DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 材料和方法 2.1. 供试材料 粉末状TiO 2 (购买自浙江舟山明日纳米材料有限公司，平均粒度20 nm)；直接冻黄G(化学纯)为表面活性剂，其分子结构如图1所示。 图1. 直接冻黄G结构示意图 2.2. 试验方法 本研究中所用废水采用直接冻黄G溶于烧杯中，充分搅拌，使其完全溶解，然后向其加入一定质量的表面活性剂，溶解后转移到容量瓶中定容。模拟废水配置完毕后直接加入反应器中，按照要求加入纳米TiO 2 和辅助催化剂Fe 3+ 溶液，强力搅拌下辅助紫外灯光照，定时取样并进行相关指标测试。 MBR系统微生物的培养和启动：取城市污水处理厂曝气池中的成熟活性污泥，通过沉淀减少体积后可作为MBR的接种污泥，接种污泥浓度约为6 g∙L –1 ，接种污泥量为其有效容积的1/2。将经过TiO 2 光催化处理后的出水作为MBR反应器的进水，培养好氧污泥，经过10 d左右之后，反应器反应器中微生物基本培养完成，使其污泥浓度达到3~4 g∙L –1 (表1)。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. pH的影响 水样初始pH值无论是对被降解物的形态还是对TiO 2 的催化活性都有较大的影响。由图2、图3可知，在pH = 6时废水的CODcr以及色度的去除率达到最高，在酸性条件下，有机物的去除率更高。其原因是TiO 2 在不同酸性溶液中的电势有所不同，酸性条件下，其电势为正，有利于TiO 2 颗粒对带负电的有机基团的吸附；然而，当溶液变为碱性时，纳米TiO 2 的电势为负值，从而使得带负电的有机基团不易于在纳米粒子表面吸附。在本实验中，反应结束后溶液的酸性相比于初始溶液有所提高，其原因可能是在催化降解过程中产生了酸性物质，溶液酸性的提高不利于催化降解，因此，应控制溶液的pH值不低于6。 Table 1 MBR influent water qualit 指标 SS /mg∙L –1 CODcr /mg∙L –1 浊度 NH4-N /mg∙L –1 TP /mg∙L –1 pH 数值范围 130~210 523~735 89~123 4~13 0.2~0.3 6.3~8.2 平均值 170 629 106 8.5 0.25 7.3 表1. MBR进水水质 图2. 初始pH对废水中CODcr去除率的影响 图3. 初始pH对色度去除效率的影响 3.2. 光照时间的影响 光照时间对TiO 2 的光催化反应速率有较大的影响。因此，针对正交试验中的数据对光照时间进行一组平行试验，结果见图4及图5。由图可知，当光照时间增加时，CODcr和色度的去除率逐渐提高。当光照时间为7 h时，CODcr和色度去除率分别达到78.2%和99.8%。这是由于光照时间的增加，TiO 2 半导体价带上电子持续吸收光能被激发到导带上，形成的电子–空穴对与溶解氧及H 2 O作用，最终产生更多具有高度化学活性的游离基·OH，以氧化直接冻黄G染料以及表面活性剂，从而使CODcr和色度的去除率逐渐升高。 3.3. TiO 2 投加量的优化 纳米TiO 2 具有较大的比表面积，其投加量的增加有利于降解物的吸附，进一步加快了反应速率。由图6可知，在催化剂投加量为80 mg/L时，TiO 2 对废水中CODcr去除率达到最大值。然而，图7结果表明，但图7显示TiO 2 投加量为80 mg/L时，其对废水色度的去除率效果最好。其原因是，当催化剂投加量过少，废水中没有足够的有效光子参与光催化氧化反应过程，从而导致降解率低下；然而，当投加量过多时，纳米粒子造成溶液浑浊，降低光线透过率，从而降低反应速度。针对本试验的废水，催化剂最佳投加量在70~80 mg/L。 3.4. MBR处理有机废水实验 3.4.1. 停留时间HRT对MBR处理效果的影响 为研究停留时间对MBR处理效果的影响，控制进水COD为200~300 mg∙L –1 ，污泥浓度稳定3~4 g∙L –1 (增殖的污泥通过潜水泵排出)，调节进水量分别为10.0、12.5、16.6、25.0、50.0 L∙h –1 ，以COD去除率和去除负荷为评价指标，探讨HRT对A/O-MBR处理效果的影响，结果如图8所示，在HRT为6 h时，COD去除率达到较高值，达到71.2%，而此时的去除负荷为0.60 kg∙m 3 ∙d –1 。如果HRT低于6 h，则去除率下降较明显，且达不到出水水质要求；而HRT高于6 h，去除率提高不明显，但此时去除负荷下降较大，从0.60 kg∙m 3 ∙d –1 降到0.38 kg∙m 3 ∙d –1 ，说明处理系统的处理效能较低。因此，综合考虑，设计MBR系统的HRT为6 h左右。 图4. 光照时间对废水中CODcr去除率的影响 图5. 光照时间对色度去除效率的影响 图6. TiO 2 投加量对CODcr去除效率的影响 图7. TiO 2 投加量对色度去除效率的影响 图8. HRT对MBR处理效果的影响 3.4.2. pH对MBR处理效果的影响 控制进水COD为200~300 mg∙L –1 ，污泥浓度稳定在3~4 g∙L –1 (增殖的污泥过潜水泵排出)，HRT控制在6 h，试验过程中采用HCl或NaOH来调节废水的pH，以COD去除率为评价指标，研究不同pH条件下MBR对废水处理效果的影响，结果如图9所示。结果表明，当pH为6.5~8.0时，该系统对COD去除效果最好，pH小于6.5或大于8.0时，COD去除效果均降低，这是由于有效降解水中有机污染物的微生物属于异养菌，该类型异养菌受pH影响较小，废水允许的pH范围较广，试验过程易于控制。 3.4.3. 综合处理效果分析 将废水的pH调节为9.0~10.0，按80 mg∙L –1 投加聚合氯化铝；进水温度控制为30℃~35℃，膜生物反应器的停留时间分别控制为20 h和6 h，将pH分别调至6.5~8.0和7.0~8.0，MBR的溶解氧控制为2.0~3.0 mg∙L –1 ，工艺连续运行1个多月，测定废水的主要污染指标COD、SS、NH 4 -N、TN、色度进行监测，对照《浙江省地方标准水污染物排放限值》一级标准，结果如表2所示。 经混凝预处理后，MBR工艺处理效率较高，废水的COD、SS、NH 4 -N、TN、色度和总铬的平均去 图9. pH对MBR处理效果的影响 Table 2 Removal effect of combined proces 指标 进水水质 光催化阶段 MBR处理阶段 总去除率/% 排放标准 COD/mg∙L –1 826 628 50 93.9% 100 SS/mg∙L –1 382 201 27 92.7% 60 NH 4 -N/mg∙L –1 9 6 1.7 81.3% 25 TN/mg∙L –1 46.3 30.4 21.5 53.5% - 浊度 332 209 14 95.7% 40 表2. 组合工艺去除效果 除率分别达到93.9%、92.7%、81.3%、53.5%和95.7%。当进水COD的平均浓度为1175 mg∙L –1 时，MBR单元处理制革废水的COD平均去除率仅为69.2%和67.7%，COD去除负荷均为0.60 kg∙m 3 ∙d –1 左右，COD去除率和COD去除负荷都不高。制革废水难降解COD范围主要集中在200~300 mg∙L –1 之间，其含有大量如单宁、木质素、染料等难生物降解物质导致。
