发布时间：2023-03-13 11:16:17
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的设计方法样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
自2010年研究生入学以来，便一直和导师在做与手持IT设备相关的一些研究和一些实际项目。这是一个前景非常广阔的领域。在这些研究过程中，我感觉到随着手持IT移动端功能模块的不断叠加，导致产品的可用性和人机交互性有所降低。而未来随着移动技术的不断发展，突破以产品功能为主而忽略人机的局面，着重于功能的丰富性和用户体验之间的高度契合将成为手持IT产品的一大重要课题。
纸张的消费随着互联网的飞速发展，每年已成倍的速度在增长。随之打印机的销量也在飞速的增加。这些结果预示着打印机并不会随之而消亡，而会发展的越来越迅猛，应用领域也越来越广泛。手持打印标签机，即属于打印机系统下面的一个分支，也可以说是一种满足特殊需求的手持移动端。在标签机的早期阶段，随着工业时代生产力的极大发展，仓库，工厂，商场，办公室等越来越多的地方需要各种类型的标签。传统意义上的打印机一般用于办公室和家庭，需要与计算机连接，体积庞大不便于携带，无法满足大部分用户。
在手持标签打印机的整个操作流程中，由于需要通过手对其进行携带，把持，操作，同时需要频繁通过使用者读取，输入来对其有关的信息进行处理，所以其人机形态和操作界面的布局设计涉及到了更多复杂的交互方式和交互因素。另一方面其中有很多本想为用户提供更多便利的先进技术、功能完备的新产品却因设计师与使用者所在文化、社会、知识等的差异的影响，让使用者有些措手不及，面对操作复杂、功能强大的新鲜事物感到生理和心理的疲惫，对此，一套合理的设计方法势在必行。（图1）
图1
用户体验要求就是指用户在使用和操作产品时的行为，包括用户的需求、目标和偏好。设计师需要发现这些并为其设计。在此之间设计师需要对产品使用者进行详细的调查，调查的方式i包括问卷的形式、用户访谈、用户行为观察等。其次对问卷问题进行筛选和总结，这就需要设计师能够准确的把握住用户的心理特征，要知道什么样的问题是使用者所关心的。最后对问卷结果再一次进行归纳总结，得出一个能够代表大多数用户需求的合集，我们称其为用户模型。以手持标签打印机问卷调查为例，特别围绕手持标签打印机的人机工程学、可用性、美学、等三个方面设计调查问题。
1.人机工程学方面的问题：
* 在使用手持标签打印机时，您最在意的是哪些方面？
* 在操作手持标签打印机时，你觉得哪些区域对于舒适度更加敏感？
* 在操手持标签打印机时，你觉得会产生哪些不舒适感？
* 您认为影响手持标签打印机的操作方式是什么？
2.可用性的问题
* 您习惯操作方式是什么？
* 您认为标签打印机的操作按键应该在视觉的正面还是在侧面？
* 您认为现有手持标签打印机的按键会不会因为过于小而难以操作？
3.美学因素
* 您更看重是手持标签打印机的外观，品牌还是功能。
* 您认为手持标签打印机的造型对您的工作心情有影响吗？
* 您希望手持标签打印机的外观造型趋向于曲线修长型还是方正硬朗型？
您希望手持标签打印机的按键形状是什么样的？
通过分析资料建立用户模型，主要包括用户对使用方式、对按键改进方面、外观审美方面、情感价值、用户思维模型。从标签打印机的手持方式，操作方式和美学因素上所得到的结论是：第一，用户需求手持操作要达到一定的舒适度，手与打印机的契合度要适中以及标签打印机对使用者手部位置的压力要分布均匀。操作方式上用户要求在操作按键上做人性化处理，包括按键大小、按键的排布方式等。美学因素上用户对于打印机的外观造型需求：简洁统一、需要与用户的情感联系起来等要求。
产品的可用性要求ii是指产品对用户来说有效、易学、好记及令人满意的程度，即用户能否用产品完成他的任务，效率如何，主观感受怎样。如何更快的让用户在生理和心理上接受产品，即产品的生理接受性与心理接受性。这就需要设计师对产品的特征要求足够了解。通过文献资料等理论作为设计依据对产品进行初步的概念设计。我们称其为概念模型。最后通过概念模型与用户模型相结合最终形成用户心智模型iii。在对其进行产品的方案设计。对最终设计出的用户心智模型做设计评价。
通过对标签打印机手持方式设计的人机交互研究出发，通过对IT产品特点进行用户问卷调查，数据整理和统计建立了手持标签打印机的用户模型和基于用户心智模型的手持标签打印机的交互设计方法。并运用其方法对实践进行指导，评价，总结。
注释：
i 美德利威斯著， 魏勇刚， 龙长权等译.量表编制-理论与应用.重庆：重庆大学出版社，2004.0
关键词：合作型设计；环境改造；人口特征
1 合作型设计
公众的意愿与诉求是规划及设计决策的依据，合作性设计即是使设计师与公众之间形成合作关系，公众将自己的需求与设计师交流沟通，并从设计初期的研究开始贯穿整个设计过程直至设计的决策，而设计师则充当公众意愿的倡导者，保证公众的意愿在规划设计中得以体现。
2 项目解读
2.1 社区概况
汽发社区位于武汉市珞瑜路与关山大道丁字口处，毗邻光谷广场，北面为华中科技大学，南面以光谷街为界，东面为长江动力集团，西临常青藤名苑、湖北省中医院。
汽发社区上个世纪50、60年代的产物，为集团家属区，历经了岁月的侵蚀，现在的汽发社区已衰败破旧，与周围繁华发达的城市景观格格不入，它正挣扎着、在夹缝中努力着，寻找它在这个城市中的位子。
2.2 项目目标解析
2.2.1 对社区环境的改造提出建议
汽发社区随处可见任意丢弃的垃圾，肆意停放或横行的汽车、电动车、自行车，以及荒弃的活动空间，其拥有的人居环境与现在环境优美的居住区可以说有天壤之别。因此，对汽发社区并不理想的生活环境进行改造便成为了此次项目的直接目标，以服务于社区居民，为社区居民提供良好的生活居住环境。
2.2.2 合作性设计方法的探究
此次项目是对合作性设计方法的探究，设计者希望摆脱惯有的蓝图式设计方法，将整个设计建立在汽发社区居民的想法上，使居民充分的参与项目的每一个过程，做到真正意义上的实现公众参与。
2.3 汽发社区特征解析
汽发社区为典型的老旧社区，这样的社区除了居住环境较为恶劣外，其最突出的特征即在于其人口结构，这也是使这样的老旧社区形成现有文化特征的最重要因素。
汽发社区的人口结构具有两点非常鲜明的特征。首先，老年人所占比例大概占整个社区的30%左右，很明显，汽发社区属于老年人社区；其次，社区中大部分人居民为租客，占整个社区居民的40%左右。
2.3.1 社区原住民
这一部分居民大多为集团老员工，在与他们的谈话中得知，年轻员工几乎都全部搬出汽发社区，以寻求更好的居住条件，现在留下的基本上为老年人。
2.3.2 租客
通过调查得知，由于汽发社区房屋破旧，其租金非常便宜，因此吸引了大量的外来打工者——即租客。租客是整个社区中极为重要的组成部分，他们来自于各行各业，由于汽发社区极为廉价的租金而聚集在了一起。
2.4 项目问题及特征解析
2.4.1 项目问题
2.4.1.1 与原住民的合作
社区中的原住民几乎是从社区落成时便住在里面，他们是社区的活跃分子，是社区活动中的中坚组成部分，对社区充满感情。但是由于大部分原住民为老人，除了对于规划设计中的许多问题无法理解之外，还有一个非常严重的问题，即无法对社区的改造提出意见，他们无法定义自己认为适宜居住的环境，只能被动的接受外界给出的条件，没有自主参与改造的能力，在对社区的改造上显得力不从心。
2.4.1.2 与租客的合作
租客平时比较冷漠，很少参与社区活动，租客和原住民之间几乎没有交流互动，各个租客之间交流也很少。他们虽然住在同一社区，但却都是单独的个体，社区对于他们来说指挥一个临时的落脚点，随时可以住进来，也随时可以离开。因此，对于社区的改造，他们是持一种漠不关心、事不关己的态度。
2.4.2 项目特征
汽发社区特有的人群结构使得项目的合作有别于普通合作性设计，与原住民之间的沟通障碍和与租客间的交流隔阂对项目的进行形成了巨大障碍。社区原住民对项目呈现出被动的状态，而租客则呈现出抗拒的态度。因此，如何调动这两类人群的公众参与积极性成为了使此项目比普通的合作性项目更有难度，也是此次社区环境改造中需要重点突破的问题。
2.5 合作型设计方法探究
2.5.1 由政府机构引导的合作型设计模式
中国特有的社会体制，决定了政府机构对公众参与的引导作用，而在此项目中则反应为基层居民管理机构——即居委会对社区居民积极性的引导。
为了改善社区居民对社区环境改造的被动状态，居委会充分发挥了其对社区居民的引导作用。在项目得到了得到了居委会热情的支持后，由居委会组织与安排展开了一系列的宣传与引导，主要包括两种方式，第一种方式是通过居委会统一向居民发放问卷，第二种方式是通过居委会组织统一活动号召党员和一些社区活跃分子以带动整个社区居民参与的积极性。很大一部分居民开始关注本项目，并由一开始的被动态度向主动转移。
居委会的引导对项目的进行起到了推动作用，它成为了设计者与社区居民之间的媒介，协调了两者之间的关系，并为设计者和社区居民之间的合作打下了良好的基础。
2.5.2 问题导向的合作型设计模式
正如前面所提到的，大部分原住民为老人，虽然在社区居委会的引导下激发了他们对于社区的改造的热情，但由于老年人对于良好的社区环境几乎没有认知，所以他们无法直接向设计者传递他们的需求。因此，在对这一部分居民进行需求及意愿调查时，设计者并没有直接询问居民对社区环境的愿景，而是采用了问题导向型的调查方式，即通过居民反映出的社区问题来获取社区的信息，成为之后设计过程中的依据。
