学好数理化,穿越炼丹浑不怕

孟旬

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第8章 偏导数控温曲线

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“微积分优化灵力流”的巨大成功,如同给青岚宗这艘高速航行的巨轮更换了更高效能的引擎,其带来的增益是全方位的。宗门灵气充裕,弟子修炼事半功倍,各种耗能巨大的研究项目也得以更顺畅地开展。微积分,这门研究变化与累积的学问,一跃成为比几何学更令人敬畏又向往的高深领域。

然而,科学的探索如同攀登高峰,越过一个山丘,眼前又会呈现新的、更复杂的风景。灵力流的全局优化解决了“输送”问题,但当能量被输送到终点——例如丹炉、炼器炉、修炼静室——如何对其进行极其精密的“末端控制”,成为了新的挑战。这其中,最常见也是最关键的控制之一,便是温度。

这一日,丹堂的首席长老带着几位核心弟子,抬着一尊散发着焦糊味和奇异药香混合气息的“九转琉璃丹炉”,找到了秦洛,脸上写满了痛心与困惑。

“宗主!又失败了!一炉快要接近‘宝丹’层次的‘紫府蕴神丹’,就差最后三个时辰的‘温养’阶段,温度波动超过了千分之三度,药性瞬间冲突,直接……直接炼成了一炉焦炭!”丹长老捶胸顿足,那丹炉价值连城,里面的药材更是珍稀无比。

“千分之三度?”秦洛微微动容。对于高阶丹药而言,尤其是凝丹和温养阶段,对温度稳定性的要求堪称变态。传统的控温阵法,依赖于感温玉符和反馈调节,但响应有延迟,精度有极限,面对丹炉内部复杂的、非线性的热力学过程,往往力不从心。

“不仅仅是稳定性,”一位年轻但眼神锐利的丹堂弟子补充道,他名叫林风,是丹堂新晋的天才,“更重要的是温度曲线。不同的丹药,甚至同一丹药的不同阶段,需要严格遵循特定的升温、保温和降温曲线。这些曲线往往不是简单的直线或光滑曲线,而是存在多个平台、阶跃和复杂变化的非标准曲线。我们现在的控温阵,只能实现简单的线性升降温或者恒温,对于复杂曲线,全靠炼丹师凭经验手动微调,成功率太低了!”

他展示了几种高阶丹方所需的理想温度-时间曲线图,果然形状诡异,有的像台阶,有的像驼峰,有的则在某个点要求瞬时改变升温速率。

“手动微调,如同在悬崖边走钢丝。”林风总结道,“差之毫厘,谬以千里。”

秦洛看着那些复杂的曲线图,手指轻轻敲击桌面。这不再是简单的静态几何问题,也不是单纯的流动优化问题,这是一个更精细的过程控制问题。

“温度是时间的函数,t(t)。”秦洛缓缓开口,“而我们想要的,是让实际温度t_actual(t),尽可能地逼近理想温度曲线t_ideal(t)。”

“传统的控温,只关心t_actual(t) 与 t_ideal(t) 的偏差(error),然后根据偏差大小来调整加热功率。这属于比例控制(p控制),简单但容易过调或欠调,产生振荡,难以应对复杂曲线。”

“我们需要更高级的控制策略。”秦洛眼中再次闪烁起推演的光芒,“我们需要能够预测温度变化的趋势,需要控制其变化的速度,甚至需要补偿累积的偏差。”

“您的意思是……?”林风似乎想到了什么,呼吸有些急促。

“pId控制。”秦洛说出了另一个世界的经典控制算法名词,“但在这个世界,我们需要用数学,尤其是微积分,来实现它,并赋予它应对灵能热力学的特殊性。”

他详细解释道:

“p(比例):控制输出与当前温度偏差成正比。偏差越大,调整力度越大。”

“I(积分):控制输出与温度偏差的积分(即历史累积偏差)成正比。用于消除静态误差,比如长期恒温时那一点点始终存在的微小偏差。”

“d(微分):控制输出与温度偏差的微分(即当前偏差的变化率)成正比。它能预见未来的偏差趋势,提前进行抑制,防止过冲。”

“但是,”秦洛话锋一转,“丹炉内的温度场并非均匀。炉顶、炉心、炉壁的温度可能各不相同,且相互影响。我们控制的加热源也可能有多个(如底火、侧火、灵能辐射)。这就不是一个简单的一维温度函数t(t),而是一个三维空间中的温度场t(x,y,z,t)!”