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user: 4. 结论 1) TiO 2 光催化降解对有机废水中的有机物具有较强的去除率。当pH为9.0~10.0，TiO 2 投加量为350~450 mg∙L –1 时，有机废水的悬浮物SS、色度以及COD的平均去除率分别达到70.4%，73.9%，97.7%和37.9%。 2) 采用TiO 2 -MBR工艺联合处理废水中有机污染物，处理之后的废水COD、NH 4 -N、SS等较低，相关指标均可达到地方标准。
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user: 摘 要 通过直接自组装的方法制备了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料，并且通过PXRD，FTIR，TEM以及77 K下的N 2 吸附进行了表征。结果显示Fe 3 O 4 NPs是被嵌入到MIL-53骨架结构中并被固定在晶格内部。Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料对苯乙烯催化环氧化有高的选择性。PRXD证明了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的酸稳定性。 关键词 :直接自组装，单分散的纳米离子，MIL-53，环氧化 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在过去的十几年，一类可用于气体存储/分离、药物缓释、化学传感以及催化的多孔材料——MOF (metal-organic framework)吸引了人们的关注 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。迄今，已经报道了上万种不同结构和组成的MOF材料 [ 6 ] ，包括HKUST-1 [ 7 ] ，MIL-53 [ 8 ] ，MIL-100 [ 9 ] ，MIL-101 [ 10 ] ，ZIF-8 [ 11 ] and UIO-66 [ 12 ] 。MOF材料的结构是由金属离子/金属氧化物团簇为节点有机配体为连接体形成的具有三维结构的多孔材料，MOF材料内部的孔可以是孔道结构也可以是孔洞结构。近来，MOF复合材料也吸引了人们的关注，MOF在复合材料中既可以作为“主体”也可以作为“客体” [ 13 ] 。 催化是MOF材料重要的应用之一，这不仅在于MOF材料本身具有“分子反应器”的孔道/笼，还在于MOF可以与其他活性组分结合构建新的催化体系催化需要的反应 [ 14 ] 。MOF材料可以作为主体，将包括金属、合金、金属氧化物以及POM分子嵌入到其结构内部构成MOF复合材料 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。从制备方法来说，与传统的沸石以及分子筛类似，由MOF构成的复合材料可以通过液相浸渍或者气体渗透方法进行制备 [ 16 ] [ 17 ] 。近来，一种称作直接自组装(DSA， directing self-assemble)或者模板法的方法被发展起来用于制备M或者MOx NPs@MOF [ 15 ] [ 18 ] 。Lu等详细的研究了M/MOx/MX NPs@ZIF-8的DSA制备方法，催化性能测试的结果表明Pt NPs@ZIF-8具有区域加氢催化能力 [ 15 ] 。在Pt NPs@ZIF-8复合材料中，Pt NPs尽可能地分散在ZIF-8结构的内部并被ZIF-8的晶格锁定高效地避免了Pt NPs之间的团聚。但是ZIF-8的窗口仅3.4 Å，这对大多数有机分子来说太小了。MIL-53具有一维孔道结构，孔道的尺寸在0.8~1.3 nm之间变化，这是因为MIL-53的“呼吸”作用。在这个尺寸水平上，分子量大约100~200 Da的有机分子可以自由进出。作为催化剂，不同尺寸的贵金属以及金属氧化物均可以大批量的制备 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] 。在本文中，我们通过直接自组装的方法将8 nm Fe 3 O 4 组装进MIL-53，进而考察了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料催化苯乙烯环氧化。
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user: 2. 实验部分 2.1. 合成 被PVP帽封的单分散的Fe 3 O 4 NPs是根据文献 [ 24 ] 制备。 MIL-53的制备。在单口烧瓶中，连续搅拌下将Cr(NO 3 ) 3 ∙9H 2 O (19.95 g， 49.5 mmol， Aladdin)和H 2 BDC (12.45 g， 75 mmol)溶解到DMF (1 L， 13 mmol)中形成绿色溶液，再连续搅拌0.5小时，最后混合物的摩尔比为Cr(NO 3 ) 3 ∙9H 2 O:H 2 BDC:DMF = 1:1.5:260。将此混合物置于微波反应器中在100℃下反应1小时，所获得的产品在6000 rpm下离心5分钟，用乙醇洗三次，80℃干燥过夜。产率91%。 Fe 3 O 4 NPs@MIL-53的制备。与MIL-53的制备相同，将需要量的Fe 3 O 4 NPs加入到MIL-53的反应体系中，Fe 3 O 4 NPs与制备MIL-53的原料在反应条件下自组装生成产品Fe 3 O 4 NPs@MIL-53。 2.2. 苯乙烯环氧化 Fe 3 O 4 NPs@MIL-53的催化氧化活性通过苯乙烯环氧化进行表征。将2.4 ml苯乙烯(21 mmol)，3.2 ml 65% TBHP (tert-butyl hydroperoxide， 32 mmol， Aladdin)，200 mg Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料以及20 ml乙腈加入到装有冷凝管的三口烧瓶中。将此混合物加热到80℃恒温保持反应正常进行。每隔2小时取样，通过装有HP-5色谱柱的Agilent-6890N GC进行样品分析。 2.3. 材料表征 Rigaku D/MAX PC2200粉末衍射仪，Cu Kα射线(λ = 1.5406 Å)，扫速5˚/min；JEOL-2000ex透射电镜；Nicolet iS10 FTIR红外光谱仪，400~4000 cm −1 ，KBr压片；TriStar II 3020吸附仪(Micromeritics Instrument Corporation)，N 2 77K，样品120℃活化12小时；Agilent-6890N气相色谱仪，氢焰检测器，HP-5毛细管柱，30 Mx 0.32 mm (内径) X 0.25 μm (膜厚)，条件：N 2 作为载气；100:1分离比；柱温：180℃；气化室：180℃；检测器：220℃。