这种方式是对设计语言的一种转换，由于居民无法向设计者直接表达最终需求，所以便通过中间媒介的转换，由居民反映问题，再由设计者将问题转换为设计语言。
2.5.3 激发式的合作型设计模式
租客对于社区环境好坏持无所谓态度，仅有少数租客会在设计者的热情邀请下与之交流，反映社区状况。在与租客的接触中可以发现，租客收入少、社会地位低，导致他们对于生活的热情不高；其次，租客通常较为急躁，所以通常无法耐心参与社区环境改造。这两点直接导致在前期调查中无法收集租客的意愿及需求，也正是导致设计者无法与租客合作设计的根本原因。
通过初期的调查及居民意向反映，第一轮的社区环境改造方案出炉，这个时候的方案是较为缺乏租客的意向的。为了激发租客的积极性，设计者将初期作品通过模型、图片等直观的载体在居民日常活动频率较高的地点进行展示，以引起居民的好奇心，当然其中便不乏大量的租客，这个短暂的停留便赢取了与租客进行交流的机会。
传统的方案设计过程可以大致分为三步，一为初期调查、二为方案设计，三为方案决策，通常二会在一结束后再进行，而在这种设计模式中，由于初期调查并不完善，所以设计者将设计的一二两个步骤融合，以二来弥补一的不足。这种合作设计模式改变传统的由调查再到设计的方法，运用灵活的操作使得各方面趋于完善。
2.5.4 交流式的合作型设计模式
在成功引导了原住民的共参与和激发了租客的公众参与后，项目进入了正式的设计过程，由于前期已经将与居民交流上的障碍突破，所以在后期方案设计中便实现了真正意义上的合作——即居民主动参与到设计中，并对设计提出意见与建议，以使居民的需求充分的融入到设计中。
这个环节与常规的合作型设计相同，但难得的是突破了与社区原住民以及租客之间的障碍，所以相同中又有些许独特之处。
3 从合作性项目中获得的启发
3.1 对于与具有特征的公众进行合作行设计的思考
在中国，与汽发社区具有相同特征的社区不在少数，而老年人以及租客这两种人群却常由于其特殊性而不被考虑在合作设计范围内，除此之外，弱势群体等同样具有代表特征的公众群体也常遭受与老年人和租客一样的待遇。通过本项目的探索，与这样的带有一定特征的人群进行合作虽然可能具有难度，但有时反而会是一个设计中的重要考虑因素，不可忽略。反思在现在的许多设计中，设计者常常为了简单方便而忽视与部分群体的沟通合作，这正是一种避重就轻的错误表现。
3.2 对于中国现有公众参与情况的思考
关键词 对角优势；极限点；极限增益；极限频率；多变量控制系统
中图分类号 TP13 文献标识码 A
the design method for multivariable PID controller based on INA method
CUI Lianjie1 CAO Ming2 SONG Jianfeng1 ZHANG Min1
1(Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Co., LTD, Dalian 116001,China )
2(Automation Department of Southeast University, Nanjing 210096，China)
【Abstract 】 A design method of the multivariable PID controller based on Inverse Nyquist Array method is proposed based on reading plenty of literatures in this paper. The theoretical basis and related concepts (ultimate point, ultimate gain and ultimate frequency) of this design method is launched firstly. Take TITO multiloop sytem for example, the design methodology is introduced in detail on the basis of brief introduction of the theoretical basis and related concepts (ultimate point, ultimate gain and ultimate frequency). At the same time, a series of comparative simulation experiments between this proposed design method and the design method proposed by [8] are given with related analysis and conclusion.
【Key words】diagonally dominant; ultimate point; ultimate gain; ultimate frequency; multivariable control
0 引 言
罗森布洛克（H.H.Rosen-brock）在1969年提出的奈奎斯特阵列设计法[1] （正Nyquist阵列（DNA）设计方法和逆Nyquist阵列（INA）设计方法）是多变量系统的频域理论中提出最早、应用广泛的一种方法。它是基于近似对角矩阵的设想，利用对角优势的概念发展起来的一种分析和设计方法[2]。奈奎斯特阵列设计法在多变量控制系统设计领域占有举足轻重的地位，自诞生以来，一直是多变量控制系统领域学者们研究的热点。文献[3]和[4]是对逆Nyquist阵列设计方法的扩展，其中文献[3]提出了一种鲁棒逆Nyquist设计方法。逆Nyquist阵列设计方法在多变量控制系统设计中得到了广泛地应用[5][6][7]。另外，以正Nyquist阵列设计方法为基础的多变量PID控制器设计方法[8][9][10]也在多变量控制系统领域得到了广泛的应用。
PID控制作为经典的控制策略之一，产生并发展于1915年~1940年期间[11]。其算法简单，易于工程实现，并具有良好的鲁棒性和简易的操作性，在电力、化工、石油、冶金和机械等工业过程中得到了广泛地应用。对于单变量控制对象而言，其PID控制器的参数整定方法已趋于完善；然而，对于多变量控制对象而言，多变量控制系统的内部互联性使得多变量PID控制器的设计比单变量PID控制器的设计要复杂得多。一直以来，多变量PID控制器的设计是多变量控制系统设计领域的研究热点。目前，已有大量的相关文献。就自己检索到的相关文献而言，多变量的PID控制器的设计方法大致可以分为两类，第一类是基于解耦控制的设计方法；第二类是不需要解耦的直接设计方法。文献[8]、[9]、[12]、[13]中所提出的设计方法都属于第一类方法。其中文献[8]提出了一种基于正Nyquist阵列（DNA）设计方法中Gershgorin带的设计方法，文献[9]对这种设计方法进行了一定的改进，在文献[8]、[9]所提出的设计方法中，使用了PID控制参数的经验整定公式来求解控制参数，从而简化了计算过程，然而，同时使得这种设计方法具有一定的狭隘性。1986年William L. Luyben基于单变量控制系统的传统PID控制器的整定思想，提出了BLT（Biggest Log Modulus Tuning）法，这是第二类方法的典型代表，此方法为后续的多变量PID控制器设计方法的研究提供了一个起点。文献[14]所提出的设定方法也属于第二类方法，它将单变量控制系统的极限点整定思路运用到多变量控制系统的PID控制器的设计中，从而提出了一种有效的多变量PID控制器设计方法，这种设计方法涉及到一个预期临界点（DCP）的概念，对于如何选择预期临界点的问题，在许多文献中有相关的论述[15][16]。
本文提出一种基于逆Nyquist阵列（INA）设计方法的多变量PID控制器设计方法。首先，简要介绍了设计方法的理论基础和相关概念（极限点以及极限增益和极限频率）；其次，基于增大求解方法选择性的目的，本文给出了一种新的求解极限增益和极限频率的计算方法；再次，以TITO多变量控制系统为例，简述设计思路，并给出其推导过程及其设计步骤；然后，在本文所提出的设计方法与文献[8]所提出的设计方法之间，进行了简要地比较分析；最后，借助仿真实验，进一步探讨了本文所提出的设计方法，而且与文献[8]所提出的设计方法进行了一系列的对比仿真实验，并给出了相关的分析和结论。
1 基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法
1.1 理论基础
在多变量的频域理论中，对角优势系统的奈奎斯特稳定判据是一个重要而且极具工程设计意义的定理。下面所要阐述的多变量PID控制器设计方法就是以基于逆奈奎斯特阵列稳定判据[17]作为理论基础。这里需要指出，该设计方法是针对开环稳定系统而提出的。
根据上述稳定判据，可知：对于开环稳定系统来说，如果系统的开环传递函数矩阵的逆具有对角优势，且其各对角元素对应的Gershgorin带的包络线与负实轴的交点都在 的左侧，那么该闭环系统必然稳定。该多变量控制器的设计方法就是在这个结论的指导下进行的。
1.2 极限点定义