“这时,我们就需要偏导数(partial derivative) 了!”秦洛的声音带着一丝兴奋,“我们需要知道温度在空间不同方向上的变化率!例如,炉心温度对时间的偏导 ?t_core\/?t,炉心与炉壁的温度梯度(?t\/?x, ?t\/?y, ?t\/?z)等等。”

“偏微分方程(pdE) 将是我们描述丹炉内热量传递的核心工具!”

一个宏伟而精密的计划在秦洛脑中形成:“我们要建立一个‘智能灵能温控系统’!”

“一、精密感知:在丹炉关键位置布设微型高精度温度感应符阵,实时采集三维温度场数据t(x,y,z,t)。”

“二、模型构建:建立丹炉的热传导、对流、辐射的偏微分方程模型,并利用实时数据进行参数辨识和模型校准。”

“三、多变量pId控制:针对多个加热源,设计基于偏导数信息的先进pId控制算法。算法不仅要考虑整个温度场的平均值,还要考虑关键点(如炉心)的温度及其变化趋势(偏导),甚至要考虑不同区域间的温度梯度(空间偏导)!”

“四、前馈控制:对于理想温度曲线中已知的阶跃变化点,提前注入控制量,实现‘预判性’控制,平滑过渡,减少超调。”

这个方案的复杂程度,远超之前的灵力流优化。它要求对微积分的理解更上一层楼,尤其是偏微分方程和多元函数微积分。

算天门和丹堂的精锐力量再次被集中起来。欧几里得的形影在密室中,也开始演绎更复杂的多元函数图像和偏导数的几何意义(切线斜率在某一方向上的分量)。

困难重重。温度传感器的精度和响应速度是第一个难关,炼器堂被逼着做出了突破。热力学pdE模型的建立和求解更是浩如烟海,算天门的弟子们几乎住在了超算中心。多变量pId算法的参数整定( tuning )异常繁琐,需要大量的仿真和实验。

经历了无数次小规模爆炸、丹药炼废、算法失控的失败后,第一代“偏导数控温系统”终于在一尊试验用丹炉上搭建成功。

林风自告奋勇,再次挑战那“紫府蕴神丹”。

丹方输入系统,理想温度曲线加载。

点火,开炉!

系统启动!

主控灵板上,不再是简单的温度数字,而是一个三维的丹炉模型,不同颜色代表不同温度,密密麻麻的数据流显示着各点的温度值、以及计算出的各类偏导数(时间变化率、空间梯度)。

pId控制器的输出条根据复杂的算法实时调整着多个加热源的功率。

整个过程惊心动魄,却又异乎寻常的平稳。

在需要缓慢升温的阶段,系统平稳控制。

在需要精确保温的平台,温度波动被抑制在万分之一的范围内!

在需要瞬时改变升温速率的陡峭阶段,微分(d)作用和前馈控制大显神威,提前动作,完美地跟上了曲线变化,几乎没有超调!

在复杂的驼峰阶段,多变量控制协调着不同加热源,维持着炉内温度场的均匀和稳定。

三个时辰的温养阶段,在以往是最煎熬、最容易失败的阶段,此刻却在控制系统的精准操控下,平稳度过。

丹成之时,霞光满室,异香扑鼻!

九颗圆润剔透、紫气氤氲的宝丹静静地躺在炉底,丹药品相完美无瑕!

“成功了!完美成丹!”林风激动得声音颤抖,捧着那九颗宝丹,如获至宝。

丹长老更是老泪纵横,看着那复杂无比却又精准无比的控制系统,喃喃道:“活了这么多年,才知道炼丹……原来可以这么‘精确’……”

“偏导数控温系统”一战成名!迅速在丹堂、炼器堂推广开来。高阶丹药的成丹率大幅提升,许多以前因为控温太难而不敢尝试的古方也被重新拾起。

不仅如此,这套思想还被应用于弟子修炼静室的灵气环境调控、高级炼器中的材料热处理等多个领域。

微积分,尤其是偏导数的概念,从此深入人心。弟子们开始明白,要描述和控制这个复杂的世界,不仅要知道变化,还要知道变化在每一个方向上的细节。

青岚宗的科学修仙体系,在精密控制的道路上,再次迈出了坚实而关键的一步。

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