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. Fe 3 O 4 NPs@MIL-53的表征 从图1可以看出，图1(a)是通过MIL-53的晶体结构模拟所获得的PXRD，图1(b)是拟合的Fe 3 O 4 NPs，图1(c)是通过本文方法制备的MIL-53的PXRD，图1(d)为复合物Fe 3 O 4 NPs@MIL-53的PXRD。合成的MIL-53以及复合物Fe 3 O 4 NPs@MIL-53与通过晶体结构模拟所获得的PXRD在衍射峰位置以及衍射峰强度略有差别，这是因为MIL-53具有“呼吸作用”，用于晶体结构模拟的MIL-53是含有结晶水的形式，而我们合成的MIL-53以及复合物Fe 3 O 4 NPs@MIL-53在合成之后均经过了干燥处理，因此衍射峰位置以及衍射峰强度略有差别。合成的MIL-53以及复合物Fe 3 O 4 NPs@MIL-53的PXRD的峰位置以及峰强度基本一致，说明嵌入Fe 3 O 4 NPs的MIL-53的结构依然保持，并且结晶度没有发生较大变化。 图1. 样品的PXRD。(a) 拟合的MIL-53；(b) 拟合的Fe 3 O 4 NPs；(c) 制备的MIL-53；(d) 制备的Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料 波数在455 cm −1 和588 cm −1 的红外吸收是Fe 3 O 4 的特征吸收峰。从图2(a)，所制备的Fe 3 O 4 NPs FTIR光谱，波数在455 cm −1 和588 cm −1 有很强的红外吸收，同时在图2(b)的MIL-53中没有相应的红外吸收，但在图2(c)的Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料中有相应的红外吸收。这表明，Fe 3 O 4 NPs与MIL-53构成了复合材料。 Fe 3 O 4 NPs与合成MIL-53的起始原料同时加入到反应体系中，通过DSA的方法制备Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料，这些加入的Fe 3 O 4 NPs嵌入到MIL-53的结构中。从Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的TEM图(图3)可以清楚的观察到这种结构。 MIL-53样品在77 K下利用N 2 吸附测定的BET比表面积为1044 m 2 /g (图4)，随着Fe 3 O 4 NPs嵌入到MIL-53的结构中，所获得的Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的比表面积略有下降，比表面积为730 m 2 /g。 3.2. Fe 3 O 4 NPs@MIL-53对苯乙烯环氧化的催化性能 苯乙烯环化是一个精细的催化氧化反应，经常被用于探测催化剂的氧化催化性能。在本实验中Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料是被用于催化苯乙烯环氧化以检测Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的催化性能。图5的结果显示，Fe 3 O 4 NPs@MIL-53可用于催化苯乙烯环氧化。苯乙烯的选择性可达到75%。进而，Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的稳定性通过在80℃在苯甲酸/乙腈溶剂中浸泡10 h进行表征。图6给出了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料浸泡前后的PXRD对比图。可以发现，尽管在酸性溶剂中浸泡10 h，Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料基本没有变化，也证明了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的稳定性。 图2. 样品的FTIR。(a) Fe 3 O 4 NPs；(b) MIL-53；(c) Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料 图3. 样品的TEM图。(A) MIL-53；(B) Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料 图4. 样品在77 K下的N 2 气吸附。(a) MIL-53；(b) Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料 图5. Fe 3 O 4 NPs@MIL-53催化的苯乙烯环氧化。(A) 空白实验：() 苯乙烯转化率；(£) 苯甲醛的选择性；(s) 环氧苯甲醛的选择性；(B) Fe 3 O 4 NPs@MIL-53 作为催化剂：() 苯乙烯转化率；(£) 苯甲醛的选择性；(s) 环氧苯甲醛的选择性；(r) 苯甲酸 图6. 样品的PXRD图。(a) Fe 3 O 4 NPs@MIL-53；(b) 80℃下，在苯甲酸/乙腈(50 mg/10 ml)溶液中浸泡10 h的Fe 3 O 4 NPs@MIL-53 (50 mg)
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user: 4. 结论 通过DSA方法制备Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料，结果表明该复合材料对苯乙烯环氧化具有高选择性。PXRD结果表明了Fe 3 O 4 NPs@MIL-53复合材料的酸稳定性。
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user: 摘 要 以不锈钢网为基底，将其浸入明胶(Gelatin)溶液中，制备得到明胶涂抹网(Gelatin-网)；随后，将其通过(NH 4 ) 2 SO 4 溶液处理得到S-Gelatin-网。将S-Gelatin-网应用于油水分离测试，测试其分离性能。对测试前后的S-Gelatin-网进行了扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪表征；观测了其表面形貌、测试了表面润湿性；利用傅里叶红外光谱(FTIR)对制备过程中的明胶化学组分进行分析。结果表明S-Gelatin-网具有亲水/水下超疏油性且具有优异的分离性能，分离效率达99.6%以上，同时具有良好的重复使用性、耐腐蚀性；该方法简单、绿色环保、成本低。 关键词 :水下超疏油，环保可回收，不锈钢网，油水分离 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，含油废水的排放日益增多，对生态环境造成了严重的危害 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。采用经济、有效的方法去治理油水混合物迫在眉睫。油水分离的实现依赖于材料表面的润湿性，这是由表面的化学组成和表面形貌所决定 [ 4 ] 。根据表面润湿性，用于处理油水分离的材料主要分为两类，一类是“油移除”型，另一类是“水移除”型 [ 5 ] 。