文献[8]给出了极限点以及极限频率和极限增益的定义，其中极限点的定义有些狭隘，现给出一个更准确的定义。
定义2.1 设多变量控制系统的对象传递函数矩阵 具有列对角优势，而且第 个对角元素的Gershgorin带与实轴相交于一个或多个点，把其中距离原点最远的交点定义为对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点。
定义2.2 设极限点在复平面内的坐标为 ，则对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点的极限增益为 。
定义2.3 把对应于 第 个对角元素Gershgorin带的极限点的频率定义为极限频率。
在此，对极限点的相关概念有如下几点说明：
(1) 文献[8]给出的极限点的定义把极限点的范围限定在Gershgorin带与负实轴的交点中，在此，所给出的极限点的定义将这种限定扩展到Gershgorin带与实轴的交点中。
(2) 从上述定义中，不难看出极限增益的本质是：在P控制器的控制下，能够使得Gershgorin带的极限点恰好为 时的控制器参数。
(3) 实际上，极限点就是相应Gershgorin带的外包络线（若存在）与实轴的其中一个交点。
(4) 对于某些系统来说，相应Gershgorin带的外包络线在零频率处所对应的点可能在实轴上，但是一般并不把此点作为极限点的考虑对象。
(5) 对于绝大部分的MIMO系统，该极限点是唯一确定的，因此，相应的极限增益和极限频率也是唯一的。
本文提出的设计方法所对应极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义有所不同，现给出其相应极限点的定义。
定义2.4 设多变量控制系统的对象传递函数矩阵的逆 具有行对角优势，而且第 个对角元素的Gershgorin带与实轴相交于一个或多个点，把其中距离原点最近的交点定义为对应于 第 个对角元素的Gershgorin带的极限点。
相应极限增益和极限频率的定义分别与定义2.2、定义2.3相同，在此，不再赘述。
本文提出的设计方法所对应的极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义之间的比较：
(1) 本文提出的设计方法所对应的极限点的定义与文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义相似，一些相关的结论也相同，比如上述对文献[8]提出的设计方法所对应极限点的定义的几点说明。
(2) 从上述两种极限点的定义中，可以看出，两者主要区别在于Gershgorin带与实轴交点的选择条件，即：一个是距离原点最远的交点，一个是距离原点最近的交点。
基于INA设计方法的极限增益与极限频率的计算可以借鉴文献[8]、[9]中所提出的计算方法。一般不要超过两行。（小五 宋体）
1.3 推导过程
由于计算过程复杂，以TITO多变量控制系统为例，简述设计思路，并给出其推导过程。为了便于叙述，现假设如下：
到此，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法的所有推导过程完成。这里需要指出，上述推导计算过程可以使用MATLAB软件来实现。
1.4 设计步骤
简单归纳一下基于INA设计方法的多变量PID控制器设计步骤，如下所述：
(1) 首先判断对象传递函数矩阵的逆 是否具有行对角优势，若具有行对角优势，直接转到步骤(3)。
(2) 设计预补偿器，实现 具有行对角优势。借鉴文献[18]所提供的常熟补偿矩阵计算方法设计预补偿器。对于设计过程中的对焦优势频率范围的问题，建议要保证 的行Gershgorin带在所选的频率范围内与实轴有交点。这里需要指出，本文只考虑常数补偿器的预补偿方案。
(3) 计算 的各对角元素行Gershgorin带所对应的极限增益 和极限频率 。可使用文献[8]和文献[9]所提及的计算方法来计算极限增益和极限频率。在这里需要注意，在计算极限增益 和极限频率 时，计算的相关步长要尽可能的小，否则，对于某些对象而言，会出现较大的计算误差，甚至是错误计算。
(4) 设定寻优参数的范围。寻优参数的范围可按如下原则来确定。
对于 ， ，可以选择 ， 的某个范围；对于 ，可以选择 ， 的小范围；对于 ，一般在零附近的小范围内取值。有时也可以根据 第 个对角元素的Gershgorin带的形状来确定设置点 的移动方向。在这里需要指出：一般来说，按照上述原则，可以很快找到稳定的控制参数，但这些原则并不是绝对的。
(5) 计算PID控制参数。确定好 ， ， ， 后，利用方程（15），求解 ，然后，用不等式10判断 的有效性。如果 在上述范围内，也就是说 是有效的，那么用式9求解 。在得到 ， 后，利用式17、式18计算PID控制参数。
从上述步骤中，可以看出：该设计方法的计算量较大，其中的原因如下所述：
首先，本文所考虑的PID控制器的形式较为复杂，即 ，若考虑PI控制器或者PID控制器的形式为 时，该设计方法的计算量会大大减少；其次，为了寻找更优的控制参数，在该设计方法的计算过程中没有采取任何经验公式来简化计算过程。
1.5 算法比较分析
文献[8]所提出的设计方法和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法都属于基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法，现对这两种设计方法进行简要的比较分析。
文献[8]所提出的设计方法计算简便，可以找到较优的控制参数，是一种有效的多变量PID控制器设计方法。同时，它也存在着一些缺点。由于该方法是使用某些经验公式来求取控制参数，因此，在进行PID控制参数寻优时，该设计方法存在一定的狭隘性。对于一些特定的多变量控制系统可能存在无法得到满意控制参数的问题。另外，该设计方法需要实现传递函数矩阵在某个频段内具有列对角优势，以便求取各列Gershgorin带所对应的极限增益和极限频率。然而，对于一些特定的控制对象来说，要想得到各列Gershgorin带对应的极限增益和极限频率，需要在一个较大的频段内进行计算，这样一来，就增加了计算量。
可以将文献[8]所提出的设计方法看作是一种基于正Nyquist阵列（DNA）设计方法的多变量PID控制器设计方法，而本文所提出的设计方法是基于逆Nyquist阵列（INA）设计方法的。采用逆传递函数矩阵进行多变量控制系统的设计具有很多优点[1]，这些优点从侧面说明了本文所提出的设计方法具有文献[8]所提出设计方法所无法比拟的优点。另外，该设计方法思路清楚，可以实现大范围寻优。然而，该设计方法的计算过程复杂，计算量大。在分析文献[8]所提出多变量PID控制器设计方法时，提到了对象传递函数矩阵对角优势频段的问题。在此，针对这个问题，给出一个建议：通过一些仿真例子，发现上述两种设计方法在这个问题上存在此消彼长的一种规律，因此，在实际应用中，可以选择性的使用这两种方法来减小这种问题对设计工作带来的影响。
2 实例验证仿真
为了进一步深入研究基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法和验证该设计方法的有效性，选取以下两个典型对象模型作为研究对象，进行一系列的仿真实验研究。
仿真模型1：在许多文献中[8][14][12][19]，前人都把Wood-Berry蒸馏塔作为研究对象。其数学模型如下所示：
仿真模型2：在文献[14][16][19]中，采用下述模型作为研究对象，本文也以此作为一个研究对象。该数学模型如下所示：
2.1 常数补偿器设计
仿真模型1的传递函数矩阵及其逆对应的Gershgorin带以及各对应元素组成的Nyquist曲线对如图1，图2所示。
从图1和图2中可以看出：仿真模型1的传递函数矩阵具有列对角优势，同时其传递函数矩阵的逆具有行对角优势。因此，在使用基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法时，不需要额外的补偿环节。
从图3和图4中可以看出：仿真模型2的传递函数矩阵不具有列对角优势，同时其传递函数矩阵的逆也不具有行对角优势。因此，在使用基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法时，需要额外的补偿环节。借鉴文献[18]所给出的常数补偿矩阵算法得到模型2的传递函数矩阵所对应的常数补偿矩阵 及其传递函数矩阵的逆所对应的常数补偿矩阵 。其结果如下所示。
利用上述常数补偿矩阵对模型2的传递函数矩阵及其逆补偿后，相应的Gershgorin带图以及相应的Nyquist曲线对如图5和图6所示。
从图5和图6中可以看出：常数补偿矩阵使得仿真模型2的传递函数矩阵及其逆在必要频段上具有了对角优势。这里需要指出，在进行仿真时，需要将 取逆后作为常数补偿器加入到仿真平台中。
2.2 验证仿真
