参数摄动H∞滤波系统的最优性能指标计算

基于H∞滤波系统的最优性能指标与相应的Hamilton微分方程特征值之间的对应关系，利用微分方程特征值的摄动法研究了参数摄动H∞滤波系统的性能指标计算问题。当原滤波系统的最优性能指标已知时，利用系统参数的变化量就可以确定摄动系统的最优性能指标。     

非概率不确定性结构的鲁棒性分析

针对目前评价结构的鲁棒性还没有统一标准的问题,基于H∞鲁棒控制理论,建立了不确定性结构鲁棒性定量的评价方法.将外部荷载和结构自身的非概率不确定性用凸集模型表达,采用结构系统传递函数的H∞范数作为结构鲁棒性的定量评价指标.引入L2范数作为评价信号的度量,给出了考虑弹塑性的结构鲁棒性计算公式.分析单自由度并联结构体系,表明不考虑塑性将会高估结构的鲁棒性.分析桁架结构在静力与动力条件下结构的鲁棒性,验证了H∞鲁棒性评价指标可以合理有效地反映结构的鲁棒性.结果表明,增大结构的冗余度、提高关键构件的承载力储备可以增强结构的鲁棒性,而外部荷载和结构本身的属性的波动将降低结构的鲁棒性.     

基于H_∞范数的输电塔结构动力优化

目前输电塔结构设计主要基于静力及拟静力工况,以用钢量(总质量)为经济指标进行静力优化,忽略了动力荷载的频率特性。为解决输电塔结构动力优化问题,提出了基于H∞范数的优化方法。该方法以系统传递函数的H∞范数为优化目标,采用遗传算法对角钢截面进行优化。在计算H∞范数时,用串联多质点模型模拟塔架结构以简化计算。同时,引入惩罚函数来调整个体的适应度,从而保证优化结果满足静力工况,不出现杆件失稳且不增加用钢量。以一个实际输电塔结构作为算例进行优化计算,结果表明,该动力优化方法显著降低了输电塔的地震响应,同时保证结构满足静力工况且总质量不超过满应力优化法的用钢量。该方法不需要求解时域响应,计算效率较高。     

基于H∞控制方法的AMD Benchmark主动控制结构的试验研究

针对结构主动控制系统中存在的模型不确定性问题,进行了H∞主动控制策略及实验研究,目的是使控制系统具有良好的鲁棒性.文中首先建立了AMD (active mass damper) Benchmark主动控制结构的试验系统,然后介绍了主动控制试验系统的工作原理,随后提出了基于H∞控制理论的主动控制方法,详细阐述了控制器中有关H∞控制权函数选取的过程以及控制器设计过程,最后通过试验验证了H∞控制器的有效性和鲁棒性.     

基于线性鲁棒性优化的弦支结构设计及分析

结构的鲁棒性是指结构抵抗不相称破坏的能力。目前,研究集中于框架类结构鲁棒性的评价,缺少弦支结构鲁棒性评价及设计方法。首先基于H∞理论,采用结构系统传递函数的H∞范数作为结构鲁棒性的定量评价指标。然后,采用SIMP模型描述建立了人工材料模型,以结构线性鲁棒性为优化目标,将结构鲁棒性设计转化成连续体拓扑优化,并通过粒子群算法求解。以弦支双曲球壳模型为例,通过鲁棒设计得到了鲁棒构形。最后通过作用超越静荷载,制造干扰场景,分析不同结构设计方案的非线性鲁棒性。结果表明,H∞结构鲁棒性评价指标可以反映干扰与后果是否相称,通过连续体拓扑优化进行鲁棒设计,能够有效地提高结构鲁棒性,可以为弦支结构初始概念设计提供参考。     

H∞滤波在微惯性组合导航系统中的应用

基于微机电(MEMS)惯性仪表构成的微惯性测量装置(MIMU),其系统噪声特性不确定,影响了卡尔曼滤波器收敛过程,从而对MIMU/GPS组合系统性能产生不利影响.将鲁棒H∞滤波技术应用于该组合系统,确定了一种H∞滤波求解方法,给出了滤波器的推导步骤.该算法虽不具备最优滤波特性,但却具有更好的稳定性和鲁棒性.通过仿真实验,确定了H∞滤波器中的性能因子γ具体数值,使滤波器在可接受的估计精度下具有最佳鲁棒效果,它能在复杂的噪声环境下很好地估计出MIMU的主要误差,验证了H∞滤波对于噪声的不敏感程度和鲁棒性,提高了MIMU/GPS这类组合导航系统整体性能.     