然而，“油移除”型材料容易被密度大的粘油堵塞；另外分离密度比水小的油时，重力的驱动会使水在疏水表面形成水层阻止其分离，这就限制了材料的应用。为此，受鱼鳞的启发，Xue等人开创性地制备了“移除水”的材料：超亲水/水下超疏油的聚丙烯酰胺水凝胶涂抹网，该网展现了优异的分离性能和应用 [ 6 ] 。该亲水/水下超疏油的材料引起了研究者的广泛关注。该类网的最常用的制备方法是浸泡涂抹法，通过物理粘附方式或化学连接方式将亲水性物质，如水凝胶 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]、氧化石墨(GO) [ 10 ] [ 11 ]、聚乙烯醇 [ 12 ]、二氧化钛(TiO 2 ) [ 13 ] [ 14 ]、两性离子聚合物 [ 15 ] 以及复合聚合物 [ 16 ] 等涂抹在多孔材料基质上。然而，大多数超亲水/水下超疏油材料的制备需经过复杂的过程；制备过程中经常要用到有机溶剂或试剂 [ 17 ] ，这些由物理粘附或化学键连接在基质表面的材料不易降解，甚至材料不能回收。因此，选用天然环保的原料来制备超亲水/水下超疏油的油水分离材料是日益需求的。 明胶(Gelatin)是一类天然的、环保的大分子亲水蛋白胶，而且具有热可逆性；常做食品添加剂，无毒、无害、具有良好的生物相容性和生物可降解性。本文首先将不锈钢网浸入到Gelatin溶液中，制得Gelatin-网，随后再经过(NH 4 ) 2 SO 4 盐溶液处理(salt-treated)，增强Gelatin-网表面Gelatin的机械性能以及亲水性，成功制备机械强度大、耐磨损的亲水/水下超疏油的salt-treated-Gelatin-网(S-Gelatin-网)。S-Gelatin-网展现了优异的油水分离性能。S-Gelatin-网不仅可以在普通环境下循环稳定使用，也可以有效地分离具有腐蚀性的油水混合物。S-Gelatin-网制备方法简单、经济、绿色，原料天然、可再生；除此外，该材料在工业处理油水混合物领域上具有潜在的应用前景。
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user: 2. 实验部分 2.1. 试剂与仪器 明胶(Gelatin)为化学纯，购买于北京化学试剂公司；硫酸铵((NH 4 ) 2 SO 4 )为分析纯，购买于天津博迪化工股份有限公司；不锈钢网(300目)购于广州市平祥筛网厂；汽油(购于中国石油化工股份有限公司)、菜籽油(购于广州市锦旺化工有限公司)均为工业级；实验用水为去离子水；其它试剂均为分析纯，购于天津百世化工有限公司。 KQ5200B型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；ME203E型电子天平(上海梅特勒-托利多仪器有限公司)；DF-II型搅拌恒温电热套(金坛市医疗仪器厂)；JC2000D4型接触角测量仪(上海中晨数字技术设备有限公司)；TM3030型扫描电子显微镜(SEM，日本日立公司)；Prestige-21型傅里叶红外光谱(日本岛津公司)。 2.2. 实验过程 2.2.1. S-Gelatin-网的制备 将不锈钢网(300目)剪成5 cm × 5 cm大小的矩形，依次用去离子水、丙酮超声清洗15 min，室温下自然风干，备用。称取一定量的明胶加入到含有一定量的去离子水的烧杯中，于恒温搅拌器上搅拌，60℃恒温加热至明胶完全溶解，得到透明Gelatin水溶液。将清洗干燥后的不锈钢网浸入到明胶溶液中，润湿完全后立即拿出，在冰箱内5℃下冷冻1 h后取出，得到Gelatin-网，备用。称取12 g的硫酸铵，加入到含有28 g去离子水的烧杯中，搅拌至完全溶解，得到30%wt的(NH 4 ) 2 SO 4 溶液。将Gelatin-网放入(NH 4 ) 2 SO 4 溶液中浸渍12 h，然后用去离子水清洗，得到S-Gelatin-网。 2.2.2. 测试与表征 采用傅里叶红外光谱仪对明胶、明胶溶液冷冻后的明胶以及盐浸泡后的明胶进行红外谱图分析。采用扫描电子显微镜观测不锈钢网、Gelatin-网、S-Gelatin-网的表面形貌并拍摄不同放大倍数的电镜照片；利用接触角测量仪测量不锈钢网、Gelatin-网、S-Gelatin-网表面的润湿性，每个样品都测试五次，取平均值。采用重量法并根据公式： η = ( 1 − m 2 / m 1 ) × 100 % ，计算得到分离效率 η ，其中： 和 m 2 分别是分离前和分离后油在水中的质量。分离速率根据公式： F = V / ( S t ) ，计算得到分离速率 F ，其中V是水通过网膜的体积，S为分离装置玻璃管孔面积，t是水通过网膜所需的时间。 2.2.3. 油水分离 制备的网先被水浸润，后固定在分离装置中。将体积比为1:1的油水混合物(其中水用亚甲基蓝染色、油用油红染色)倒入分离装置中，在重力的驱使下进行分离。所测试的油分别为：正己烷、石油醚、甲苯、汽油、柴油、菜籽油。
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user: 4. 结论 1) 以不锈钢网为基底，采用浸没法将明胶粘附在不锈钢网上制备了Gelatin-网，后通过(NH 4 ) 2 SO 4 溶液处理后成功制备了S-Gelatin-网。该网展现了亲水性和水下超疏油性，在水下多种油在其表面的接触角都大于150˚以上。 2) 所制备的S-Gelatin-网能快速有效地分离油水混合物，对多种油/水混合物都具有97%以上的分离效率，其中分离正己烷/水的混合物时，分离效率能达到99.75%以上；该网也具有优异的耐化学腐蚀性，对0.5 mol/L HCl、0.5 mol/L NAOH、0.5 mol/L NaCl的水溶液/正己烷的混合物的分离效率依旧能达到99.6%以上；除此之外，在重复使用了40次后，分离能力依旧稳定。 3) 该制备方法简单且原料天然再生、廉价易得、绿色无毒，并实现了原料可回收利用、大大降低了制备成本。
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user: 摘 要 目的：探讨端粒酶逆转录酶(hTERT)在不同时期婴幼儿血管瘤(His)中的表达和定位意义。方法：免疫组织化学(IHC)法检测hTERT在不同时期IHs组织及瘤周正常组织中的表达及定位，计算机采集图像，IHC半定量积分法及Image-Pro Plus(IPP) v6.0图像分析软件评估结果，相关统计方法分析数据。结果：hTERT在不同时期IHs组织中均有不同程度表达，呈散在分布；免疫组化阳性染色细胞主要是血管瘤内皮细胞，定位于胞浆及胞核；增殖期阳性细胞的平均光密度值明显高于消退期，具有显著性差异(P < 0.05)；不同时期IHs的阳性细胞平均光密度值与IHC半定量积分法最终得分之间呈显著正相关(r = 0.99， P = 0.00)。结论：增殖期IHs组织中存在较强的端粒酶活性。端粒酶活性来源定位主要在血管瘤内皮细胞的胞浆及胞核。 关键词 :婴幼儿血管瘤，端粒酶，人端粒酶逆转录酶，免疫组织化学 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 婴幼儿血管瘤(infantile hemangiomas， IHs)是发生于婴幼儿的常见良性肿瘤，多在出生后不久或1岁以内发病 [ 1 ] ，病变大多能够自行消退，病变进展过程呈现增殖期、消退期和消退完成期三个阶段。