文献[8]所提出的设计方法和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法都属于基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法，下面将通过实例仿真实验，对这两种基于对角优势特性的多变量PID控制器设计方法进行比较。这里需要指出，因为文献[8]所采用的PID控制器形式与本文所考虑的PID控制器形式并不一致，所以在进行仿真结果比较时，并没有使用文献[8]所给出的控制参数，而是采用了双协调因子 的方法扩大了文献[8]所给出的设计方法的寻优范围，来求取更好的控制参数。关于仿真模型1和仿真模型2的传递函数矩阵及其逆的对角优势问题已在3.1节中给出论述，在下面的叙述中，不再提及该问题。另外，为了方便表达，将基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法简记为BINA，将文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法简记为BDNA。
对于仿真模型1，两种设计方法所给出的PID控制器参数如表1所示。文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法所对应的极限增益和极限频率为：
从图7中可以看出，对于第一控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量和调节时间都明显小于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，而且抗干扰的性能也好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。对于第二控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的震荡性明显弱于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，同时，调节时间略大于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，其抗干扰的性能明显好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。
从图8中可以看出，对于第一控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量明显大于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，在调节时间上，两种设计方法相差无几；基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法的抗干扰的性能稍好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。对于第二控制回路而言，基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制系统在设定值阶跃扰动下的超调量和调节时间都明显小于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法；但其抗干扰的性能稍逊于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法。
从上述仿真结果中可以看出和基于INA设计方法的多变量PID控制器设计方法所设计的控制器性能要好于文献[8]所提出的多变量PID控制器设计方法，但在某些控制性能方面各有千秋，因此，在进行多变量PID控制器设计时，可以选择性的使用这两种设计方法。
3 结 论
从本文的叙述中可以看出，本文所提出的多变量PID控制器设计方法是逆Nyquist阵列（INA）设计思想的实现，与文献[8]所提出的设计方法之间存在着一种互为补充的关系，是一种可行有效的多变量PID控制器设计方法。同时，该设计方法一味的追求更优的计算结果，没有进行合理的简化，从而计算量较大，计算过程复杂。
参考文献[参考资料]
[1] 高黛陵，吴麒.多变量频率域控制理论[M].北京：清华大学出版社，1998.
[2] 王诗宓.多变量控制系统的分析和设计.北京：中国电力出版社，1996.
[3] Dailing Gao,Lin Zhang.The robust inverse nyquist array (RINA) method for the design of multivariable control system[C]. Proceedings of 1993 IEEE Region 10 Conference on Computer, Communication, Control and Power Engineering. Beijing, China:IEEE, 1993. 234-237.
[4] Neil Munro.Recent extensions to the inverse nyquist array design method [C]. Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control Including The Symposium on Adaptive Processes 24th.New York, USA:IEEE,1985.1852-1857.
[5] 于希宁，管志敏，魏文超.逆奈奎斯特阵列法在单元机组负荷控制系统中的应用研究[C].2006系统仿真及其应用学术交流会论文集：第8卷.合肥：中国自动化学会，2006.732-735.
[6] 周毅平，陈广义，董德山等.逆奈奎斯特阵列法在多变量控制系统设计中的应用[J].大庆石油学院学报，1996,20(2)：46-49.
[7] 段玉波，周毅平，陈广义等.逆奈奎斯特阵列法在蒸汽锅炉温度控制系统设计中的应用[J].哈尔滨工程大学学报，1995,16(2)：18-23.
[8] D Chen,D E Seborg.Multiloop PI/PID controller design based on Gershgorin bands[J]. IEE Proc-Control Theory Appl,2002,149(1): 68-73.
[9] 吴国垣，李东海，薛亚丽等.多变量系统分散PID控制器设计[J].清华大学学报（自然科学版），2004,44(11)：1567-1570.
[10] Weng Khuen Ho,Tong Heng Lee,Wen Xu et al.The direct nyquist array design of PID controllers[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2000,47(1):175-185.
[11] 吴国垣.热力过程TITO系统的PID控制研究[D]：[硕士学位论文].北京：清华大学, 2004.
[12] Weng K Ho, Tong H Lee, Oon P Gan. Tuning of multiloop ProportionalIntegral Derivative controllers based on gain and phase margin specifications[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research,1997,36(6):2231-2238.
[13] 吴晓威，张井岗，赵志诚.多变量系统的PID控制器设计[J].信息与控制，2008,37(3)：216-321.
[14] Lucíola Campestrini,Luiz Carlos Stevanatto Filho, Alexandre Sanfelice Bazanella.Tuning of multivariable decentralized controllers through the ultimate-point method[J].IEEE Transactions Control System Technology, 2009,17(6): 1270-1281.
[15] Y Halevi,Z J Palmor,T Efrati.Automatic tuning of decentralized PID controllers for MIMO processes[J].Journal of Process Control,1997,7(2):119-128.
[16] Z J Palmor,Y Halevi,N Krasney.Automatic tuning of decentralized PID controllers for TITO processes[J].Automatica,1995,31(7):1001- 1010.
[17] 白方周，庞国仲.多变量频域理论与设计技术[M].北京：国防工业出版社，1988.
[18] 茵.对角优势的常数阵实现[J].控制理论与应用，1988，5(l)：84-89.
[19] Qingguo Wang,Biao Zou,Tongheng Lee et al.Auto-tuning of multivariable PID controllers from decentralized relay feedback[J]. Automatica,1997,33(3):319-330.
