以来农村经济发展的基本模式和国家政策走向形成整体性的认知。文章全文利用了综合系统分析研究方法,并在全文交替运用,章节内部各段落之间,独立的章节之间,均有涉及了分析和综合方法的运用。

(三)宏观与微观分析的运用

在农业经济学中,整体上来分析农业经济这个大系统,就属于宏观分析,宏观就是大和整体的意思;对农业经济系统的构成要素进行分析就属于微观分析,微观就是小和部分的意思。全国或某一地区的农业经济问题是大和整体范畴属于宏观方面的问题,农户或企业的农业经济问题是小和部分范畴属于微观方面。因为宏观要以微观为基础,微观要受宏观的约束,两者是相辅相承、互相约束,所以既要从微观角度进行分析,又要从宏观角度进行分析农业经济问题,要把二者很好地结合起来,既需要从整体上来把握,又需要从局部来分析。

(四)静态分析与动态分析的运用

影响均衡的因素有很多,其他影响因素的变化会打破原来的均衡状态,实现新的均衡,引起均衡点的移动这就需要利用比较静态均衡分析法来进行分析,例如在《农业经济增长与农村金融发展关系分析》文章从结构建模静态分析与时间序列动态分析相结合,试图从一个综合的视角来考察我国农业经济增长与农村金融发展的关系。通过结构建模和时间序列的计量分析,分别从静态和动态角度对1978年以来我国农村金融发展和农业经济增长的关系进行了考察,长期动态分析发现,农村金融发展有利于农业经济的增长,且乡镇企业贷款有助于农业经济整体水平的提高,表明在发挥农村金融促进农业经济增长的过程中也要注重农村非农行业的金融服务。