目前，IHs的发病原因以及不同阶段发展过程的调控机制尚不清楚。 端粒是染色体末端高度保守的重复核苷酸序列，具有防止染色体降解、末端融合和重组等功能 [ 2 ] 。目前认为，端粒的长度与细胞老化关系密切，而其长度的调节主要受端粒酶调控。端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase， hTERT)是端粒酶的主要调节亚单位，作为端粒酶相关功能蛋白，hTERT的表达强度普遍用于反映端粒酶活性 [ 3 ] 。 增殖期IHs的血管内皮细胞增殖活性较高，以往研究发现IHs组织中存在端粒酶活性，并有hTERT mRNA的表达 [ 4 ] [ 5 ] ，但对于hTERT在血管瘤组织中的细胞定位及其在血管瘤各个时期的表达是否不同尚处未知。本实验采用免疫组织化学(IHC)方法检测hTERT在不同时期婴幼儿血管瘤中的表达，以研究IHs发展过程中端粒酶活性的动态变化，并通过特异性染色初步确定其在IHs组织中的定位，从而进一步探讨IHs特有的快速增殖和生长自限性机制。
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user: 2. 材料和方法 2.1. 临床资料 纳入2012~2016年间于山东大学齐鲁医院口腔科或小儿外科行手术切除的婴幼儿血管瘤病例，增殖期15例(3~12月龄)，消退期8例(1~4岁龄)，血管瘤周围正常组织5例，阳性对照组选取皮肤恶性黑色素瘤标本。病例纳入标准：① 根据Mulliken标准 [ 6 ] 结合病理诊断为婴幼儿血管瘤；② 手术之前未行任何其他治疗；③ 病变表面无明显破溃、感染。选取组织切片的固定、脱水、透明、包埋等步骤由山东大学齐鲁医院病理科按照统一的步骤完成。本研究经山东大学齐鲁医院伦理委员会批准并取得患儿监护人的知情同意。 2.2. 实验方法 采用免疫组织化学EnVision法，一抗为人端粒酶逆转录酶兔抗人单克隆抗体(Abcam，美国)，二抗为辣根过氧化氢酶标记的山羊抗兔IgG聚合物(北京中杉金桥生物技术有限公司)。具体的操作流程如下：60℃下烤片30 min；常规二甲苯脱蜡，梯度乙醇脱水；PBS漂洗3 min × 3次；30%H202 + 甲醇(1:9)灭活内源性过氧化氢酶10 min；PBS漂洗3 min × 3次；抗原修复：0.1%的蛋白酶k消化10 min，置入0.01 M柠檬酸缓冲液(PH6.0 ± 0.1)中，微波炉加热(95℃， 10~15 min)，冷却至室温，反复2次；PBS漂洗3 min × 3次；10%正常山羊血清工作液37℃封闭10 min，倾去勿洗；分别滴加一抗hTERT(1:60)，空白对照组为PBS代替一抗，4℃冰箱过夜后37℃复温30 min；PBS漂洗3 min × 3次；滴加辣根过氧化氢酶标记的山羊抗兔IgG聚合物(1:50)，37℃孵育40 min；PBS漂洗3 min × 3次；DAB显色；苏木素复染；脱水，透明，封片。 2.3. 图像采集、分析及结果判定 正置显微镜(Leica，德国)采集图像：调整光源为日光色温的白色光，在保证显微镜光源稳定一致前提下，分别用100倍、200倍视野观察每张切片阳性表达情况，选取染色相对集中的5个视野，在400倍视野下，使用相同的曝光时间，利用Leica LAS AF Lite 4.0软件一次拍摄完成所有照片。 Image-Pro Plus(IPP) v6.0软件分析图像：首先进行光密度校正，然后选取图片上具有阳性染色的区域(AOI， area of interesting)，测量该区域的光密度参数(IOD)和有效统计区域的面积(area)，最后计算选择区域内的平均光密度值IOD/area(density mean)。同样，在进行光密度校正后分别选定阳性细胞及阴性细胞，计算平均阳性着色细胞百分比。 免疫组化染色结果：hTERT的染色结果以细胞核出现棕黄色颗粒为阳性，而非核仁及细胞质中出现。阴性记为0分；浅染的棕黄色无明显颗粒记为1分；较深的棕黄色，可见明显颗粒记为2分；深棕黄色并且有浓染颗粒出现记为3分。 根据IPP软件评估和镜下观测，结果按照半定量积分法进行判定：最终得分 = 平均阳性染色强度 × 平均阳性着色细胞百分比，最后得分总值 < 1记为弱阳性(+)，1~1.5为中等阳性(++)，>1.5为强阳性(+++)。 2.4. 统计学分析 Pearson相关系数分析统计量之间的相关性，卡方检验、F检验、T检验分析差异性，P < 0.05为具有显著性差异。
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user: 3. 结果 在15例增殖期婴幼儿血管瘤组织中，有11例hTERT呈阳性表达，其中弱阳性(+) 6例，中等阳性(++) 4例，强阳性(+++) 1例，总阳性率73.3%；在8例消退期婴幼儿血管瘤组织中，有1例弱阳性(+)表达，阳性率为12.5%；在5例瘤周正常组织中全为阴性表达。经卡方检验分析，hTERT在增殖期婴幼儿血管瘤组织中的表达水平明显高于退化期及瘤周围正常组织，具有显著性差异(P < 0.01)。阳性表达细胞呈散在分布，形态类似血管瘤内皮细胞，定位于细胞胞浆及胞核(胞浆染为棕黄色，胞核蓝色与棕黄色重叠)见表1、图1。 hTERT阳性细胞在增殖期IHs中的平均光密度值为0.15 ± 0.11，消退期为0.02 ± 0.57，T检验分析增殖期明显高于消退期，具有显著性差异(P < 0.05)。经Pearson相关系数分析，hTERT阳性细胞平均光密度值与IHC半定量积分法最终得分之间呈显著正相关(r = 0.99， P = 0.00)，见表2。 图1. A、恶性黑色素瘤hTERT强阳性(×400)；B、增殖期婴幼儿血管瘤hTERT强阳性(×400)；C、消退初期婴幼儿血管瘤hTERT弱阳性(×400)；D、增殖期婴幼儿血管瘤空白对照(×100)；E、增殖期婴幼儿血管瘤hTERT弱阳性(×200)；F、消退期婴幼儿血管瘤hTERT阴性(×200) Table 1 Expression of hTERT in proliferative His， involuting IHs and normal tissues around IH 样品分组 n hTERT表达 阳性率 P值 阴性 弱阳性 中等阳性 强阳性 增殖期IH 15 4 7 3 1 73.3% 0.01 消退期IH 8 7 1 0 0 12.5% 正常组织 5 5 0 0 0 0% 表1. hTERT在增生期IH、消退期IHs及IHs周围正常组织中的表达 Table 2 The IHC final score was correlated with the mean optical density (IOD) of hTERT positive cell 样品分组 n IOD F检验 T检验 最终得分 Pearson相关分析 P值 P值 r p 增殖期IH 15 0.15±0.11 0.07 0.01 0.67±0.53 0.99 0.00 消退期IH 8 0.02±0.57 0.08±0.22 表2. IHC最终得分与hTERT阳性细胞平均光密度值(IOD)