崔连杰（1983－），男，硕士研究生，助理工程师，主要研究领域为多变量控制系统设计及应用；
曹鸣（1957－），男，硕士研究生，副教授，主要研究领域为振动信号检测及处理，噪声信号检测及处理等；
【关键词】机械设计；现代设计；传统设计
机械设计是根据产品的使用要求对机械产品的结构、运动形式、工作原理、方式等进行分析、计算和设计并将这些方法应用到具体的设计过程的方法。传统的机械设计方法也称常规机械设计方法，是需要设计人员去检索资料、手工计算和绘图，设计周期长，设计质量不高的产品设计方法。随着科学科学技术的发展，产品迅速的更新换代，传统的机械设计方法已不能满足机械设计人员的设计要求，这就提出了现代机械设计方法。现代机械设计方法是对传统机械设计方法的完善和改变，它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标为宗旨，包含了创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。
1.传统机械设计方法与现代机械设计方法
传统机械设计的方法是以设计人员对于所设计产品的理论认知和工作经验为基础而进行静态、直觉的设计。（1）产品的理论认知来自于长期的设计经验和实验结果，是固定不变的。但现实社会往往是复杂多变的，这就存在设计出的产品考虑不全面，存在安全隐患，我们用安全系数来概述。如果选择的安全系数过大，则投入产品的资金就会增加，成本增加；如果选择的安全系数过小，则在保证产品的安全性方面很难做到。（2）工作经验是设计人员根据所设计产品已经存在的设计过程和经验公式，或设计人员本身的设计思路与同类或者相似产品的设计方法进行类比。随着不断提高的产品技术含量，设计体系变的越来越复杂，传统的机械设计方法已不能满足产品的更新速度和市场的需求。
以思维科学、设计理论系统工程为基础，计算机为工具的现代机械设计方法出现了。与传统机械设计方法相比，现代机械设计方法是动态，科学的。现代机械设计方法设计出的产品比传统机械设计方法所设计出的产品在质量上更可靠、更安全，在外观上更自然、更吸引人，在总体功能上更人性化。显然，现代机械设计方法具有很多传统机械设计方法不能比的特点：（1）随着社会的发展，产品的更新换代很快，设计人员要不断的改善旧产品推出新产品。而在新产品的开发过程中，被动的传统机械设计方法已不能满足要求，需要主动性比较强的现代机械设计方法来适应。（2）现代社会的消费群体在追求先进产品的同时还要求产品的绿色环保性。传统的机械设计方法追求的是产品本身的质量和预定功能，而现代机械设计方法在追求产品预定性能的基础上还要考虑产品在原料的选取、工件的加工、产品的装配、产品的使用到产品的报废回收都需要考虑和环境的关系，保证产品的绿色性。（3）传统机械设计方法一般先根据设计思路制定出第一套方案并做出样机，然后对样机进行试验、评定并且不断的修改直到满意而形成第二套方案，期间耗费高、时间周期长。现代机械设计方法依据各种既定的条件，综合运用优化设计的方法，借助计算机软件设计仿真出产品，设计周期短，耗资低。
2.现代机械设计方法
现代机械设计方法实际上是把科学方法论运用到机械设计当中，它是以设计出的产品为目标的一系列设计方法和先进技术手段的完美结合。现代机械设计方法在不断的完善和改变中，但它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标的宗旨是不会改变的。经归纳总结现代机械设计方法有创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。
2.1系统分析设计方法
传统的分析设计方法一般是把要设计的对象分成独立的几部分来分别进行研究。因为各个部分的研究人员不能及时交流，导致所设计对象的各个部分是独立的，所以得出的结论往往是片面的、不完整的。现代系统分析设计方法把所设计的对象看成是一个完整的系统，用系统工程的方法来进行研究，并且在寻求最佳的设计方案时还要考虑产品或系统的制造过程和运行情况。即系统分析设计应同时考虑系统的开发、系统的制造和系统的运行这三个部分，只有这样才能验证出产品的设计效果。
2.2优化设计方法
现代化的优化设计方法已不再是传统的那种根据设计人员的经验或直观想法来确定结构方案，也不是再满足所设计产品要求的前提下，先确定设计方案再根据安全准则对产品的强度、刚度和寿命等分析计算，然后确定产品的尺寸等；而是不仅要考虑产品结构设计还要同时考虑产品的运输和产品的流通等各个方面。现代机械优化设计方法包含建立优化设计的数学模型和选择恰当的优化设计的方法。因为优化设计方法是根据在寻求数学模型的解决方法时得到产品解决的最优方案，所以设计人员要根据所设计产品的要求建立相应的数学模型，而数学模型一旦建立后，机械问题就变成了一个数学问题。设计人员根据数学模型的特点选择合适的优化设计方法，然后借助计算机软件等工具求出数学解，然后把求出的解应用到机械产品中，满足产品设计的要求。
2.3有限元分析方法
有限元分析方法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代化设计计算方法，它首先是应用在连续力学领域的数值分析方法，随后随着计算机的快速发展而扩展到热、磁等连续性分析领域。有限元分析方法的原理是将要分析的产品划分为有限的、独立而又相互联结的部分，这些部分一般都是常见的形状，比如在有限元分析软件ANSYS中，被分析的产品如果是平面则最好划分为四边形，如果是立体则最好划分为六面体。划分好单元后设计人员需要确定所分析产品的各个变量，然后建立单元函数进行单元求解，最后联立单元方程求解。概括起来说有限元分析方法可以分为三个阶段：前处理阶段是建立有限元模型并进行网格划分；处理阶段是进行参数的确定和单元的计算；后处理阶段是提取分析结果，得出结论。
2.4反求工程设计
反求工程也称为逆向工程，它是以先进的产品为研究对象，通过现代设计方法进行研究分析，探索并掌握产品应用的先进技术，然后设计出同类的先进产品的一系列方法和技术的总称。我国是制造业大国而非制造业强国，要想达到制造业强国关键是人才和技术，外国有很多机械设计方法和技术领先于我们，但他们对我国采取封锁的政策。研究表明运用反求工程设计掌握先进产品的关键技术可以使设计人员的研究周期缩短百分a之四十以上，极大的提高了设计速度。可见研究反求工程设计对我国的技术发展有很重要的意义。一个先进成熟的产品，要在了解掌握原设计的基础上设计出同类有竞争性的新产品也是有一定的难度的，所以反求工程是一种先被动后主动的创造性活动，并非产品设计的逆过程。
关键词：设计色彩艺术设计表现方法
在现代艺术设计专业与产品设计、包装中色彩起着十分重要的作用，它与设计产品造型、图案纹样、材料加工一样，是产品设计的主要内容之一。所以，不同的产品设计本身就包括了不同色彩的设计。而设计色彩与绘画写生色彩既有区别，又有联系。绘画写生色彩是以光照作用下产生的色彩变化为主、对表现物体瞬间引起变化的色彩进行敏锐的捕捉，真实地再现自然物象，绘画者的科学认识与观察是表现写生色彩的正确方式。设计色彩则以绘画写生色彩为基础，根据设计专业的特点和要求，运用色彩归纳、概括、提炼等手段，表现物体之空间，它更注重和强调物象的形式美感以及色彩的对比协调关系，培养设计者表现色彩的能力。绘画色彩是感性的、客观的、空间的、真实的，而设计色彩则是理性的、主观的、平面的。这就要求进行色彩学习时，要有侧重地做写生练习。设计色彩将视觉中观察到的色彩经过有目的地筛选、梳理、提炼、变化体现出来。设计色彩是绘画写生色彩与设计用色之间结合的桥梁，是以培养学生的设计思维及表现能力为主旨，经过绘画写生色彩训练，在具备正确观察和认识色彩的前提下，进入设计色彩表现方法的学习是从事艺术设计色彩的必经之路。
一、设计色彩的特征