MODAL SYNTHESIS METHOD FOR NORM COMPUTATION OF H∞ DECENTRALIZED CONTROL SYSTEMS （ I ）

When using H∞ techniques to design decentralized controllers for large systems,the whole system is divided into subsystems, which are analysed using H∞ control theorybefore being recombined. An analogy was established with substructural analysis instructural mechanics, in which H∞ decentralized control theory corresponds to substructuralmodal synthesis theory so that the optimal H∞ norm of the whole system corresponds to thefundamental vibration frequency of the whole structure. Hence, modal synthesismethodology and the extended Wittrick-Williams algorithm were transplanted from structuralmechanics to compute the optimal H∞ norm of the control system. The orthogonality and theexpansion theorem of eigenfunctions of the subsystems H∞ control are presented in part(I) of the paper. The modal synthesis method for computation of the optimal H∞ norm ofdecentralized control systems and numerical examples are presented in part (Ⅱ).     

H∞滤波在无陀螺捷联惯导系统中的应用

无陀螺捷联惯导系统角速度解算精度不高是其难以实现工程化瓶颈问题.为此,首先深入分析了无陀螺捷联惯导系统的角速度解算原理,并推导出了所用加速度计配置方案的角速度解算方程.然后创造性地构建了Kalman滤波器的状态方程和滤波方程,突破了以往采用Kalman滤波时必须引入额外观测信息(如GPS观测值)的模式.在此基础上构建了系统的H∞滤波器,并借助某型导弹的弹道数据,在外部噪声分别为白噪声和有色噪声的条件下对积分法、开方法、卡尔曼滤波器和H∞滤波器进行了仿真比较,验证了H∞滤波器具有较高的解算精度和对系统的不确定性具有良好的鲁棒性.     

捷联惯导系统传递对准两种滤波方法比较研究

将H∞滤波方法用于捷联惯导系统（SINS）空中动基座传递对准，并对卡尔曼滤波和H∞滤波应用于传递对准的鲁棒效果进行了比较研究。仿真结果表明，在有色噪声和白噪声强度较小时，两种滤波方法的滤波精度差别不大，但当有色噪声和白噪声强度较大时，卡尔曼滤波精度优于H∞滤波。换言之，卡尔曼滤波对于噪声的不确定性是具有一定的鲁棒性的，并且就估计精度而言，其鲁棒性优于H∞滤波，但H∞滤波的估计速度优于卡尔曼滤波。     

MODAL SYNTHESIS METHOD FOR NORM COMPUTATION OF H∞ DECENTRALIZED CONTROL SYSTEMS （II）

When using H∞ techniques to design decentralized controllers for large systems, the whole system is divided into subsystems, which are analysed using H∞ control theorybefore being recombined. An analogy was established with substructural analysis instructural mechanics, in which H∞ decentralized control theory corresponds to substructuralmodal synthesis theory so that the optimal H∞ norm of the whole system corresponds to thefundamental vibration frequency of the whole structure. Hence, modal synthesismethodology and the extended Wittrick-Williams algorithm were transplanted from structuralmechanics to compute the optimal H∞ norm of the control system. The orthogonality and theexpansion theorem of eigenfunctions of the subsystems H~ control are presented in part (I)of the paper. The modal synthesis method for computation of the optimal H∞ norm ofdecentralized control systems and numerical examples are presented in part (Ⅱ).     

线性结构的基于市场机制的鲁棒控制

系统建模不可避免地要忽略一些因素从而造成模型误差,因此基于不确定性的非精确模型来设计控制器显得尤为重要.随着各国学者的不断研究,在线性系统H_∞控制方面取得了很大的发展,但仍存在求解过程繁琐、系统的保守性不强、结构复杂和控制器阶数较高等问题.运用计算结构力学与最优控制相模拟的理论来试图完善存在的问题.导引模就是结构力学中的本征值问题,即弹性稳定的欧拉(Euler)临界力或结构振动的本征频率;通过引入区段混合能的概念,采用精细积分和扩展的威廉姆斯(W-W)算法计算导引模,将此方法引入到基于市场机制的控制(market-based control,MBC)理论中,提出了线性结构基于市场机制的鲁棒控制策略.同时给出了在鲁棒控制下,采用李雅普诺夫(Lyapunov)直接法证明了结构基于市场机制的鲁棒控制器的稳定性及参数的确定方法.最后对一高层受控结构进行数值计算与分析,并与H_∞鲁棒算法的控制效果进行了对比.结果表明,导引模不能取到临界值,否则会导致控制输入趋于无穷大.基于市场机制的鲁棒控制效果要好于H_∞鲁棒算法,并且具有较强的应变能力和在线计算时间短等优点,能较好地适用于高层和大跨结构.     

Structural eigenvalue analysis under the constraint of a fuzzy convex set model

In small-sample problems, determining and controlling the errors of ordinary rigid convex set models are difficult. Therefore, a new uncertainty model called the fuzzy convex set (FCS) model is built and investigated in detail. An approach was developed to analyze the fuzzy properties of the structural eigenvalues with FCS constraints. Through this method, the approximate possibility distribution of the structural eigenvalue can be obtained. Furthermore, based on the symmetric F-programming theory, the conditional maximum and minimum values for the structural eigenvalue are presented, which can serve as non-fuzzy quantitative indicators for fuzzy problems. A practical application is provided to demonstrate the practicability and effectiveness of the proposed methods.     