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user: 4. 讨论 研究证实，端粒酶活性是细胞永生化及肿瘤细胞在迅速增殖中保持端粒动态平衡的关键。增殖活跃的细胞，如胚性细胞和90%的肿瘤组织中具有端粒酶活性，而随着胚胎发育，端粒酶活性受到阶段性的抑制而逐渐减弱，进入新生儿期后，大多数正常组织中已检测不到端粒酶活性 [ 7 ] [ 8 ] 。端粒酶活性的存在意味着组织细胞拥有较活跃的增殖能力。 诸多证据表明端粒酶活性高表达与血管内皮细胞增殖存在着密切关联。研究发现，在前列腺癌组织中hTERT与血管内皮生长因子(VEGF)的表达存在显著相关性 [ 9 ] 。亦有学者将人端粒酶逆转录酶基因导入猪主动脉血管内皮细胞后，重建细胞较原来有较高的端粒酶活性，且增殖寿命较对照细胞延长了数代 [ 10 ] 。 婴幼儿血管瘤在增殖期时，血管瘤内皮细胞快速大量增殖，镜下可观察到较多无典型管腔样结构的血管条索及由毛细血管、微静脉和小静脉构成的血管从，内皮细胞聚集成簇。 陕声国等 [ 4 ] 及胡晓文等 [ 5 ] 在婴幼儿血管瘤组织中检测到了端粒酶活性及hTERT mRNA的表达。他们采用RT-PCR扩增及免疫组化显色检测到不同时期IHs组织中存在hTERT mRNA的表达，其中增殖期阳性率为80.0%，消退期为15%；并采用端粒重复序列扩增法(TRAP)检测不同时期IHs组织端粒酶活性，此方法的阳性结果为在凝胶电泳上显示相隔6 bp的梯状条带，条带的多、寡、深或浅表示端粒酶活性的大小，结果显示增殖期端粒酶阳性者为81.4%，消退期为21.6%。受研究方法的制约，其研究不能进行细胞定位，因而无法得知端粒酶活性的具体来源。 本研究在检测不同时期IH组织端粒酶活性时，通过免疫组织化学(IHC)法检测hTERT的表达。hTERT是端粒酶的主要调节亚单位，对端粒酶活性的表达起着决定性的作用，其表达水平与端粒酶活性水平相一致 [ 11 ] [ 12 ] 。免疫组化方法可通过抗原抗体特异性结合及酶标染色显示出hTERT在组织中的具体定位，然后利用IPP软件进行评估 [ 13 ] ，不仅可以反映组织中端粒酶活性的表达水平，而且有助于我们评估其端粒酶活性的来源 [ 14 ] 。 结果发现，hTERT在增殖期和消退期IHs中的阳性表达率分别为73.3%和12.5%，在瘤周正常组织中无表达；增殖期IHs中的平均光密度值为0.15 ± 0.11，消退期为0.02 ± 0.57；经Pearson相关系数分析，在全部标本中，hTERT阳性细胞平均光密度值与IHC半定量积分法最终得分呈显著正相关。以上数据均表明，hTERT在增殖期IH组织中的表达水平明显高于退化期及瘤周正常组织，具有统计学意义。 本实验结果不仅定量证实了hTERT在增殖期IH组织中的表达水平明显高于退化期，并表明，hTERT阳性细胞是IHs中端粒酶活性的主要来源，是决定IHs中端粒酶活性水平的关键。通过镜下观察对比发现：增殖期的hTERT阳性细胞排列无规律，细胞形态不一，胞浆丰富，胞核较大，并可见细胞核分裂象(见图2红色箭头)。其与周围细胞聚集成细胞团，未见典型的管腔结构，而在消退初期，这部分hTERT阳性细胞较增殖期数量明显减少，细胞形态趋于一致，呈长梭形，未见细胞核分裂象，与周围细胞间排列疏松，部分细胞初步形成管腔结构，但未见红细胞。综合其形态及动态变化可推测这部分hTERT阳性 图2. 增殖期婴幼儿血管瘤hTERT强阳性(×400)，红色箭头示核分裂 细胞是一些未分化成熟的血管瘤内皮细胞或血管瘤干细胞。 结合上述实验结果认为：在IHs增殖期，血管内皮细胞大量增殖，而较高的端粒酶活性可以使内皮细胞克服因细胞增殖分裂引起的端粒缩短，使细胞能持续、大量增殖，从而导致瘤体组织生长速度加快，出现快速增殖期。而随着发育的进行，在某种机制的调控下，IHs中的端粒酶活性受到抑制而逐渐减弱。此时由于端粒动态平衡被打破，内皮细胞增殖能力逐渐减弱直至停止，细胞趋于成熟并出现衰老、死亡，进而导致瘤体生长缓慢，进入消退期，从而表现出生长自限性现象。IHs中端粒酶逆转录酶(hTERT)的重新激活或许是其发病的一个关键环节。 本实验由于病例数较少，相关结论仍需进一步实验验证。总体来说，本实验在既往成果的基础上，利用免疫组织化学方法的优势，在探讨IHs组织中端粒酶活性表达动态的同时，对其端粒酶活性来源亦进行了研究，为揭示IHs发病机制提供了更深入的实验依据。
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user: 摘 要 无人机编队执行任务相比单架无人机有着成功率高和任务量大的优点，编队飞行控制器的设计和编队通信方式是自主编队飞行的关键。本文针对无人机自主编队飞行的控制及通信问题，在室内动作捕捉系统VICON环境下，设计了编队轨迹跟踪以及队形保持控制器实现无人机编队巡航；采用基于代数图论和智能决策的方法，每架无人机都拥有判断自身编队层次的能力，即使有无人机出现故障，也能通过将编队信息流再次连通实现编队重构。同时利用模块化的通信设备，方便了通信程序的修改。编队飞行实验结果验证了本文提出方法的有效性。 关键词 :四旋翼飞行器，分布式控制，编队，VICON Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着科学技术的发展，无人机不管是在军用还是民用领域都发挥着重要的作用 [ 1 ] [ 2 ] ，单架无人机在执行任务时一旦出现故障就意味着任务失败，但是对于无人机群来说，一架无人机出现故障离队后，利用动态网络感知技术获取环境变化和机群内部编队发生的变化，其余的无人机通过保持通信网络信息流为连通图来变换机群的编队队形和通信网络，这样就能继续执行任务 [ 3 ] 。 无人机编队飞行协同执行任务就是将有自主功能的无人机根据要求按照一定的三维空间结构排列飞行并能根据控制命令动态调整姿态，保持机群飞行过程中的队形相对稳定。编队飞行能够发挥单机的最大作战效能，使无人机更安全、可靠、高效地完成任务 [ 4 ] 。编队控制主要有虚拟领航者法 [ 5 ] 、人工势场法 [ 6 ] [ 7 ] 、领航–跟随者法 [ 8 ] 等。虚拟领航者法用虚拟的无人机担任领航者，无需担心领航者出现故障的问题，但需要很高的计算能力，同时虚拟领航者不是实际的飞行路线，无法保证跟随者能够准确跟随虚拟领航者；人工势场法虽然在数学描述上简单又美观，但是很难保持稳定的队形 [ 9 ] ；领航–跟随者法是目前编队最可靠的方法之一，跟随者保持与领航者相对距离和方位来维持编队队形，领航者的角色十分重要，一旦出现故障可能会导致任务的失败。 本文采用领航–跟随者法，设计了轨迹跟踪控制器和队形保持控制器，同时针对无人机编队飞行过程中无人机出现故障的问题，设计了一种基于图论的领航者重选的编队重构控制方法，图论能够很清晰直观的描述无人机编队队形与通信信息流，用图中的顶点集表示无人机群，图中的边集表示通信信息流。在通信中考虑了无人机本能的问题，每一架无人机都有判断自身所处编队层次的能力，顶层的为领航者，越上层的无人机越为重要，当有无人机出现故障，可以通过判断该无人机在图中对应的顶点是否为割点，以此决定是否会对机群其它无人机产生影响，若是领航者出现故障，将次顶层的无人机重新选为领航者，解决了初始的领航–跟随者法领航者出现故障导致任务失败的问题。