设计色彩是艺术设计专业一门基础课程，它对现代艺术设计专业如广告、插图、标志、设计、建筑外观、服装设计有着重要作用。它在美化生活、满足物质需要的同时，也提供了精神上的享受，因此色彩的协调与正确运用是产品成功走向市场的保证。正是由于色彩的特殊性，在绘画写生色彩中可以有个人喜好来运用和表现色彩，而在设计色彩中则不允许有明显的个人偏好。当人的审美观念随着时代的发展而不断提高时，设计色彩也在随着时代而不断创新，并要符合时代性与环境、地域等不同的审美要求。同时强调以实用为前提，注重大众接受为目的，其要求色彩效果明确、清晰、单纯。设计色彩在绘画写生色彩的基础上通过高度概括、提炼、归纳等手段，夸张变化地表现出来。它不受光源色、环境色、固有色的影响，它的最大特点就是不满足于自然中客观变化的色彩，而要灵活地调配出比现实生活更理想的色彩，表现出更高境界的色彩。这就要求设计者有丰富的想象力和对色彩的控制能力，同时具备较高的个人审美艺术修养。
二、设计色彩的配色
艺术设计作品的造型以写实和变形为主。写实是指比较真实地反映生活中的物象特征；变形是在不背离物象的基础特征以及自然规律的前提下，根据设计者的审美取向和审美感受对物象进行概括、简化，改变其表现物象的外在形式，将“自然”形态转化为艺术形态，它是对自然物象“形”的美化过程。“变形”是依据不同对象特征所进行的变形，是自然物象的升华。“写实”与“变形”二者是相互联系的。视觉的需要促使着形的变化，有韵味、意味、趣味的“变形”也满足了形式与内容的高度统一。而设计色彩主要以表现平面、单纯、秩序的形式为了。在艺术设计中出现的形象，无论是二维形象还是三维形象，在构图上都处于平面状态；而物象色彩多采用单纯的颜色，使形象具有审美感染力和表现力，形成画面效果所具有的秩序感、韵律感、节奏感。这些形式设计者一般采用重复、渐变、放射、对比、统一等法则来体现，最终达到赏心悦目的效果。设计色彩配色原理，艺术设备者设计色彩时在颜色选择上可以丰富多彩，也可以只选几个颜色，甚至用一种颜色来表现。设计色彩作品之所以打动人，不在于色彩是否强烈，而是色彩的丰富变化上。即使用一种颜色通过黑、白、灰变化其明度或纯度，作出等级色组成的画面，使画面效果产生秩序感、节奏感。设计色彩的配色，要求色彩的形式和内容应该冷暖对比协调统一，通过形与色的结合来实现色彩传递和表达感情的目的。不同表现主题具有不同的韵律，不同的色调可以给人不同的美感。设计色彩的调和方法主要包括同类色调配、类似色调配、邻近色调配、对比色调配、互补色调配等。
三、设计色彩的表现方法
1.变换环境、物象引起的色彩变化学习：任何物体的色彩面貌呈现都是与周围色彩比较的结果，它是固有色、光源色、环境色的综合体现。通过练习可以使学生直接而生动地认识局部与整体色彩的关系，从中发现并掌握一些变化规律与表现形式，为日后理性地运用色彩语言表达设计思想奠定有力的基础。要求对一组静物进行写实色彩写生，然后变换静物组合。如：a.变换光源色（由日光变为白炽灯等）；b.变换少量物体；c．变换和拆除静物组合的部分衬布等，使该组静物产生局部变化。最后将前后几张作品对照，从中感悟局部色彩变化所带来的整体色彩变化。在此基础上，为了更进一步地提高对色彩内在联系和变化规律的把握，以及自由运用色彩语言的能力，可以继续进行色彩组合默写训练、变调训练，使学生在解决问题的过程中，理解和掌握设计色彩知识。
2.色彩归纳表现：通过掌握对自然色彩的分析、概括与提炼，从中了解如何将画面由三维向二维方向转化的方法，了解由写实表现形式向设计表现形式转化的过程。也便于更加理性地用色，为日后走向设计工作奠定基础。在写实的基础上，对同一景物、风景、花卉进行色彩归纳，并进行概括和提炼的实践。由于客观物象的色彩千变万化，因此在做这一练习时，先画一幅写实性色彩作业，然后再完成两幅不同处理方法的归纳色彩写生作业。色彩归纳训练，是沟通写实与装饰色彩画法的有效措施。归纳色彩写生同样重视色彩感受中的第一印象，只是更进一步地表现对象色彩的本质特征。其表现形式的不同之处是，归纳色彩写生是在排除了光色影响下的色彩作去伪存真的处理，有意识地追求平面化的画面效果。
归纳色彩写生一般有两种方法：一是在保持原有光色关系的基础上，将几种邻近距离范围内的近似色都转化成它们的平均值色，以平均值来代替它们，尽量以平涂式处理，但并不是将对象单纯地用固有色来代替。二是在保持写生物象色调特征下，加强对色彩的主观处理，作必要而适度的夸张，如加强色线的曲直对比、色彩分布的疏密对比等。丰富的景物组合适宜作为写生对象，处理画面的方法除以平涂色块，还可以勾线填色，或对局部进行繁化处理等。同时还应注意色块之间的着色边线必须肯定、明确，颜色在色块内一般不能渐变、渗化等变化。
3.色彩的装饰性表现：要求这一环节是继“色彩的归纳训练”之后的又一个培养具备设计思维能力和设计表达手段的重要命题，它分别以风景、花卉、人物为对象进行装饰色彩的技法练习。以主观性为主，以美化画面为核心，运用归纳、变色、象征等表现手法，讲究色彩自身的韵律效果。装饰性色彩表现是印象派和现代画派画家常用的手法，如高更、劳特里克等。练习应循序渐进，由归纳写生开始过渡，在色彩归纳的基础上尽可能地强调其装饰性，将形体与色块较大程度地整化。第二步可以尝试“限制用色”的方法，达到以一当十的目的，只用数种色彩根据不同搭配形式，产生各种不同的色彩样式。第三步“借用色彩”，吸收古今中外优秀装饰作品的手法，尤其是装饰绘画和图案设计的主要手法。与色彩同样重要的还有体现色彩效应的描绘手法如色点缀，勾线描边、渐变、间隔色块等可以增强画面色彩的丰富性与装饰性，使画面色彩呈现出循序感，从而色彩效果达到调和。
4.色彩抽象化表现。要求摆脱视觉对形象直接识别的依赖性，锻炼学生的设计思维能力，是设计表达手段的重要环节。使形象与色彩取之自然，逐渐脱离自然，最终又作用于自然。使色彩与形式具有暗示、象征、传递意念的功能。通过一些命题设计（如：激越、和谐、生命等进行锻炼）来完成。学生由于自己的经历、文化背景不同、性格等因素导致命题对其有着不同的心理响应，在进行抽象练习时，根据个人的理解不以任何具体形象为装饰的对象，而运用单纯的点、线、面作为表现的形象，来组成作品的面貌。
5.色彩肌理效果表现。要求选择归纳、装饰、抽象中的一幅作品，在不改变其形的前提下，进行肌理效果的处理。如将水粉纸更换为木板，颜料中加入沙子、木屑、碎玻璃粒、石膏粉等方法以取得很好的质感效果，用油画在画面上运用拓印、渲染、磨擦等技法，使画面达到新的境地。
通过对绘画写生色彩、设计色彩特征的认识，使学生从理论学习到实践练习、从感性认识上升到理性认识，从绘画写生色彩的科学观察认识到主观理性地归纳设计色彩。从而培养学生理解与把握色彩、生动表现设计色彩的能力水平，使其掌握不同设计色彩方法在今后从事的不同艺术设计领域中发挥作用，为将来从事的艺术专业正确地使用色彩、设计色彩打下坚实的基础。
参考文献：
[1]冯健亲.色彩.江苏美术出版社，1994年.
[2]马也.色彩基础.辽宁美术出版社，2006年.
关键词：隧洞 水工工程 方法研究 设计原则
水工隧洞的衬砌主要分为三个部分，主要包括支护钢架、锚喷装置和钢筋混凝土内衬。由于不同水工隧洞需要施工的岩石条件不同，在进行设计方法的选择时，需要加强前期的地质条件和施工环境探测，合理选择支护结构，制定设计施工方案。水工隧洞设计方法的选择对于施工的安全性和施工的质量与效率影响重大。本文浅析了水工隧洞设计方法的主要类型，结合水工隧洞的设计方法选择的依据，提出了设计方法实际应用中的注意事项。
1.水工隧洞设计方法的主要类型
1 . 1结构力学方法设计
经过调查发现，目前水工隧洞设计方法主要包括四种类型，具体是结构力学方法设计、有限元计算方法设计、施工预期方法设计和功能反馈方法设计。结构力学方法设计主要是指水工隧洞的设计方法的选择结构水工隧洞的实际力学要求，建立力学分析模型，对于设计方案采用以力学性能设计为主的方法。对于排沙水工隧洞、传输水工隧洞和施工水工隧洞而言，应用结构力学方法设计可以有效提升水工隧洞施工方案的设计效率和设计质量。结构力学设计方法最大的特点就是设计目的明确，设计思路清晰。
1 . 2有限元计算方法设计
