非线性方程的保辛近似算法

保守体系的微分方程可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛。两个辛矩阵之和不能保辛,两个辛矩阵的乘积仍是辛矩阵。最常用的小参数摄动法用的是加法,因此对辛矩阵不能保辛。从保辛的角度,要用正则变换。本文针对非线性微分方程,运用自变量坐标变换,对原系统进行变换。由此推导出变换后系统的变分原理。引入Hamilton对偶变量,通过数学变换,得到变系数非线性方程。针对该方程,本文提出了保辛摄动算法。通过数值算例,对不同步长下,保辛摄动法、多尺度摄动法、龙格库塔法和精确解的结果做了比较。数值例题表明,对于非线性方程,本文提出的保辛摄动算法有良好的精度。在步长增大的情况下,保辛摄动保持了良好的稳定性。     

计算最优控制辛数值方法

针对最优控制问题（OCP）的辛数值方法研究及应用进行综述。主要涉及内容包括,动力学系统为常微分方程描述的一般无约束、含不等式约束和状态时滞的最优控制问题,微分代数方程描述的一般无约束、含不等式约束和含切换系统的最优控制问题,以及闭环最优控制问题。从间接法和直接法两个求解框架出发,重点介绍本课题组在保辛算法方面的研究工作。在间接法框架下,首先基于生成函数和变分原理,将OCP保辛离散为非线性方程组,再数值求解方程组。在直接法框架下,将OCP保辛离散为有限维的非线性规划问题（NLP）,再数值求解。针对闭环最优控制问题,提出了保辛模型预测控制、滚动时域估计和瞬时最优控制算法。研究表明,保辛算法具有高精度和高效率的特点,在航空航天和机器人等领域有着广泛应用前景和价值。     

基于拟线性化方法的非线性系统闭环反馈控制保辛算法

提出了一种求解非线性系统闭环反馈控制问题的保辛算法．首先,通过拟线性化方法将非线性系统最优控制问题转化为线性非齐次Hamilton系统两端边值问题的迭代格式求解．然后,通过作用量变分原理与生成函数构造了保辛的数值算法,且该算法保持了原Hamilton系统的辛几何性质．最后,通过时间步的递进完成状态与控制变量的更新,进而达到闭环控制的目的．数值算例表明:保辛算法具有较高的计算精度和较快的收敛速度．此外,将闭环反馈控制与开环控制分别应用于驱动小车上的倒立摆控制系统中,结果表明:在存在初始偏差的情况下,开环控制会导致稳定控制任务的失败,而闭环反馈控制能够在一段时间后消除初始偏差的影响,并使系统达到稳定状态．     

WKBJ近似保辛吗?

WKBJ短波近似是最常用的有效求解方法之一。保守体系的微分方程可用Hamilton体系的方法描述,其特点是保辛。保辛给出保守体系结构最重要的特性。但WKBJ短波近似却未曾考虑保辛的问题。本文给出验证近似解保辛的条件,并指出WKBJ近似难于保辛。然后给出正则变换的摄动保辛方法。数值例题展示了提出的保辛算法的有效性。     

具有潜伏期时滞的时变SEIR模型的最优疫苗接种策略

该文在经典SEIR仓室模型的基础上，在由潜伏个体转化为感染个体的过程中，引入了时滞参数以刻画潜伏期的特性.同时，将传染系数改写为季节性变化参数，并通过引入疫苗接种和时变的成功免疫率，形成了含有时滞受控的时变SEIR模型.进一步地，在状态时滞最优控制问题的框架下，以疫苗接种率为控制变量，求解了基于该模型的传染病最优疫苗接种策略.在最优控制问题中，同时考虑了控制约束、易感染人口数上限、时变的疫苗产量上限三类约束.使用多区段的保辛伪谱方法对该问题进行求解.数值结果表明，计算得到的控制策略可以有效抑制传染病的传播.不同算例之间的对比说明忽略时变因素可能导致不合理的接种策略.     

基于四元数表示的一种改进的刚体动力学保辛积分

根据四元数刚体动力学基本理论,将四元数时间导数与角速度之间的恒等变换引入动能项,由此可以直接得到非奇异的四元数质量矩阵.将其与分析结构力学结合,可以得到4种形式的保辛积分算法.该算法以离散系统作用量变分原理代替四元数微分方程,单位长度约束以代数约束的方式在积分格点处满足.数值仿真结果表明该方法不仅避免了陀螺稳态进动数值仿真中严重的章动误差,并且对于一般情况也展现出很大的精度改善.     

基于四元数表示的多体动力学系统及其保辛积分算法

将四元数引入多体动力学系统,用以描述刚体转动分量,继而据此将问题转入约束动力学领域,建立相关的Lagrange体系.然后引入作用量并进行有限元近似,并保证格点上严格满足约束条件,则根据分析结构力学基本理论,可导出逐步积分的递推格式,并且积分保辛.该法具有未知数少、计算量小等优点,数值结果令人满意.     

多体系统轨迹跟踪的瞬时最优控制保辛方法

随着近年来机器人在各行业领域的广泛应用,对机器人的动力学与控制性能不断提出新的要求,特别是对设计越来越复杂、操作越来越灵巧的智能机器人,要求其能够对目标轨迹实现高精度跟踪以满足实际工作需求. 因此,针对机器人多体系统对目标轨迹跟踪的任务需求,基于微分代数方程提出瞬时最优控制保辛方法. 首先,采用多体动力学绝对坐标建模方法建立机器人系统的普适动力学方程,即微分代数方程;然后,采用保辛方法将连续时间域内的微分代数方程进行离散化,进而得到以当前位置、速度和拉式乘子为未知量的非线性代数方程组;其次,通过引入对目标轨迹跟踪以及对控制加权的瞬时最优性能指标,根据瞬时最优控制理论获得当前最优控制输入;最后,通过离散时间步的更新完成对目标轨迹的跟踪任务. 为了验证本文方法的有效性,以双摆轨迹跟踪控制为例进行了数值仿真,结果表明:针对机器人轨迹跟踪任务所提出的瞬时最优控制保辛方法能够实现对目标轨迹的高精度跟踪,且瞬时最优控制由受控微分代数方程推导获得,更具一般性,能够适应其他复杂多体系统的轨迹跟踪控制问题.      

基于祖冲之类方法具有保辛性

分析微分-代数方程的祖冲之类算法可以在时间格点上精确满足约束方程,计算格式简单,易于编程计算,因此十分实用。本文证明,基于祖冲之类方法不仅保约束,同时还保辛。     

基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之二：算法保辛性质证明

文献[1]给出了哈密顿系统的一个新的变分原理,并基于此变分原理,通过选择一个时间步长两端不同广义位移或广义动量为独立变量,给出了四种不同类型的求解哈密顿动力系统的数值方法。本文将分别证明这四类数值方法都是保辛的数值方法。