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user: 2. 无人机编队控制器 本文采用的是基于领航–跟随者方式编队，编队飞行控制系统包括队形保持控制子系统和轨迹跟踪控制子系统。领航者的任务在于能够精确的跟踪期望轨迹，因此需要对领航者设计轨迹跟踪控制器；另外，根据需要保持的队形，利用领航者和跟随者之间的相对运动方程，设计队形保持控制器，在此过程中跟随者可以获得保持队形所需要的期望位置，为了使跟随者能够更快的跟上领航者，在队形保持控制器中加入了误差混合器，既保持了编队队形，又提高了跟随者对领航者的快速跟随，编队控制器结构如图1所示。 图1. 编队控制器结构 在编队控制器中，误差混合器是由无人机在导航坐标系的位置误差、领航者与跟随者的速度误差线性合成的，数学表达式为： e v x = k x ( x f 0 + x l − x f ) + k v x ( v l x − v f x ) e v y = k y ( y f 0 + y l − y f ) + k v y ( v l y − v f y ) e z = k z ( z f 0 + z l − z f ) (4) 式中， k x ， k v x ， k y ， k v y ， k z 为误差线性混合器的权重参数， x l ， y l ， z l 为领航者期望位置， x f ， y f ， z f 为跟随者的实际位置， v l x ， v l y 为领航者的实际速度， v f x ， v f y 为跟随者的实际速度。 采用PID控制律，得到的是跟随者的加速度信息，数学表达式为： a f x = k p x e v x + k i x ∫ 0 t e v x d t + k d x e ˙ v x a f y = k p y e v y + k i y ∫ 0 t e v y d t + k d y e ˙ v y a f z = k p z e z + k i z ∫ 0 t e z d t + k d z e ˙ v z (5) 式中， k p x ， k i x ， k d x 为x方向的比例、微分、积分系数， k p y ， k i y ， k d y 为y方向的比例、微分、积分系数， k p z ， k i z ， k d z 为高度的比例、微分、积分系数。 x ， y 方向加速度经过坐标变换到机体坐标，再通过姿态反解得到参考姿态角输入到姿态控制器。
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user: 3. 编队策略 图是由顶点集合和顶点间的二元关系集合组成的数据结构 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] ，通常用 G ( V ， E ) 来表示。顶点集合用 V ( G ) 来表示，边的集合用 E ( G ) 来表示。编队队形 G 1 ( V ， E ) 如图2所示，顶点1为领航者，其余为跟随者，所有的无人机可表示为： V ( G 1 ) = { 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 } (6) 通信信息流为： 图2. 编队信息流图 E ( G 1 ) = { 〈 1 ， 2 〉 ， 〈 1 ， 3 〉 ， 〈 1 ， 4 〉 ， 〈 1 ， 5 〉 ， 〈 2 ， 6 〉 ， 〈 2 ， 7 〉 } (7) 其中，箭头方向表示上一级的无人机向下一级的无人机发送控制指令信号，回馈信号在图中省略。要保持编队队形，则必须使编队信息流图为连通图，即去除箭头后图中任意一对顶点都是连通的。若领航者出现故障，如图4(a)所示，此时应该重新选择领航者，将最高层次的跟随者改变工作状态在领航者模式，其余领航者则不变。 本文中无人机只与一架层次高于自身的无人机通信，但可以与一架或多架层次低于自身的无人机通信，因此可以利用图论中的深度优先搜索(Depth First Search， DFS)法找到图中的关节点或割点，割点是图中的一个顶点，当去掉这个点会使图分割成2个或2个以上的连通分量，这就意味着当割点处的无人机出现故障时会破坏编队通信图的连通性，机群其它的无人机会受到影响。当出现故障的不是割点处的无人机，不会破坏编队通信图的连通性，可以忽略该无人机；当出现故障的是割点处的无人机，若不是领航者，则将该点上下等级的无人机连通，若是领航者出现故障就需要重新选定领航者。重新选定的领航者最好是割点处的无人机，这样可以减少通信信息量。当只有一个割点时，则选该顶点对应的无人机重新选定为领航者，当有多个割点时，则应选择剩余连通分量多的顶点为新的领航者，若多个割点处于同一层次，则选择最小ID的无人机为新的领航者。编队重构具体流程如图3所示。 综上，领航者智能重选策略可归纳为如下过程： 1) 无人机起飞，跟随者朝着领航者靠近并维持编队队形悬停，根据无人机的队形和通信信息流图构建相应的邻接矩阵，利用DFS法找到图中所有的割点，等待新的飞行命令。 2)根据每架无人机返回的ID判断是否有无人机出现故障。 3) 若所有无人机工作正常或是非割点处的无人机出现故障，跳至第5步；若割点处的无人机出现故障，判断是否为领航者。 4) 若不是领航者出现故障，将故障无人机低层次的无人机与高层次的无人机连接通信，同时更新邻接矩阵；若是领航者出现故障，则按照规则重新选定领航者并更新邻接矩阵。 5) 领航者根据预先设定的飞行线路进行轨迹跟踪控制飞行，跟随者根据领航者发来的位置与速度信息进行编队控制飞行。返回第2步。 图2中，顶点1和顶点2为割点，1号领航者出现故障，只剩下2号割点，将2号无人机选定为领航者，将剩下的连通分量与领航者实行通信连通，重新选定领航者后的编队队形如图4(b)所示，且新的编队通信无向图为连通图。 编队飞行通信程序代码量比较大 [ 14 ] [ 15 ] ，在原有飞行控制器上修改通信程序后还需要重新对整个程序进行编译及下载固件，这会浪费大量的时间，本文开发了模块化的通信设备，只需对通信模块进行修改再连接至飞行控制器即可，极大的方便了通信程序的修改，通信模块如图5所示。
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user: 4. 实验验证 为了验证控制器和通信的有效性，在VICON光学运动捕捉系统(简称VICON)的环境下进行编队飞行实验，VICON可以通过安装在四周的红外摄像头捕捉对象，并在其构建的坐标系下获取对象的位置和速度等信息，具有精度高，采样频率快等优点，VICON及其相关软件如图6所示。 在室内VICON环境的坐标系下预先设定编队飞行轨迹与编队队形，由于室内环境空间有限，VICON环境下的坐标系为5 m × 5 m的空间，编队飞行轨迹为直线，编队队形为三角形，具体如图7所示。 三机编队飞行轨迹如图8所示。 从图8可以看出，在室内VICON环境下，领航者可以较好的跟踪设定轨迹，跟随者也能迅速的跟随领航者，从而保持编队队形。 图3. 编队重构流程图 图4. 编队重构前后对比图 为了验证无人机群在有无人机出现故障后编队队形是否能够保持，实验中将模拟领航者出现故障，程序中设定机群在巡航飞行的过程中领航者突然从自动模式切换至降落模式，此时串口不再向下一级跟 图5. 通信数据处理模块 图6. VICON与上位机 图7. 编队队形图 图8. 编队飞行轨迹图 图9. 编队重构轨迹图 随者发送参考量，领航者降落后自动上锁不再飞行，剩余无人机因为接收不到信号先在当前地点悬停，根据优先级重新选择领航者，VICON上位机继续发送参考轨迹至新的领航者，并将新领航者的ID发送至跟随者，跟随者通过ID连接至跟随者从而保持通信网络的连通继续编队飞行，编队重构实验结果如图9所示。 从图9可以看出，本文中轨迹跟踪控制器能够使领航者按照预定的路径飞行，编队控制器能够保持机群编队队形，智能通信控制能够有效地维持机群中无人机出现故障时通信图的连通性。