所谓有限元计算方法设计主要利用控制单一变量法实现水工隧洞设计影响因素的探究，该设计方法具有匹配性强的特点。水工隧洞有限元计算结合隧洞材料和荷载的指标，对围岩、钢筋混凝土、二期衬砌和锚杆等进行计算分析，利用实际变量的调控，将水工隧洞的施工工况、设计状况匹配系数、水工隧洞开挖厚度、弹性抗压能力等进行科学计算，可以结合具体的水工隧洞的实际设计要求，展开设计与施工。有限元计算设计方法的选择适合水工隧洞施工方案较为清晰的工程项目，结合施工要求，可以提升设计方案的可控性。
1.3施工预期方法设计
水工隧洞施工设计是设计方法的主要类型之一，加强施工预期的判断可以有效提升水工隧洞设计方法选择的关联度和匹配性。所谓施工预期方法设计就是结合水工隧洞的施工目标合理制定设计方案和施工方案。在预期过程中，需要注重施工通道的场地布局问题，在进行水工隧洞半径选择时，要严格限定旋转半径。对于较长的隧洞洞施工预期，设计方法路线要加强支洞和辅洞的设计与建设，进而保障施工隧洞洞的施工安全性，在合理的空间内有效提升施工效率，加快施工进度。
1 . 4功能反馈方法设计
功能反馈方法设计类型作为21世纪新型的设计方法选择，主要是利用先进的监控设备实现设计方案与水工隧洞功能要求的实时调整并逐渐完善的设计方法。水工隧洞设计方法的确立需要建立在对水工工况具有系统的勘探和认识上，这对于现在施工项目而言，设计难度较大，对于设计人员的综合素质要求较高。功能反馈方法设计有效规避了由于设计人员能力不足而引发的后期设计和施工问题，极大扩大了方法选择的范围，并提升了设计效率。水工隧洞设计方法的类型较多，在具体选择时，需要充分结合不同类型的优势。
2.水工隧洞的设计方法选择的依据
2 . 1水工隧洞抗裂指标要求
水工隧洞设计方法需要尽可能满足施工的最低要求，特别是满足抗裂性能的指标要求，加强设计方法的应用测试。对于抗裂水工隧洞的设计一般分为预压式水工隧洞和堆砌式水工隧洞。堆砌式主要借助钢筋混凝土实现抗裂性能指标的达成。由于钢筋水泥材质自身的特性决定了堆砌式的水工隧洞容易开裂，因此设计方法的选择，必须将钢筋水泥材料的热膨胀系数进行精准计算，加强与当地地质组分和地理环境相互匹配的灌浆配方的研制。需要指出的是抗裂性较好的水工隧洞，其设计方法的科学性和可操作性优势明显。
2 . 2水工隧洞施工方案简捷
水工隧洞设计的主要任务就是保证水工隧洞施工进度和目标的达成，发挥水工隧洞的功能性和可靠性。在设计方法选择时，需要明确水工隧洞的基本设计原则，保障设计方案与施工方案的对等一致性，发挥水工隧洞设计的施工便利优势。不同的地理环境和地质构造对于水工隧洞的设计而言，考虑的施工便利影响因素不同，这就需要结合先进的施工技术和施工设备，合理制定水工隧洞的设计方案。设计方法选择效率的高低直接影响设计方案的合理性，需要结合水工隧洞的设计原则，及时完善设计方法。
2.3水工隧洞检修安全保障
水工隧洞方法设计的选择，需要保障施工及其检修的安全性。施工的主要原则就是“安全第一，预防为主。”在对整个隧洞的路线进行设计选择时，需要综合考量周边条件，水工隧洞的检修安全设计方法选择的依据，与水利工程项目的施工理念相吻合，有效体现了人作为施工设计的主要参与者的主体作用。首先，检修安全设计原则可以激发相关检修人员的工作积极性，排除检修人员的顾虑；其次，检修安全设计原则有利于从根本上为解决其他设计问题奠定客观条件基础。最后，水工隧洞设计方法需要因地制宜，提升设计方法的普遍适用性。
3.水工隧洞的设计方法内容实际应用需要注意的事项
3. 1水工隧洞的构造设计注意事项
水工隧洞设计方法关于构造设计与力学分析类型的选择相似，由于结构具体包括止水结构、排水结构和缝隙结构。设计方法的应用需要格外注意水工隧洞可以满足常压下的无水渗透要求，在设计中需要完善止水结构传感器的设计，可以利用铜制或石英制的实现水带检测。排水结构设计需要注意调节洪峰的进出隧洞洞口不会积水，这就需要在设计时，加强地形与地势的数据分析计算，为后期检修打通安全通道。缝隙结构设计主要是考虑温度对于水工隧洞整体稳定性的影响。因此，水工隧洞设计方法的应用对于地质条件和结构构造的影响规律加强探究，以不断提升设计方法的应用水平。
3.2水工隧洞的灌浆设计注意事项
水工隧洞设计方法确定后，对于施工方案的确立需要尽快完成。由于水工隧洞灌浆材质对于施工效果影响显著，水工隧洞方法设计的内容需要结合灌浆设计的主要方式合理制定。水工隧洞的灌浆设计结合灌浆方式的不同分为固结式灌浆设计和回填式灌浆设计。依据上文讲述的水工隧洞设计方法选择的依据，加强周围岩石的处理分析，明确固结式灌浆隧洞洞的参数。在对隧洞洞身进行灌浆时，灌浆浆料一般采用水泥浆液。设计方法与施工方案相结合，需要弄清二者关系。设计方法选择的依据和类型的确定不是一蹴而就的，需要反复进行验证。
3.3水工隧洞的布局设计注意事项
水工隧洞布局设计方法主要包括水源和泥沙进出口处的布局设计、隧洞洞身的布局设计和洞顶的布局设计。因此，对于设计方法的应用需要对每一个环节做好应用结构反馈整理分析工作。水源或泥沙进出口布局需要上半部分设计成半圆拱形，下半部分设计成矩形，这样可以缓解隧洞上端岩石对隧洞洞的压力。隧洞洞身的布局直接影响传输效率和排沙效率，进而影响施工进度。无论选择何种设计方法，设计方案需要明确设计方法的应用优势，对于无明显应用优势的设计方法，及时进行修订和完善。
4.结论
综上所述，水工隧洞设计类型分为四大类，本文对于每一种设计方法类型进行了具体阐述，并结合设计方法选择的参考依据，明确了水工隧洞设计方法解决方案制定的切入点。在进行实际应用时，需要加强设计方法的验证，并结合注意事项及时调整设计实施方法。
参考文献：
[1]马松豪.水利工程的隧洞封堵体设计方法探究[J]-《城市建设理论研究（电子版）》-2015（24）.
【关键词】建筑；设计；方法
【中图分类号】TU247【文献标识码】A【文章编号】1674-3954（2011）02-0012-01
一、引言
建筑与人是密不可分,相互关联的。人类生活及意识形态决定了建筑的意义。建筑设计反映着人类对自然的认知和人类社会的发展的形态。简单的讲,建筑设计的好坏将直接影响着每个人的生活质量。作为从事建筑设计的人员来说,人性化的、不断完善的、优秀的建筑设计将直接作用于人民生活,从而带动整个社会的发展。
作为一个建筑设计师来说,工程设计项目真正变为建筑物,是会让人感到激动和欣慰的,建筑师的自豪感也因此而生。建筑设计不应该是盲目组织和不加思考的砌筑,建筑师们应当在形成作品前充分考虑社会环境、经济、政治、人文以及美学各方面的因素,依据建筑设计原理及方法,从而对作品进行系统分析,使建筑不仅能够满足现阶段人们的使用要求,而且能够丰富我们所赖以生活的社会与环境。
二、建筑设计的方法
建筑实用、建筑思想、建筑手法,这三个因素是建筑师支撑建筑创作的基本内涵,也是建筑师在建筑创作过程中引导设计的主要依据,它们之间互为因果、互相依存。我们说建筑设计的前提是设计形成的建筑首先要满足使用功能,在此前提下,通过建筑思想的指引,运用相关的建筑设计方法,可以完成具有某种倾向的建筑作品;相反,面对具有某种倾向的建筑作品,分析其设计方法,也可以总结出一定的设计思想来。不论正反两方面看建筑设计,建筑的实用、思想、手法是贯穿建筑设计始终的。我们知道建筑设计的方法很多,也并不能统一出一种或几种固定的设计手法。正因如此,我们才有了多种设计流派和多样的建筑设计。但是就某种流派而言,都会有其相对特有的建筑设计方法和手段。从包豪斯到现在的高技、结构、解构、后现代以及简单主义的发展等等,虽然设计方法多种多样,但对这些设计方法而言,都对建筑多样性的发展起到了重要作用。
建筑设计方法的产生在某种意义上是对人类生活与思想的总结。运用它能使我们科学严谨的对待建筑设计。建筑设计的最基本的过程是一个“由简至繁,由繁至简”的推敲过程。我们可以拿极少主义的建筑设计例子来看,“极少”并不是不经过设计,而是在建筑设计过程中对繁琐内容进行科学合理的取舍。下面笔者就建筑设计的六种方法逐一进行分析:
1、平面功能（流线）法
建筑平面设计是解决绝大部分建筑功能的一个重要环节。在对建筑物的功能分析时就会对所构想的建筑设计进行具体的分析。虽然建筑是一个三维向量的产物,不应该也不可能单一谈论一个局部,但是对于建筑的今后使用,平面分析还是有必要单独提出和研究的。平面处理的好坏直接作用于建筑的使用功能。我们所要研究的是怎样通过使用流线的分析,设计出合理的建筑功能来。比如我们对公共建筑进行设计的时候,常常要从使用人员的使用流线之间的关系、密集人群的安全设计、个体私密性等问题进行平面功能的组合;应该提供一个开放、安全、稳定、有亲和力的公共空间。而这些处理在大多数情况下建筑师在分析平面功能关系时必须全面考虑。平面功能(流线)法是目前建筑设计人员大量采用的一种设计方法,其主要概念是,先分析用地关系,通过了解建筑物的使用性质,从功能出发进行平面功能的合理组合,同时考虑建筑的空间设计等环节。
2、构图法
现代建筑的基本体量、空间或其它要素,都可以归纳为简单的几何形体,如矩形、正方形等。建筑设计通过构图要素来分析几何形体之间的关系,从中分析出形体之间的比例、尺度、对比、主从、韵律、均衡、重点等形式美的规律。使用构图法进行建筑设计的一个前提是:建筑师是怎样对其所设计的建筑进行定位的。关于探讨几何关系与构图也并不是到现在才有的,早在希腊和罗马时期,研究几何关系就已经相当深入了。构图法的一个典型实例是巴西国会大厦。
3、结构法
结构法亦称为结构主义的建筑设计方法,其主旨是通过建筑的结构形式来表达建筑设计。结构与建筑空间是密不可分的,可以通过结构设计的表达来演绎建筑物的性质,现代建筑大师也曾经把建筑结构要素当作装饰要素来处理。但那些结构要素本身依然起着不可替代的作用。结构外露,就像要告诉人们建筑内容是如此的丰富,以至于人们看到此类建筑有时甚至会有点不知所措。
4、符号象征法
我们把特定的或约定成俗的符号,使用在建筑表面或建筑内部的特定装饰部位;或者,用这些符号来演绎建筑平面以及空间体量。比如国内经常能看到运用传统大屋顶这一特定符号来说明历史文脉的呼应和延续。虽然部分建筑设计生硬的照搬这一特定的符号并不一定能很好的体现建筑文化的传承,但是纵观国内外的很多建筑作品,符号象征法在建筑设计中还是不断的采用。该方法大量运用在一些对建筑形象有特殊要求的建筑设计中,如企业可能试图通过建筑设计与企业符号的结合来展示企业的形象等。
5、建筑沿革法
建筑沿革法,就是要对以往的建筑设计进行系统的分析,从中提炼自然法则、历史、文化和人们的生活习惯、情趣以及人们的思想,作为建筑设计的出发点,从而进行建筑设计,力求通过建筑设计来改变人们的生活习惯及行为习惯。
6、综合法
我们在建筑设计的过程中并不是只针对一个简单建筑而言。大量的群体建筑的建筑设计中,将不同的个体建筑分析为不同的几何形体作为总体的设计方向和研究。使之对于每个单体建筑之间有着一种相互依存的关系。这种关系是清晰地、明辨的。我们运用这种手法设计出了大型的、综合的建筑和城市来。这种方法是以上几种方法的综合。
三、国内建筑设计需重点考虑的问题
在谈建筑设计方法的同时,我们还应该意识到建筑师在进行建筑设计时还应该考虑些什么?我们是有着悠久历史和文化的国家,建筑设计是不能没有文化和历史的。然而我们在继承和发扬我们的文化和历史这一工作上还远远不够。迄今为止我们还没有国际级的建筑大师。“这是为什么?”我们不禁要问!建筑是要靠对人们的热爱和对建筑创作充满激情的建筑师来完成的。我们的邻国印度也是发展中国家,但是他们拥有世界一流的建筑师。查尔斯.柯里亚作为一个建筑师,在近40年的建筑实践中,他注重将建筑和城市规划紧密结合,并致力于解决第三世界国家发展而带来的人民生活问题,并设计了著名的干城章嘉公寓。该公寓是为低收入群体做的居住建筑,在建筑设计中更多的是考虑人性的意义。建筑师不能是仅仅为少数有钱人工作来满足他们的奢望。更重要的是能够为经济条件较差的民众创造舒适的生活环境,建筑对人应该是平等的,我们需要这样的民族建筑师。当我们走在上海这一中国目前经济最发达地区的街道上的时候,我们不能只看到高楼林立,我们更应该看到广大市民的居住和生活状况,虽然有了翻天覆地的变化,生活条件得到了空前改善,然而看到依然还有一根根简易晾衣杆从破旧民居的窗台伸出来的时候,作为建筑设计人员,大家都会有一种内疚的思考。
[关键词]：设计速写 方法 训练 阶段
设计速写是培养设计构想和快速捕捉、快速表现的一门基础训练课。设计速写的训练不仅能提高快速熟练的设计表现，更能促进形象思维的积极运转，开拓想象空间，对设计构想的深度、广度和完善起着非常重要的作用。
设计速写也是一种最快捷方便的表现语言，设计师通过设计造型能记录被描述物的形体和色彩，这些造型将会为设计创作积累大量的素材和资料，而却能够快速记录设计师的灵感和构思，也是传达设计师意图、理念的工具，每件好作品背后都有大量的速写记录设计工作的每个步骤和阶段，这种能力是设计师必不可少的重要技能。
要想成为一名好的设计师，应当具备两方面的视觉造型表现能力，一是写生表现能力，二是设计创作表现能力，设计速写则是培养两种能力的重要造型训练手段。
多画速写有助于我们形成正确的科学的观察方法，这是由速写本身的性质所决定的。它要求我们在短时间内迅速准确地表现物象，这就在潜移默化中锻炼了我们的整体观察能力和整体思考能力，逐渐形成了抓大放小、简明扼要的表现方式。其次，从造型角度来讲，多画速写是快速提高造型能力、打好基本功的捷径之一。
在练习设计速写之前，我们需要特别注意的是，首先要分清设计速写与绘画的速写之间的区别与表现的侧重。
绘画的速写是在乎面(既纸面)创造真实的立体。绘画速写一般偏重写实(简单的说就是比较像真的)。如果是油画系的要注意形体、质感，艺术趣味，个性；雕塑系的偏重于结构，体积感。就是所谓的“结实”；国画重视笔法，强调线的运用，重在“写”。总的来说绘画速写强调形、体(国画除外)、主观表现。
而设计速写则是把真实的立体归纳在平面(既纸面)里。设计速写首先强调造型，形的要求更苛刻，在形准的前提下可以根据需要夸张变形。总的来说设计速写强调型和画面构成。学习设计速写的方法主要分为以下五个阶段：
第一阶段主要是通过临摹他人优秀的作品，直接学习他人的表现技法来为表现阶段打下基础，同时也加强了造型能力的训练。如果是初学着应该线从线条的练习开始，如：使用美工笔进行水平线和垂直线的练习，以及斜线和各种图案的练习，这一训练主要目的是让初学者能够较自由控制线条的方向，为临摹打下基础。当能够自由控制线条的方向之后，就可以开始选择优秀的摹本来进行临摹，在临摹的初期应做到与摹本一模一样，暂时抛开自己的技法，即有“你”无“我”。这个阶段主要是积累他人的画面印象，学习他人的表现手法，只有当达到一定的量之后，把这些技法和他人画面的优点熟练化，并最终运用到表现自我感受的过程中，这才达到了临摹的目的。这种方法是学习速写的捷径之一。
第二阶段主要是表现阶段，这一阶段主要是解决物体的表现方法，更加强化和巩固表现技能，形成自己的表现风格。通过收集一些优秀的设计作品案例和摄影照片进行图片表现，这个阶段的表现尽量做到细致，仔细，注意线条的排列与穿插以及画面整体效果和光影效果。
第三阶段是写生阶段。在开始进行写生训练时，不要一味的追求速度，要稳定好心情由慢写开始，逐步训练眼睛的整体观察能力和手头的熟练表现能力，当然慢写并不是速度很慢地画速写，而是运用笔的速度与相对宽裕的观察、理解、思考、归纳、取舍的时间统一起来，在学习速写的基础阶段，它对人的眼、脑、手三者协调一致的快速写生能力具有十分有益的锻炼作用。通过一段时间的练习，当具备了一定的速写能力和技巧后，速写则成为设计师敏锐观察、捕捉物象的本能，经过提炼、概括又成为独特的设计造型表现形式了。画速写便可以由慢到快并逐渐熟练起来。在写生阶段中要经常进行户外写生，感受大自然的魅力，收集资料。
第四阶段为默写阶段。重视默写即注重造型能力的培养，把再现与表现有机地结合起来，这是我们对速写的较高层次的要求。默写有助于速写能力的提高，二者之间是相辅相成的。