On the forced vibration of a damped linear system

For a damped linear system in forced vibration, a bound on the norm of the response vector is derived in terms of the smallest eigenvalue of the stiffness matrix and of the damping matrix, and the largest eigenvalue of the mass matrix.     

对用稳定图识别真假模态的一点改进

利用单位样值响应矩阵和自由响应的特征值分解形式中的特征值前的系数矩阵的范数作稳定判据，结合稳定图识别真假模态，计算表明，本方法具有较好的分解能力。     

受迫简谐响应分析中的特征值问题

无阻尼结构的受迫振动的共振频率与自由振动的特征值直接相关。在频域响应谱中，共振频率对应于响应峰值位置。指出频谱中的低谷(相对最小值)对应的频率也可用特征值问题求解。当最小值为0时，对应的频率是著名的反共振频率。另一种可能是，处于两个共振频率之间存在非零的最小响应，对应的频率称为最小响应频率。基于特征值问题的列式，反共振频率或最小响应频率的灵敏度分析可以直接通过已有的特征值灵敏度分析方法求解。给出了详细的数学推导并通过数值算例验证。     

Studying on the stability of fractional-order nonlinear system

In this paper, we study the properties of the Mittag?CLeffler function and propose an approach for calculating the maximum norm of eigenvalue of Jacobian matrix of nonlinear system. Then a simple approach is proposed for judging the stability of fractional nonlinear system. Based on the approach, the maximum decay rate of fractional nonlinear system can be calculated. Finally, some examples are provided to illustrate the approach.     

涡识别技术及其在船用螺旋桨伴流场中的应用

涡识别是很重要的流体问题, 为了在船用螺旋桨伴流场中寻找一种合理的涡识别方法, 本文结合实践, 研究了六种涡识别技术理论, 其中使用Burgers涡流和Lamb-Oseen涡流作了必要的解释, 讨论了各种识别方法的优缺点. 局部低压标准比较直观, 但深究其黏性和非定常影响后, 明显不足; 迹线或流线显然不能满足伽利略不变性, 会使辨别变得混乱; 涡度大小需要规定其阈值, 具有一定不确定性, 且也会识别不是涡的涡片; 速度梯度张量的复特征值也会有识别不出的区域; 速度梯度张量的第二不变量标准和对称张量的第二特征值标准能更好地识别涡核, 这两种标准有时等效. 螺旋桨伴流场的数值模拟是在开源软件OpenFOAM平台上实现的, 湍流大涡模型由一种局部动态方程建模, 此模型优于动态Smagorinsky模型. 最终的结果显示: 对于船用螺旋桨伴流场中的涡, 采用速度梯度张量的第二不变量和对称张量的第二特征值的结果基本一致, 而最小压力标准、流线或迹线标准、涡度值标准和速度张量的复特征值标准都存在一定的缺陷, 不适用于船用螺旋桨伴流场中的涡识别.      

Minimum Weight Design for Structural Eigenvalue Problems by Optimal Control Theory*, †

The application of optimal control theory to minimum weight design of continuous one-dimensional structural elements subject to eigenvalue constraints is discussed. If not only the value of an eigenvalue is prescribed but also its position in the sequence of the ordered eigenvalues—for example, the critical buckling load of a column—the corresponding optimal control problem is shown to include necessarily all eigenvalues. Considering the unspecified eigenvalues as free parameters, necessary conditions for minimum weight design are derived. These conditions are compared with those obtained by use of variational methods. Attention is focused on the special case of multimodal solutions.     

不确定结构动力特征值区间分析的一种算法

将结构系统中的不确定性参数用区间数来表示,对获得的广义区间特征值方程的求解方法进行了讨论,提出了一种区间逐步离散的方法。此方法通过独立的不确定性参数取区间离散点的值,将广义区间特征值方程的求解转化为相应的确定性问题,再搜索方程解中的最大最小值来确定各阶特征值边界。用数学算例对此算法的正确性和有效性进行了验证,然后应用于工程算例的特征值区间分析,并与其它算法结果进行了比较。计算结果表明该算法的计算效率较高,准确性较好。     

Bounds and Error Estimates in Structural Eigenvalue Problems∗

The fundamental eigenvalue P₁ of a linear eigenvalue problem represents the smallest positive value of P for which the quadratic functional U(u) — PW(u) is not positive definite. If the norm of all admissible functions u is chosen to be W, as is usually the case, then the customary variational formulation leads to upper bounds if approximate modes u are selected.

It is shown in the current study that the choice of an appropriate norm D may reduce an otherwise intractable problem to a simpler one whose eigenvalue X becomes a function of an assumed value of P in such a way that P₁ is bounded between P and λ. Moreover, since λ(P) = P₁, the gap between the bounds can be brought within arbitrarily small limits.

For the purpose of demonstration the method is applied to the buckling and the vibration problem of a stepwise prismatic column, with an obvious iteration procedure leading to extremely rapid convergence. Other potential areas of application are also discussed.