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user: 5. 结论 针对领航–跟随者编队方法的无人机自主编队飞行控制的问题，设计了轨迹跟踪控制器以及队形保持控制器，在编队控制器中加入误差混合器，使跟随者不仅能够快速的跟随领航者的机动变化，还能有效的保持编队队形。同时在机群通信中采用了基于代数图论的智能决策方法，解决了领航者或者其它无人机出现故障导致飞行任务失败的问题。实验结果表明编队控制器能够很好的实现编队巡航飞行，并且在故障情况下也能实现编队重构。
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user: 摘 要 本文首先扼要地回顾了网络控制理论和量化控制理论的发展，将网络控制与量化控制相结合，对其结构和特征进行分析和研究，重点探讨和回顾了基于网络的量化反馈控制系统在考虑时延、丢包、量化以及网络带宽等因素下的稳定性分析、量化器设计、控制器设计、鲁棒性分析等的研究成果和发展现状，最后对基于网络的量化控制系统的研究现状给出了一些较为全面的描述，同时也提出了一些尚未解决的问题，就未来进一步的研究工作有一定的指导意义。 关键词 :网络控制，量化控制，量化器，稳定性分析 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 2. 网络化控制系统中的量化器设计 NCSs的显著特点是控制器与被控对象之间的信息传输是通过通信网络实现的。由于通信网络单次传输的比特值为有限个数，因此系统状态 x k 在传输前必须进行离散化。在系统回路中，量化编码器 Q k : R n → S k 的作用是把系统状态 x k 映射到集合 S k 中的单个元素，单个元素被编码成可用于通信传输的二进制序列。在信道的另一端，解码器接收信道输出并生成状态估计 x ^ k 。在上述过程中，由于编码/解码器的存在将系统状态 x k 离散化后从而产生了量化误差，即 x k − x ^ k ≠ 0 ，而如何刻画量化误差对系统的影响是需要解决的一个基本问题。直观地分析，如果通信数率越低，则 S k 的元素数量越少，量化误差越大；反之亦然，如果量化误差太大，则控制器获得的系统信息越少，以至它可能无法使该系统稳定。因此，减少和量化误差对系统控制性能和稳定性的影响成为网络控制研究的一个热点课题。根据对量化问题的研究分析，总结出两条主线：第一，在量化器的选择问题上，不同的量化器不仅具有不同的量化误差，而且对系统稳定性也有不同的影响；第二，在量化密度的设计问题上，不同的量化器具有不同的量化密度特性，并且随着外界条件的变化，量化密度也一直保持或变化，这对NCSs的稳定性和控制性能均有较大影响。现有关于NCSs量化状态反馈控制的研究主要集中在如图2所示的系统结构，考虑n维离散时间系统： x k + 1 = A x k + B u k (1) 式中， x k ∈ R n 是系统状态， u k ∈ R m 是控制输入，且(A， B)是可镇定的。 量化器可根据结构不同分为线性量化器和非线性量化器，如图3表示步长为 Δ 的线性量化器且通常可以用以下数学形式表示： q l ( x ) = ∑ i y i L s i ( x ) (2) 式中 L s i ( x ) = { 1 ，         x ∈ S 0 ，       x ∉ S 由于量化误差的出现，量化研究的核心问题就是如何在步数和平均误差之间做出平衡。文献 [ 8 ] 中，Oliver等人在分析通信中的脉冲编码调节器时指出一个步长为 Δ 的线性量化器，它的平均误差是 D ( q ) = Δ 2 / 12 。Bennett发现，在高精度和密度函数光滑的情况下，量化误差类似于具有均匀分布和几乎 与输入信号无关的白噪声 [ 28 ] ；随后Widroz等人进一步研究和推广了该结果 [ 10 ] 。文献 [ 2 ] 中，Delchamps研究了离散时不变系统中的量化反馈镇定问题，文中指出在传统意义上通过状态量化去控制系统并不能达到渐进稳定效果，但对于可镇定控制系统，通过量化反馈则可以使系统轨迹长时间趋向于任意小区间。 非线性量化器是根据信号的大小制定量化阶级的，量化步长均不相等，对数量化器是一类比较特殊的非线性量化器。对数量化器中采集信号越小步长越小，则量化误差也越小。因此对于小信号量化，采用对数量化器比较适合。图4描述的是对数量化器，常规的对数量化器数学表达式为： q ( y ) = { v i ，         v i 1 + δ < y < v i 1 − δ ，   y > 0 0 ，                               y = 0 − q ( − y ) ，           y < 0 (3) 其中： U = { ± v i = ρ i v 0 ， i = ± 1 ， ± 2 ， ⋯ } ∪ { 0 } ( 0 < ρ < 1 ， v 0 > 0 ) 为量化值的集合。从量化器的密度分析，可知线性量化器的密度是无限的，而对数量化器的密度是 2 / I n ( 1 / ρ ) 。因此，在解决无线NCSs带宽有限问题时对数量化器具有一定优势。 由于对数量化器具有密度小等优点，近些年来得到了很多学者的关注。2001年Elia和Mitter在文献 图2. 量化反馈控制系统 图3. 线性量化器 图4. 对数量化器 [ 12 ] 中首次提出对数量化器，他们证明了对数量化器是最粗糙(即密度最小)的量化器，同时讨论了量化状态反馈下，单输入单输出(Single-Input Single-Output， SISO)系统的二次镇定性问题。文献 [ 13 ] 将文献 [ 12 ] 的结果推广到多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output， MIMO)系统，并指出对数量化反馈问题可以转化为鲁棒控制问题来研究，这对对数量化器的研究起到至关重要的作用。 为了进一步分析量化器，我们分析量化器的当前状态，即静态量化器和动态量化器。静态量化策略的量化范围是常数，并且每个比特通过固定(静态)方法被映射到量化范围的特定子集。这种方法易与实现，但想保证一个无噪声控制系统的稳定性，量化比特数需要满足 R → ∞ 要求，而量化比特数为有限个数时，最终只能达到状态变量的界。相对于静态量化策略，动态量化策略可以选择一个可变的量化范围，并且量化比特数与量化范围的子集之间的映射关系也可以是时变的，虽然量化过程相对复杂，但是动态量化策略可以通过有限个量化比特数来保证无线噪声线性系统的渐进稳定性。最终控制结果表明在带宽约束的情况下动态量化策略比静态量化策略具有更多优势。